陳?？?，陳忠，胡彪，等.構(gòu)造區(qū)硬巖可控沖擊波預(yù)裂參數(shù)優(yōu)化與實踐[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2024，44（5）：857-865.

CHEN Haijun， CHEN Zhong， HU Biao，et al.Optimization of "parameters for controllable shock waves pre-splitting in hard rocks in tectonic zones[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2024，44（5）：857-865.

摘要：為降低綜采工作面構(gòu)造區(qū)堅硬巖石對回采的影響，通過試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法開展了可控沖擊波預(yù)裂硬巖技術(shù)研究。借助可控沖擊波能量測試平臺，利用混凝土相似材料開展可控沖擊波預(yù)裂試驗；通過離散元CDEM軟件模擬三維加載條件，揭示地應(yīng)力、沖擊波強度及彈性模量對預(yù)裂范圍的影響。結(jié)果表明：地應(yīng)力與破裂半徑成反比關(guān)系，破裂范圍與應(yīng)力峰值和沖擊次數(shù)成正比關(guān)系，放電電壓30 kV、峰值壓力224 MPa的沖擊能量能夠滿足構(gòu)造區(qū)硬巖破裂需求；現(xiàn)場應(yīng)用證實了可控沖擊波對回采工作面硬巖影響區(qū)的大塊整巖裂隙發(fā)育會造成明顯影響，經(jīng)沖擊波作用后巖層裂紋數(shù)在3條/m2以上，

預(yù)裂區(qū)巖體呈松散、棱片狀，割落的巖石無需二次破碎，恢復(fù)工作面日推進度3～5 m，與正?；夭尚氏喈??？煽貨_擊波預(yù)裂硬巖技術(shù)作為一種主動、超前、大面積治理井下硬巖影響區(qū)的新技術(shù)，可為煤礦安全高效生產(chǎn)提供一定的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：硬巖；可控沖擊波；高效預(yù)裂；離散元CDEM軟件；大面積處理

中圖分類號：TD 712

Optimization "of "parameters for controllable shock waves pre-splitting in hard rocks in tectonic zones

CHEN Haijun1， CHEN Zhong1， HU Biao2， HU Qiangyong3， ZHAO Youzhi4

（1.Shanxi Yangquan Coal GroupNanling Coal Industry Co.，Ltd.，Taiyuan 030402，China；

2.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

3.Shanxi Ruiboyun Technology Co.，Ltd.，Taiyuan 030032，China；

4.College of Electrical Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an "710043，China）

Abstract：In order to reduce the impact of hard rock in the structural area of the fully mechanized mining face on mining，a controllable shock wave presplitting technique for hard rock was developed through a combination of experiments and numerical simulations.Firstly，a controllable shock wave energy testing platform was built，and the controllable shock wave presplitting tests were conducted using concrete-like materials.Then，by simulating the three-dimensional loading conditions using the continuum-based discrete element method（CDEM）software，the influence of in-situ stress，shock wave intensity，and elastic modulus on the presplitting range was examined.The results showed that the in-situ stress was inversely proportional to the fracture radius，and the peak stress and the number of shocks were directly proportional to the fracture range.Under the shock energy conditions of a discharge voltage of 30 kV and a peak pressure of 224 MPa，the presplitting effects of test specimens at different distances from the shock operation point were obtained.Finally，the field application showed that the controllable shock wave could significantly affect the development of large whole rock fractures in the hard rock affected area of the mining face.After the shock wave action，the number of rock cracks is more than 3/m2.The rock mass in the presplitting area is loose and angular.The cut rock does not need secondary crushing.The daily advance of the recovery working face is 3～5 m，which is equivalent to the normal mining efficiency.As a new technology fo treating the impact zone of hard rock underground"actively and proactively in large areas，the controllable shock wave presplitting technology could provide technical support for safe and efficient production in coal mines.

Key words：hard rock；controllable shock wave；efficient presplitting；discrete element CDEM software；large-area processing

0引言

目前中國大部分煤礦已經(jīng)進入高強開采階段，但采掘空間出露的硬巖給現(xiàn)場生產(chǎn)帶來了較大的困難[1-3]，阻礙綜采工作面的正常推進，如果割煤機強行通過會對綜采割煤機刀具造成嚴重磨損，增加礦山生產(chǎn)成本[4-5]。因此，急需探索新工藝技術(shù)，降低或消除硬巖對綜采工作面推進的影響[6-8]。

針對硬巖給采掘作業(yè)帶來的影響[9-10]，劉沖等探索了深孔預(yù)裂爆破技術(shù)[11-12]和水力化膨脹措施[13-14]，以期通過外部手段弱化所揭露巖層的強度，從而提高生產(chǎn)效率。經(jīng)現(xiàn)場試驗取得了一定效果，但相應(yīng)措施需要施工大量鉆孔、交叉作業(yè)、工藝自身存在一定安全風(fēng)險、對目標巖層擾動較小等，導(dǎo)致推廣應(yīng)用效果不佳?？煽貨_擊波技術(shù)（Controllable Shock Wave，CSW）是一種基于高功率脈沖技術(shù)，以放電等離子體驅(qū)動含能混合物產(chǎn)生脈沖強沖擊波，進而產(chǎn)生致裂等效果，張永民等已在油氣井增產(chǎn)、煤層增透方面進行了工業(yè)化應(yīng)用，取得了良好的效果[15-17]。沖擊波產(chǎn)生的工作原理是以慢的方式（秒級）儲存能量，借助各種開關(guān)快速切換實現(xiàn)脈沖壓縮、功率放大，在短時間內(nèi)以高強度、單個脈沖或受控的重復(fù)脈沖，將能量瞬間釋放給負載。然后負載以各種物理原理將高功率電磁能量轉(zhuǎn)換為所需要的能量形式，在有限的空間、時間內(nèi)形成各種極端條件下的物理環(huán)境，從而達到一般功率條件下達不到的目的。

可控沖擊波的技術(shù)內(nèi)涵主要體現(xiàn)在沖擊波的強度、作業(yè)點位、作業(yè)次數(shù)均可控，其致裂煤巖層基本原理為：產(chǎn)生的沖擊波以近柱面波的形式作用于煤巖層并在其中傳播，在沖擊波源周圍區(qū)域內(nèi)，沖擊波的峰值應(yīng)力高于煤巖層的抗壓強度，可直接使煤巖層破裂，形成裂縫；隨著沖擊波傳播、消耗能量而逐漸衰減成為脈寬增大、波幅減小的壓縮波和彈性波，對煤巖層的作用方式和效果隨之改變，主要表現(xiàn)為撕裂和交剪作用。通過沖擊波反復(fù)作用，能夠不斷擴展、豐富裂紋。因此，通過控制沖擊波單次產(chǎn)生強度的大小、作業(yè)點間距、單點重復(fù)作業(yè)次數(shù)，可以按照需求實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的煤巖層改造目標。

學(xué)者們主要研究了可控沖擊波技術(shù)增透煤層，在部分地區(qū)低透、高瓦斯煤層中開展了順層鉆孔的現(xiàn)場實踐。張永民等在山西保德煤礦研究了堅硬低透高瓦斯煤層應(yīng)用可控沖擊波技術(shù)進行增透，證明了沖擊波增透煤層存在最佳作用次數(shù)[18]；安世崗等分析提高增透效果的重要影響因素是沖擊密度和增透作業(yè)范圍[19]；王向東和李文剛在吉寧煤礦

應(yīng)用可控沖擊波技術(shù)對高瓦斯低透氣性堅硬厚煤層進行增透，節(jié)約了60%以上的瓦斯治理時間[20]；李明澤等在林華煤礦應(yīng)用可控沖擊波技術(shù)對典型高瓦斯復(fù)雜煤層進行了增透，取得了增透鉆孔百米鉆孔瓦斯抽采純量是常規(guī)鉆孔2-5倍的效果[21]；張永民等在貴州中井煤礦研究松軟煤層應(yīng)用可控沖擊波技術(shù)增透，獲得了抽采效率、技術(shù)創(chuàng)新的雙突破[22]。各種順層鉆孔現(xiàn)場應(yīng)用可控沖擊波技術(shù)增透逐漸形成了較為成熟的作業(yè)工藝體系[23-25]，但對于采煤工作面應(yīng)用可控沖擊波預(yù)裂硬巖的研究較少，國內(nèi)外尚無相關(guān)報道。

以山西陽煤集團南嶺煤業(yè)有限公司5207主采工作面為例，5207進風(fēng)順槽所揭露的X87陷落柱，埋深300～360 m、巖石普氏系數(shù)約10.2、掘進日均單進0～1 m、每米進尺消耗截齒15.2個。由于礦井井田范圍內(nèi)斷層、陷落柱較發(fā)育，采掘空間出露的硬巖給現(xiàn)場生產(chǎn)帶來了較大的困難。因此，開展可控沖擊波沖擊距離和預(yù)裂參數(shù)對硬巖預(yù)裂影響程度研究，對煤礦采掘工作面安全、高效通過硬巖影響區(qū)具有重要的意義。

1基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)測試與實驗臺搭建

1.1巖石物理力學(xué)參數(shù)測試

根據(jù)已有研究成果，可控沖擊波能夠產(chǎn)生致裂效應(yīng)，裂紋擴展演化遵循Griffith能量平衡補償理論，但應(yīng)用于煤礦井下的巖石預(yù)裂尚屬首次，作業(yè)參數(shù)等仍需結(jié)合現(xiàn)場條件進行針對性研究，在避免過度擴展影響頂板支護的同時，實現(xiàn)作業(yè)范圍內(nèi)預(yù)裂效果最大化。因此，選定山西陽煤集團南嶺煤業(yè)有限公司5207工作面X87陷落柱進行工業(yè)試驗后，結(jié)合現(xiàn)場條件開展相關(guān)測試與研究。

在X87陷落柱處取目測硬度較大的樣品兩塊（圖1），送至實驗室進行抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、黏聚力測試。經(jīng)測試，巖石抗壓強度93～104 MPa、抗拉強度4.08～4.12 MPa、黏聚力11.13～11.37 MPa、干燥彈性模量5 788～6 224 MPa、干燥泊松比0.35～0-37。

1.2可控沖擊波能量測量平臺搭建

為準確測定、分析沖擊作業(yè)能量，確定合理作業(yè)參數(shù)，利用實驗室現(xiàn)有條件搭建了可控沖擊波測量平臺。該平臺由脈沖電流源、沖擊波換能器和測量系統(tǒng)等部分構(gòu)成，其中充放電回路主要由變壓器、儲能電容、開關(guān)、電纜、腔體以及負載構(gòu)成；測量系統(tǒng)主要由羅氏線圈、電容分壓器、沖擊波探頭、示波器及其隔離電源系統(tǒng)組成，具體如圖2所示。

利用沖擊波測量平臺，可直觀觀測不同能量等級的可控沖擊波對測試物件的致裂效果。受制于平臺影響，目前無法實現(xiàn)較大尺寸（最大直徑80 cm）的物模試驗。因此借助距可控沖擊波發(fā)射點一定位置的傳感器，測定沖擊波傳播一定距離后的壓力衰減情況，然后調(diào)整可控沖擊波發(fā)射裝置的能量，以衰減后的壓力值繼續(xù)發(fā)射沖擊波、作用于完整（未考慮初次沖擊基礎(chǔ)上的累加效應(yīng)）的測試物件，從而觀測、分析可控沖擊波致裂效果及有效影響范圍。

2模擬試驗

2.1相似材料模擬

參照所測試巖石物性參數(shù)，采用C100混凝土材料（52.5R水泥∶河砂∶細卵石∶水=4.3∶6.1∶10∶1）制備物模試件若干進行沖擊模擬。澆筑直徑60 cm、高100 cm的試件，并將其送至實驗室測試抗壓強度（96.7～105 MPa）和靜力抗壓彈模（5 100～5 600 MPa），相似模擬使用抗壓強度100 MPa以上的試件，在無圍壓條件下，采用儲能50 μF、放電電壓30 kV的參數(shù)，利用沖擊波能量測試平臺進行測試。

試驗結(jié)果顯示，在放電電壓30 kV、峰值壓力224 MPa的沖擊能量條件下，沖擊1次后試件完全崩潰，實物效果如圖3所示。沖擊后最大試件碎塊為35 cm×20 cm，對應(yīng)沖擊點位置裂縫呈網(wǎng)絡(luò)狀貫通，最大縫寬4 cm、最長裂縫182 cm（外輪廊）。借助能量測試平臺，在距沖擊作業(yè)點1.5 m處（水中）測得沖擊波峰值壓力衰減至142 MPa以內(nèi)，波形如圖4所示。再次采用峰值壓力142 MPa的沖擊能量測試物模試件，沖擊4次后試件裂紋仍能發(fā)育，最大貫穿試件，如圖5所示。

試件整體直徑雖無法達到1.5 m，但對距沖擊波發(fā)射點1.5 m處衰減后的能量進一步測試，仍能產(chǎn)生裂紋，這表明如果按3 m間距（1.5 m作業(yè)半徑）布置作業(yè)點、在峰值壓力224 MPa下實施沖擊，并進行不低于4次的沖擊作業(yè)，有望能夠?qū)崿F(xiàn)目標范圍內(nèi)的均勻預(yù)裂。

2.2數(shù)值模擬分析

由于相似材料模擬無圍壓束縛，因此采用離散元CDEM軟件（Continuum-based Discrete ElementMethod）模擬三維加載條件，進一步研究作業(yè)參數(shù)。

數(shù)值模擬選用塊體破裂模型，即假設(shè)巖塊單元自身可發(fā)生破裂，存在多個潛在破裂方向，增強了裂紋發(fā)生的任意性；巖石的沖擊破壞是一個非連續(xù)變形及漸進破壞過程，會產(chǎn)生顯式裂紋。靜態(tài)邊界條件：在模型四周施加位移約束；X方向施加最大主應(yīng)力，Y方向施加最小主應(yīng)力，通過改變σH和σh值，研究地應(yīng)力場對巖塊致裂效果的影響。動態(tài)邊界條件：在模型四周施加無反射邊界條件；利用半正弦應(yīng)力波模擬多次沖擊波，峰值壓力、脈寬（正壓作用時間）可調(diào)。按50 m范圍加載計算模型，如圖6所示，輸入?yún)?shù)按實測樣品最大值考慮，見表1。

通過數(shù)值模擬，揭示地應(yīng)力、沖擊波強度及彈性模量對預(yù)裂范圍的影響較明顯，其中地應(yīng)力增加，破裂半徑減小。在10，15，20 MPa條件下，沖擊作業(yè)6次后破裂半徑影響范圍分別為2.3，1.8，1 m，如圖7所示。根據(jù)礦井條件，現(xiàn)場地應(yīng)力接近15 MPa。

通過觀察分析不同峰值壓力條件下破裂影響范圍，發(fā)現(xiàn)隨著沖擊波峰值壓力增大，最大破裂半徑、破裂面積和破裂度均呈非線性增大，增大速率減緩的峰值壓力在150 MPa左右，如圖8所示。

通過觀察分析不同沖擊次數(shù)加載條件下破裂影響范圍，發(fā)現(xiàn)在特定峰值壓力下，多次沖擊造成的最大破裂半徑、破裂面積、破裂度顯著高于單次沖擊，但增加幅度逐漸放緩，如圖9所示。在沖擊次數(shù)少于6次之前，所造成的破裂范圍增加不明顯；當沖擊次數(shù)超過6次時，所造成的破裂范圍驟然增大，此時達到了破裂影響峰值。8次連續(xù)沖擊后，破裂影響范圍增加幅度較小，即可控沖擊波通過小能量的“疲勞效應(yīng)”致裂存在最佳閾值。

彈性模量過低（巖層軟）和彈性模量過高（巖層硬）的致裂效果均受影響。彈性模量較小，巖層強度較低，沖擊波作用下巖石易破碎但破裂半徑小；彈性模量增大，巖層強度隨之增大，易形成大裂隙、破裂半徑隨之增大；彈性模量增加到一定程度，裂隙擴展半徑達到最大并廣泛發(fā)育，致裂效果最佳；彈性模量繼續(xù)增大、巖石強度過高，設(shè)定的峰值壓力難以致裂，如圖10所示。根據(jù)模擬結(jié)果分析，5 GPa左右為致裂的最佳彈性模量范圍，此時能夠產(chǎn)生1.4 m左右的破裂半徑。

根據(jù)基礎(chǔ)測試與研究分析，物理模擬試驗因無圍壓條件，結(jié)果具有一定的局限性；數(shù)值模擬按所測樣品最大抗壓強度計算，現(xiàn)場X87陷落柱所含巖石部分小于最大抗壓強度；彈性模量雖有最佳致裂效果閾值，但現(xiàn)場巖樣實測值高于該閾值，且工作面暴露的巖石無需預(yù)裂到完全破碎，割落巖塊大小控制到一定尺寸、不影響工作面刮板送機運輸、無需二次破碎處理即可。因此，兼顧經(jīng)濟因素，綜合確定現(xiàn)場預(yù)裂的可控沖擊波作業(yè)參數(shù)為：①作業(yè)能量峰值為224 MPa，對應(yīng)40 g聚能棒、儲能50 μF、放電電壓30 kV設(shè)備；②作業(yè)點間距（軸向、徑向相同）取3.5 m；③單點沖擊作業(yè)次數(shù)取6～8次。

3現(xiàn)場試驗及效果分析

3.1沖擊作業(yè)鉆孔布置

5207工作面采用一次采全高綜采工藝、垮落法管理頂板，工作面采高2.4 m，X87陷落柱長軸為67 m、短軸為46 m、面積約2 229 m2、影響工作面推進53 m。根據(jù)可控沖擊波作業(yè)特點，設(shè)計超前工作面200 m、于進風(fēng)順槽內(nèi)布置鉆孔一次性對硬巖影響區(qū)進行大范圍的沖擊預(yù)裂作業(yè)，進而實現(xiàn)工作面快速通過地質(zhì)異常區(qū)。具體如圖11所示。

根據(jù)X87陷落柱形態(tài)特征，為保證整體作業(yè)效果，共布置9個沖擊孔，設(shè)計孔間距3.5 m，鉆孔深度不低于30 m、孔徑不小于120 mm，鉆孔斜交巷道平行布置、最大程度覆蓋陷落柱。同時，鉆孔緊貼切割巷底板施工，保持距切割巷頂板2 m間距（采高2 m，頂板附近保留200～300 mm緩沖保護層），減少對頂板的擾動與破壞。由于現(xiàn)場空間條件限制，個別鉆孔布置間距實際大于3.5 m。鉆孔布置如圖12所示。

3.2現(xiàn)場試驗

根據(jù)鉆孔施工期間煤巖情況，完成了沖擊作業(yè)點位的設(shè)計，見表2。根據(jù)確定的沖擊波作業(yè)參數(shù)，每個鉆孔按3.5 m間距設(shè)計一個作業(yè)點的基礎(chǔ)上，每個作業(yè)點沖擊6～8次（孔口、孔底處作業(yè)點6次、夾矸處沖擊6次，其余點位均沖擊8次）。最終，現(xiàn)場經(jīng)過10 d的作業(yè)，實際完成沖擊作業(yè)點60個、沖擊作業(yè)391次。

3.3效果分析

由于目前尚無沖擊波預(yù)裂效果評價的相關(guān)標準，為檢驗實際預(yù)裂效果，采用孔內(nèi)窺視和實際揭露直接觀測裂紋發(fā)育的方式進行驗證。同時，為便于觀測裂紋發(fā)育和延伸情況，現(xiàn)場采用了注熒光示蹤劑的方法。預(yù)裂作業(yè)前后，將窺視儀放置孔內(nèi)觀察，可以看到作業(yè)后孔壁有裂縫生成并向四周擴展，如圖13所示。

當工作面推采至預(yù)裂區(qū)域時，通過觀察架間揭露的巖層斷面，可以發(fā)現(xiàn)鉆孔附近裂紋擴展豐富，最長一條裂縫超過1.2 m。由于采面直接觀察裂紋延伸范圍難度較大，因此通過跟蹤巖壁的熒光附著情況，發(fā)現(xiàn)架間巖壁熒光均勻分布，表明裂紋擴展性較好（圖14）。

經(jīng)統(tǒng)計，5207工作面自進入X87陷落柱預(yù)裂影響區(qū)至推采到8#孔孔口，共歷時7 d，日推進度3～5 m，與正常采煤速度相同，相比鄰近工作面爆破作業(yè)條件下（打眼、裝藥、連線、爆破警戒、保護支架等，至少停產(chǎn)一個班）1～2 m日推進度，提升顯著；工作面過預(yù)裂影響區(qū)期間，未出現(xiàn)因巖石過硬而導(dǎo)致的采煤機、刮板輸送機、支架等設(shè)備故障，截齒消耗下降了1/2以上，生產(chǎn)成本大幅度降低，充分驗證了可控沖擊波預(yù)裂的效果。綜上，回采區(qū)域內(nèi)的硬巖在可控沖擊波預(yù)裂作用下：①大塊整體硬巖裂紋數(shù)在3條/m2及以上，巖石抗壓強度降至煤機正常切割范疇，工作面日推進度達到3～5 m，滿足穩(wěn)產(chǎn)穩(wěn)效需求；②巖石膠結(jié)程度顯著下降，預(yù)裂區(qū)表現(xiàn)為松散、棱片狀，局部在重力影響下自脫落；③割落巖石基本上初次破碎程度已滿足刮板輸送機運輸條件，無需二次破碎。

4結(jié)論

1）在放電電壓30 kV、峰值壓力224 MPa能量條件下，可控沖擊波能夠?qū)τ矌r產(chǎn)生明顯的預(yù)裂效果，可對單軸抗壓強度93～104 MPa的硬巖產(chǎn)生1.2 m以上的裂紋，密度為每平方米3條及以上，使煤礦井下過硬巖影響區(qū)具備了主動、超前、大面積治理的可能。

2）應(yīng)用可控沖擊波預(yù)裂后，工作面過硬巖區(qū)日推進度達到3～5 m、截齒消耗下降了一半以上、設(shè)備故障率下降，對礦井高效生產(chǎn)以及保持均衡有序的生產(chǎn)銜接具有重大意義。

3）可控沖擊波預(yù)裂效果與硬巖巖性、巖層結(jié)構(gòu)、圍壓條件等均有關(guān)聯(lián)，現(xiàn)場應(yīng)用前需進行物性參數(shù)測試、相似材料模擬、沖擊波預(yù)裂能量與作業(yè)參數(shù)匹配等多方面的系統(tǒng)性研究。

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（責(zé)任編輯：高佳）

收稿日期：2024-02-20

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（52304255）；陜西省教育廳一般專項項目（23JK0546）；陜西省博士后科研項目（2023BSHYDZZ153）

第一作者：陳海俊，男，山西介休人，高級工程師，E-mail：459138741@qq.com

通信作者：胡彪，男，四川鄰水人，博士，副教授，E-mail：hubiao@xust.edu.cn