極薄煤層長鉆孔松動爆破的數(shù)值模擬及應用

李鳳儀， 陳維新， 王維維

(1.黑龍江科技學院 安全工程學院，2.黑龍江科技學院 黑龍江礦業(yè)研究院，哈爾濱 150027)

極薄煤層長鉆孔松動爆破的數(shù)值模擬及應用

李鳳儀1，2， 陳維新2， 王維維1，2

(1.黑龍江科技學院 安全工程學院，2.黑龍江科技學院 黑龍江礦業(yè)研究院，哈爾濱 150027)

為了使長鉆孔爆破能夠松動大面積煤巖體，提高采煤效率，以安泰煤礦極薄硬質煤層為研究對象，利用ANASYS/LS－DYNA程序算法原理對爆炸后應力波的傳播過程進行數(shù)值模擬，得到既能達到松動效果又不大面積損壞上覆巖的不耦合系數(shù)，以及裝藥孔壁徑向初始應力峰值，通過理論計算得出其他爆破參數(shù)。實踐證明:應用該方法能有效提高采煤效率，現(xiàn)場松動爆破后，月產(chǎn)煤量由原來的900 t提高到1 840 t。

松動爆破;數(shù)值模擬;爆破參數(shù)

0 引言

長鉆孔松動爆破是指裝藥距離大于5 m，使爆破對象成為裂隙發(fā)育體，且不產(chǎn)生拋擲。其中不耦合裝藥的爆破原理，是利用不耦合裝藥削減孔壁上的爆壓峰值，減少能量在短時間內(nèi)的損耗，延長沖擊波及爆生氣體在煤巖體的作用時間，從而使爆破對象產(chǎn)生盡可能多的裂紋［1］。

ANSYS/LS－DYNA是世界上著名的通用顯式動力分析程序，能夠模擬真實世界的各種復雜問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題。它以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法;以結構分析為主，兼有熱分析、流體—結構耦合功能;以非線性動力分析為主，兼有靜力分析功能;是軍用和民用相結合的通用結構分析非線性有限元程序［2］。筆者以黑龍江龍煤集團安泰煤礦六井35#工作面極薄硬質煤層為研究對象。利用ANASYS/LS－DYNA程序算法對應力波傳播過程進行數(shù)值模擬，得出爆破參數(shù)。

1 計算模型與參數(shù)

1.1 計算模型

長鉆孔松動爆破模擬應用對象工作面長110 m，煤厚0.6 m，以暗煤為主，煤層傾角為7°;偽頂為4.0～5.0 m的白砂巖;底板為8.7 m的細砂巖，以長石、石英為主，膠結較好。由于煤層含部分夾矸，普氏系數(shù)最大為f=3.3，采用刨煤機刨煤，刨頭截齒損耗較大，效率不高，因此在上巷下幫煤壁單排布置長度為60 m左右的爆破孔爆破松動大面積煤巖體，以提高刨煤機的采煤效率。

為了傳遞支架對老頂?shù)牟糠旨s束力，任何條件下都希望直接頂保持其整體性［3］，否則頂板垮落會影響刨煤機的正常工作。按此工作面以往經(jīng)驗得知，頂板裂隙發(fā)育超過0.5 m有可能產(chǎn)生冒頂，影響回采的正常進行。

建立3個相同尺寸的模型，如圖1所示。其中頂板高100 cm，煤層高60 cm，厚度為1 cm，3個模型炮孔的直徑分別為 55、75、93 cm，藥徑均為50 cm。

圖1 1/2模型Fig.1 1/2 of model

巖石與煤巖、空氣與煤巖、炸藥與空氣的邊界采用流固耦合算法，空氣、炸藥材料采用歐拉網(wǎng)格建模，單元使用多物質ALE算法，煤、頂板采用拉格朗日建模［4］。由于是柱形裝藥，在中心線起爆條件下不考慮端部效應時，可將模型簡化為平面對稱問題，建1/2模型，后處理時做YZ平面對稱鏡像;導爆索傳爆速度極快，炸藥幾乎同時引爆，所以模型采用單層(1個單元厚度)實體網(wǎng)格建模［1］。

1.2 材料參數(shù)

(1)巖石。巖石擬定為彈塑性材料本構(* MAT－PLASTIC－KNEMATIC)［5］。煤巖及頂板(白砂巖)的主要力學參數(shù)見表1。白

表1 煤巖與頂板主要力學參數(shù)Table 1 Main mechanics parameters of coal and roof

(2)炸藥。炸藥采用殉爆距離大、爆速高、猛度高、抗水性好的煤礦許用三級乳化炸藥(*MATHIGH－EX PLOSIVE－BURN)［5］，爆速D=0.36 cm/μs，ρ0=1.310 g/cm3，并定義狀態(tài)方程(*EOS－JWL)，方程中的參數(shù)具體為:A=47.6 GPa，B=0.529 GPa，R1=3.50，R2=0.90，W=1.30，E=45 GPa。

(3)空氣?？諝獠捎肕AT－NULL材料本構［5］，材料參數(shù):ρ=1.292 9 g/cm3，C4=C5=0.4，E= 3.5×10－4Pa，V0=1.0。

2 數(shù)值模擬結果分析

根據(jù)煤礦的實際情況，鉆頭直徑d1有55、75、93 mm。現(xiàn)采用藥徑d2為50 mm的煤礦許用三級乳化炸藥，模型考慮爆炸后1 ms內(nèi)不同孔徑下爆炸應力波的傳播過程，模型具體參數(shù)見表2。

表2 模型參數(shù)Table 2 Definite mechanics of model

2.1 不同時刻有效應力云圖

在lS－PREPOST后處理器的有效應力動畫中分別輸出模型1、2、3在250、500、1 000 μs時的有效應力，如圖2所示。圖2a中模型1應力波的衰減明顯，而模型2和模型3的應力波的直徑約是煤層的厚度。圖2b中三模型的應力波主要集中在頂板，且在煤巖和頂板中的應力波區(qū)域大小呈模型1＜模型2＜模型3的趨勢。圖2c模型2與3在煤巖中的應力波大體相同，而模型2在頂板的應力波明顯少于模型3?？梢姳坪竽Ｐ?在煤巖和頂板的應力波的傳播距離小，時間短，而模型2和3在煤巖和頂板的應力波的傳播距離較大，時間較長。

圖2 模型1、2、3的有效應力云圖Fig.2 Effective stress cloud picture of modle 1，2，3

2.2 壓力時程曲線

在lS－POEPOST后處理器History中分別輸出模型1、2、3中正對炸藥頂板內(nèi)0.5 m處的1#特征單元(A)，以及煤巖體垂直炸藥軸線1 m處2#特征單元(B)的壓力時程曲線，如圖3、4所示。

圖3 模型2孔壁處單元壓力時程曲線Fig.3 Pressure time－h(huán)istories curve in pore wall element of modle 2

在圖4b中1#特征單元的壓力時程曲線的壓力峰值是29.5 MPa，小于圖4a和c的壓力峰值;并且在煤巖中的2#特征單元壓力時程曲線的壓力峰值也最大，為62.45 MPa，作用時間也相對最長。

總結以上模擬結果，最能接近預期效果的為模型2，即取孔徑為75 mm，不耦合系數(shù)取1.50，對應孔壁處特征單元的壓力峰值(應力波初始徑向應力峰值)為p=755.62 MPa，如圖3。

圖4 模型特征單元壓力時程曲線Fig.4 Pressure time－h(huán)istories curves of characteristic element in model

3 理論計算

3.1 最小抵抗線

最小抵抗線半徑為

式中:Rp——松動圈半徑;

p——應力波初始徑向應力峰值;

λ——λ=μ/(1－μ);

α——應力波衰減值，α=2－λ;

σt——巖體的抗拉強度，MPa;

μ——煤巖的泊松比;

rb——炮孔的半徑，mm。

將p=755.62 MPa，μ=0.37，λ=0.59，α= 1.412 7，rb=37.5 mm，σt=4.80 MPa代入式(1)，得Rp=924 mm。

最小抵抗線半徑等于松動半徑時，形成松動爆破［1］，因此，確定最小抵抗線w=1 m，即炮孔的松動半徑1 m。炮孔間距為兩個炮孔爆破時松動半徑之和。因此，兩炮孔的間距為2 m。

3.2 裝藥量

每孔裝藥量計算m為

式中:m——每個炮眼實際裝藥量，kg;

e——爆力系數(shù)，取1.0～1.3;

q——標準條件下爆破每單位體積所需炸藥量，一般取0.2～0.35 kg/m3;

g——爆眼堵塞系數(shù);

L——炮眼深度，m;

w——最小抵抗線，m;

nc——炮眼深度對炸藥消耗量的影響系數(shù)。

將e=1.3，q=0.35 kg/m3，g=1.5，L=65 m，w=1 m，nc=0.6，代入式(2)，m=66.54 kg，即每孔三級乳化炸藥的裝藥量為66.54 kg。

4 結論

(1)用數(shù)值模擬技術確定不耦合系數(shù)及應力波初始徑向應力峰值，精確性增加，實驗量減少，能夠節(jié)約經(jīng)濟成本。

(2)文中計算的爆破參數(shù)應用于實際松動爆破后，月產(chǎn)煤量由原來的900 t提高到1 840 t，產(chǎn)出量提高兩倍多，達到長鉆孔松動爆破的預期效果。

［1］李春茂，樊少武.復雜地質條件下綜采工作面深孔松動爆破技術［J］.煤炭科學技術，2007，35(5):33－35.

［2］顧宏偉，趙燕明，金 文.柱狀藥包巖石中爆炸的數(shù)值模擬［J］.工程爆破，2007，13(1):24－27.

［3］錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2003.

［4］李春睿，康立軍，齊慶新，等.深孔爆破數(shù)值模擬及其在煤礦頂板弱化中的應用［J］.煤炭學報，2009，34(12):1632－1636.

［5］徐 穎，劉永勝，傅萄根.軟弱層帶爆炸注漿理論與實踐［M］.北京:中國科學技術出版社，2008.

Application and numerical simulation of long-drilling loose blasting in extremely thin coal seam

LI Fengyi1，2， CHEN Weixin2， WANG Weiwei1，2
(1.College of Safety Engineering，Heilongjiang Institute of Sience＆Technology; 2.Heilongjiang Mining Industry Research Institute，Heilongjiang Institute of Sience＆Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at allowing large areas of coal and rock mass to be loosened by long-drilling blasting to improve the efficiency of coal mining，this paper introduces the numerical simulation of the propagation process of stress wave due to blast in the extremely thin and hard coal seam of Antai Mine，by using the program algorithm principle in ANASYS/LS－DYNA.The simulation gives no-coupling parameter and initial vertical stress peak in pore wall which affords the loose effect，without much damage to the overlying rocks.The theoretical calculation gives the other blasting parameters.The practice proves this method allows an effective improvement in the efficiency of coal mining and gives monthly increase from 900 t to 1 840 t in coal production.

loose blasting;numerical simulation;blasting parameter

TD235.4

A

1671－0118(2011)04－0273－04

2011－04－12

李鳳儀(1963－)，男，回族，黑龍江省雞西人，教授，博士，研究方向:煤礦圍巖災變及控制、長鉆孔松動爆破、矸石山滅火、采空區(qū)回填，E-mail:lifyxz@163.com。

(編輯徐 巖)