堅硬頂煤弱化的深孔爆破合理炮孔間距研究

吳兆華，于 雷

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013;2.天地科技股份有限公司，北京100013)

千樹塔煤礦11301工作面采用綜采放頂煤方法開采，由于頂煤非常堅硬不容易被礦山壓力充分破壞，造成支架放煤口處大塊煤較多，煤炭資源采出率較低。為了解決這一問題，采用深孔爆破的方法在超前支承壓力影響范圍以外提前對堅硬頂煤進(jìn)行爆破弱化，被弱化的頂煤在工作面支承壓力和支架反復(fù)支撐作用下被充分破壞，進(jìn)而減小頂煤冒落塊度，提高頂煤采出率。合理炮孔間距是爆破方案中最重要的技術(shù)參數(shù)，本文根據(jù)工作面實際條件，利用理論分析和數(shù)值模擬的方法確定了合理的炮孔間距并進(jìn)行了現(xiàn)場實驗。

1 工作面基本條件

千樹塔煤礦11301工作面開采3號煤層，工作面長150m，推進(jìn)長度2000m，煤層埋深約217m，煤層厚度9.75～11.21m，平均10.60m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，無夾矸，采用一次采全厚綜采放頂煤采煤法，采高4.3m，平均放煤高度6.3m。煤層直接頂板以泥巖為主，粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖次之，少量粉砂巖、中粒長石砂巖;底板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖次之。

對3號煤層進(jìn)行了物理力學(xué)測試，測試結(jié)果如表1所示。由測試結(jié)果可知該煤層非常堅硬，硬度系數(shù)平均為2.57，最大達(dá)2.95。工作面生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，由于頂煤硬度大，支架后方放煤口處存在大量大塊煤，頂煤無法順利放出，工作面煤炭采出率僅為56%左右。

表1 煤層試樣的力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果

2 弱化范圍的理論計算

為了使頂煤充分破碎，炮孔之間的裂隙應(yīng)能夠重合，合理炮孔間距應(yīng)為裂隙區(qū)半徑的2倍。因此，為了研究合理炮孔間距應(yīng)對爆破后炮孔的裂隙區(qū)范圍進(jìn)行研究。

學(xué)者戴俊利用Mises強度準(zhǔn)則，并考慮巖石三向受力及其強度的應(yīng)變率效應(yīng)，導(dǎo)出了柱狀藥包爆炸在巖石中引起的裂隙圈半徑計算公式:

其中:

根據(jù)千樹塔煤礦11301工作面的實際條件，計算深孔爆破后炮孔周圍裂隙區(qū)半徑所需的各參數(shù)如表2所示。

表2 計算裂隙區(qū)半徑所需的各參數(shù)

綜上，經(jīng)理論計算炮孔的裂隙區(qū)半徑為1.49m，為了使爆破后炮孔之間的裂隙區(qū)相互貫通達(dá)到良好的破碎效果，合理的炮孔間距為2.98m。

3 爆破裂紋擴展的數(shù)值模擬分析

LS－DYNA軟件是通用顯式動力分析程序，各種復(fù)雜的機構(gòu)計算問題都可以利用該軟件進(jìn)行模擬，該軟件在爆炸沖擊、侵徹等非線性動力沖擊問題的模擬中得到了廣泛的應(yīng)用，本文利用LS－DYNA軟件對深孔爆破后裂紋的擴展情況進(jìn)行模擬。

3.1 建模過程中關(guān)鍵問題的處理

為了準(zhǔn)確模擬爆炸過程，在建模時對幾個關(guān)鍵問題做了處理.

3.1.1 炸藥與巖石的相互作用

炸藥起爆后變?yōu)闅怏w，爆炸過程是流體 (爆生產(chǎn)物)與固體 (煤)的相互作用。因此采用ALE(流固耦合)算法模擬深孔爆破過程中爆生氣體與煤體間的相互作用。ALE算法先計算一個或幾個Lagrange時步，這時隨著材料的膨脹流動炸藥網(wǎng)格產(chǎn)生變形，然后執(zhí)行流固耦合時步計算:在炸藥邊界和網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系保持不變的情況下對炸藥內(nèi)部單元進(jìn)行網(wǎng)格的重新劃分，然后將原網(wǎng)格中的節(jié)點速度矢量和單元變量分配給重劃分的新網(wǎng)格。這種算法能夠克服嚴(yán)重的單元變形造成的數(shù)值計算困難，并可以實現(xiàn)對流體與固體在各種復(fù)雜載荷條件下的相互作用分析。

3.1.2 炸藥載荷的施加

炸藥起爆后，爆生產(chǎn)物的壓力變化范圍非常大，如果用瞬時的集中載荷來模擬炸藥爆炸后產(chǎn)生的壓力，則模擬結(jié)果和實驗室結(jié)果相差很大。本文采用HIGE_EXPLOSIVE_BURN模型以及JWL方程模擬炸藥。JWL狀態(tài)方程能夠精確地描述凝聚炸藥圓桶實驗過程中壓力與比容的關(guān)系，被廣泛用于爆炸的數(shù)值模擬中，其狀態(tài)方程如下:

式中，R1，R2，ω為炸藥特性參數(shù)，無量綱;A，B為炸藥特性參數(shù)，GPa;V，E分別為爆轟產(chǎn)物的相對體積和內(nèi)能，m3，MJ;P為壓力，MPa。

實驗所用炸藥的參數(shù)如表3所示。

表3 實驗所用炸藥參數(shù)

3.1.3 煤的模擬

爆炸過程中煤體應(yīng)變速率的變化范圍非常大，因此采用對應(yīng)變速率變化敏感的材料來模擬煤體。煤體的基本物理力學(xué)參數(shù)由實驗獲得，缺少的參數(shù)取同類煤的平均值，各參數(shù)的取值如表4所示。

表4 煤的物理力學(xué)參數(shù)

3.1.4 邊界條件的選取

深孔爆破時炮孔處于無限的煤體中，模擬時要用一個有限域來表示無限域，因此必須明確界定有限域的邊界條件。一般模擬時采用固定邊界的位移或給邊界恒定作用力的方式來處理，但這樣會使爆破后的應(yīng)力波在邊界處產(chǎn)生反射，反射后的應(yīng)力波重新進(jìn)入模型與原應(yīng)力波相互疊加會給求解結(jié)果帶來很大的誤差。

本文為了減少邊界處波的反射對結(jié)果的影響，對模型的邊界施加無反射邊界條件，吸收到達(dá)邊界的膨脹波和剪切波。

3.1.5 巖石破壞準(zhǔn)則的選取

材料的性質(zhì)和實際的受力狀況決定了材料在外載荷作用下的破壞準(zhǔn)則。深孔爆破中，煤的受力狀態(tài)為三向拉壓混合的應(yīng)力狀態(tài)，并且現(xiàn)有研究已表明:在爆破過程中炮孔周圍壓碎區(qū)煤的破壞方式為受壓破壞，裂隙區(qū)煤的破壞方式為受拉破壞。因此，定義煤的破壞準(zhǔn)則為壓破壞和拉破壞，即當(dāng)單元的拉應(yīng)力超過煤的抗拉強度或壓應(yīng)力超過煤的抗壓強度時發(fā)生破壞。

3.1.6 裂紋形成的實現(xiàn)

本文通過定義單元失效的方法模擬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的裂紋，即將發(fā)生破壞的單元定義為失效單元，把失效的單元從模型中刪除不參與后期計算，多個被刪除的單元相互貫通，在結(jié)構(gòu)中就形成了裂紋。

3.2 模擬方案

根據(jù)千樹塔煤礦的實際條件，選用的藥卷直徑為75mm，炮孔直徑為94mm，本文在此基礎(chǔ)上研究爆破后炮孔周圍裂隙區(qū)的范圍，從而確定合理的炮孔間距，建立的模型如圖1所示。

圖1 爆破模擬模型

3.3 模擬結(jié)果

當(dāng)藥卷直徑為75mm，炮孔直徑為94mm，裝藥不耦合系數(shù)為1.25時，炸藥起爆后炮孔周圍的破壞情況如圖2～圖7所示。

圖2 16μs炮孔周圍出現(xiàn)破壞

圖3 136μs炮孔周圍出現(xiàn)徑向主裂紋

圖4 180μs裂紋進(jìn)一步擴展

圖5 204μs炮孔周圍出現(xiàn)環(huán)向裂紋

通過以上數(shù)值模擬分析可知，炸藥起爆16μs后炮孔周圍開始出現(xiàn)微小裂紋;起爆136μs后炮孔周圍出現(xiàn)4條明顯的徑向裂紋，且在裂紋的尖端出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象;起爆180μs后炮孔周圍的徑向裂紋進(jìn)一步擴展，裂紋尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯;起爆204μs后炮孔周圍出現(xiàn)了明顯的環(huán)向裂紋;起爆368μs后1條徑向裂紋停止擴展，且該裂紋尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減弱，1條徑向主裂紋出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。數(shù)值模擬的裂紋擴展過程和現(xiàn)有理論關(guān)于深孔爆破后裂紋的擴展過程一致，說明本方法能夠有效實現(xiàn)對爆破裂紋擴展的模擬。

裂紋擴展的最終形態(tài)如圖7所示，4條徑向主裂紋的最終擴展長度分別為 1.52m，1.56m，1.62m，1.03m，可見炸藥起爆后炮孔周圍的裂隙區(qū)半徑為1.5m左右，與理論分析結(jié)果基本相同。

圖6 368μs部分徑向主裂紋停止擴展

圖7 裂紋擴展的最終形態(tài)

4 現(xiàn)場實踐

根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果可知，炸藥起爆后炮孔周圍的裂隙圈半徑大約為1.5m，為了使煤體充分破碎，炮孔間距定為1.5m(裂隙圈半徑的2倍)，并據(jù)此制定深孔爆破方案，如圖8和圖9所示。在頂煤中沿工作面傾向每隔108m打1條工藝巷用于爆破鉆孔的施工，工藝巷中每隔3m打1組雙排炮孔，炮孔長度為50m。

圖8 工藝巷和炮孔布置平面

圖9 工藝巷和炮孔沿工作面走向剖面

5 結(jié)論

(1)對深孔爆破數(shù)值模擬中的幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行了處理，實現(xiàn)了對徑向裂紋擴展、環(huán)向裂紋擴展、裂紋的分叉和停止的模擬，為深孔爆破的進(jìn)一步深入研究提供了新的技術(shù)手段。

(2)經(jīng)理論分析和數(shù)值模擬確定了千樹塔煤礦頂煤深孔預(yù)裂爆破的合理炮孔間距為3m，并在此基礎(chǔ)上制定了頂煤深孔預(yù)裂爆破方案。現(xiàn)場實施后，工作面煤炭采出率由56%提高到74%，有效地減少了工作面的煤體損失，說明深孔爆破方案設(shè)計較為合理。此次實踐為類似的工作面如何提高頂煤采出率提供了可借鑒經(jīng)驗，具有極大的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］戴 俊.柱狀裝藥爆破巖石壓碎圈與裂隙圈計算 ［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版)，2001，20(2):144－147.

［2］戴 俊.巖石動力學(xué)特性與爆破理論［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2002.

［3］徐 剛.改善綜放開采高韌性頂煤冒放性技術(shù)研究［D］.北京:煤炭科學(xué)研究總院，2004.

［4］徐 剛.用工藝巷深孔爆破改善難冒煤層理論與應(yīng)用［D］.北京:煤炭科學(xué)研究總院，2005.

［5］謝和平，王家臣，陳忠輝，等.堅硬厚煤層綜放開采爆破破碎頂煤技術(shù)研究［J］.煤炭學(xué)報，1999，24(4):350－354.

［6］薛友興.堅硬頂板條件下提高頂煤回收率試驗研究［J］.煤炭工程，2010(6):52－54.

［7］王玉錦.煤體松動爆破的研究與實踐［J］.煤炭工程，2003(9):37－38.

［8］索永錄.堅硬頂煤弱化爆破的破壞區(qū)分布特征［J］.煤炭學(xué)報，2004，29(6):650－653.