深孔預(yù)裂爆破提高綜放初采頂煤回采率的研究*

沈玉旭，趙國飛，張哲瑞，許海濤

(山西能源學(xué)院， 山西 晉中市 030600)

深孔預(yù)裂爆破提高綜放初采頂煤回采率的研究*

沈玉旭，趙國飛，張哲瑞，許海濤

(山西能源學(xué)院， 山西 晉中市 030600)

針對(duì)某礦3407工作面堅(jiān)硬頂板難以垮落的現(xiàn)象，通過對(duì)其頂?shù)装逦锢砹W(xué)性質(zhì)的分析，確定深孔預(yù)裂爆破參數(shù)，使用ANSYS/LS-DYNA2D軟件模擬爆破過程，以及使用UDEC軟件模擬切頂后頂板垮落破壞情況。研究結(jié)果表明：采用深孔預(yù)裂爆破的方法弱化堅(jiān)硬頂板，初次來壓步距縮短了9.6 m，頂煤采出率提高了14.38個(gè)百分點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了綜放初采的安全高效開采。

綜放初采；采出率；預(yù)裂爆破

堅(jiān)硬頂板是指厚度大、強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、完整性較好的頂板[1-3]。如果頂板不能及時(shí)垮落，容易造成沖擊礦壓、工作面瓦斯超限、壓架等煤礦災(zāi)害[4]。如果頂板及時(shí)垮落可以大大避免這些災(zāi)害，同時(shí)還可以提高放頂煤初采期間的頂煤采出率，確保初采期間的安全生產(chǎn)。

堅(jiān)硬頂板一般透水性差，注水后效果不明顯，而且范圍有限，采用深孔預(yù)裂爆破的方法處理堅(jiān)硬頂板的相關(guān)研究很少。本文通過理論分析和數(shù)值模擬，對(duì)某礦3407工作面綜放初采期間深孔預(yù)裂爆破進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并做了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。

1 工程條件分析

(1) 工作面概況。某礦3407工作面位于七五二水平四盤區(qū)，屬于孤島面開采，和已采的兩個(gè)工作面中間各留有20 m保安煤柱。工作面開采的3號(hào)煤層厚度為5.8～6.2 m，平均厚6 m。工作面長度174.5 m，推進(jìn)長度1360 m，采用放頂煤頂板全部垮落的采煤方法。

(2)頂?shù)装逄匦浴?407工作面3號(hào)煤與頂?shù)装鍘r層的主要力學(xué)特性見表1。

使用D/MAX-2400型X-射線衍射光譜儀對(duì)3407工作面基本頂細(xì)砂巖進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)細(xì)砂巖的礦物組成進(jìn)行了定性分析和相對(duì)定量分析，分析結(jié)果見表2，其中石英占絕大部分，高達(dá)68.3%。

在3407工作面端頭和端尾的位置鉆孔取芯，分別對(duì)這兩個(gè)鉆孔所取到的基本頂細(xì)砂巖試樣做飽水-風(fēng)干4個(gè)循環(huán)的崩解實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：細(xì)砂巖巖芯在經(jīng)過4個(gè)飽水-風(fēng)干循環(huán)后，幾乎沒有破損現(xiàn)象，保持完整。

因此，采用注水弱化3407工作面頂板的方法不可行，必須采用深孔預(yù)裂爆破的方法才可以破壞工作面頂板。

表1 煤與頂?shù)装逯饕W(xué)參數(shù)

表2 試樣的礦物成分

2 爆破參數(shù)及方案

(1) 炮孔長度及直徑。炮孔的垂直高度應(yīng)該以頂板垮落后充滿采空區(qū)為宜，因此炮孔的垂直高度為12 m，炮孔直徑為75 mm。

(2) 炮孔間距。深孔預(yù)裂爆破主要是利用爆破產(chǎn)生的裂隙和弱面破壞頂板，在頂板形成貫通裂縫。根據(jù)Mises準(zhǔn)則，在不耦合裝藥條件下，經(jīng)計(jì)算得到裂隙區(qū)半徑Rp為1790 mm，因此炮孔間距定為3.5 m。

(3) 封孔方式。封孔是為了防止爆炸沖孔，為了保證爆破效果和安全，本次封孔采用剛-塑-剛結(jié)構(gòu)，封孔長度為炮孔總長的1/2。炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)

(4) 聯(lián)線方式。采用正向起爆，使用煤礦許用導(dǎo)爆索，每個(gè)導(dǎo)爆索捆綁了兩個(gè)瞬發(fā)雷管。爆破網(wǎng)絡(luò)聯(lián)線方式采用“局部并聯(lián)，總體串聯(lián)”，即一根導(dǎo)爆索的兩個(gè)雷管并聯(lián)連接，炮孔與炮孔之間串聯(lián)連接。

(5) 一次起爆的藥量。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中爆破允許安全距離的薩道夫斯基公式計(jì)算，一次起爆的最大藥量為35 kg。

(6) 炮孔布置。在開切眼內(nèi)以及兩個(gè)端頭都布置炮孔(見圖2)，一共50個(gè)，并且要在工作面液壓支架安裝之前打好炮孔。

(7) 放炮順序。50個(gè)炮孔，端頭端尾各兩個(gè)，分別為一個(gè)組；開切眼內(nèi)46個(gè)，3個(gè)炮孔為一組，每組內(nèi)3個(gè)炮孔分別依次使用Ⅰ段、Ⅲ段和Ⅴ段毫秒延期電雷管，組與組之間留一個(gè)空孔。

圖2 炮眼布置

3 爆破過程模擬

3.1 單個(gè)炮孔爆破模擬

使用ANSYS/LS-DYNA2D軟件模擬單個(gè)炮孔爆破的過程，LS-PREPOST后處理器輸出了不同時(shí)刻爆破裂隙的發(fā)展情況(見圖3)。分析爆破裂隙發(fā)展過程可知：粉碎區(qū)形成時(shí)間很短，大概0.1 ms；1.2 ms后裂隙區(qū)基本形成，半徑大約為1.86 m，比理論計(jì)算值稍大。因此3.5 m的炮眼間距基本合理。

3.2 3個(gè)炮孔爆破模擬

使用LS-DYNA2D模擬3個(gè)炮孔同時(shí)爆破的情況，炮孔間距3.5 m，不同時(shí)刻爆破裂隙發(fā)展過程見圖4。模擬結(jié)果表明：3個(gè)炮孔爆破后裂縫基本可以貫通，形成一條裂縫，達(dá)到預(yù)期的爆破效果，炮孔間距合理。

3.3 UDEC模擬頂板垮落情況

本次模擬是以3407工作面地質(zhì)條件作為基礎(chǔ)，煤層埋深400 m，采高3 m，頂?shù)装逯饕W(xué)參數(shù)參照表1，模型左右和底部都是固定約束，零位移，上部施加了10 MPa的均布荷載，模型總長100 m，總高61.5 m，計(jì)算模型如圖5所示。

模擬結(jié)果表明：未切頂時(shí)，直接頂初次來壓步距為12 m，基本頂初次來壓步距為31.2 m；切頂后，直接頂初次來壓步距為7.2 m，基本頂初次來壓步距為21.6 m；對(duì)比切頂前后，直接頂初次來壓步距縮短了4.8 m，基本頂初次來壓步距縮短了9.6 m。

圖4 3個(gè)炮孔不同時(shí)刻的爆破裂隙擴(kuò)展情況

圖5 計(jì)算模型

4 應(yīng)用效果

通過對(duì)上一個(gè)工作面(3405未爆破切頂)和本工作面(3407爆破切頂)初采期間煤炭采出量、頂煤采出率、頂板初次來壓步距的研究，可知：

(1) 3405工作面初采期間采煤40240 t，頂煤采出率23.16%；3407工作面初采期間采煤45840 t，頂煤采出率37.54%。頂煤采出率提高了14.38個(gè)百分點(diǎn)。

(2) 3405工作面基本頂初次來壓步距28.3 m，3407工作面基本頂初次來壓步距18.7 m，爆破切頂后基本頂初次來壓步距縮短了9.6 m，這與模擬結(jié)果基本一致。

5 結(jié) 論

(1) 通過X-射線衍射圖譜以及它的礦物成分分析，同時(shí)對(duì)細(xì)砂巖做飽水-風(fēng)干崩解實(shí)驗(yàn)，表明只有通過爆破的方法破壞頂板細(xì)砂巖才是最佳選擇。

(2) 使用ANSYS/LS-DYNA2D模擬爆破后裂隙發(fā)展情況，確定了炮眼間距等爆破參數(shù)的合理性。

(3) 使用UDEC模擬切頂與未切頂情況下頂板的垮落破壞情況，切頂后基本頂初次來壓步距縮短了9.6 m，頂板遭到破壞，初次來壓提前到來，這與實(shí)際爆破效果相符。

(4) 爆破后頂煤采出率提高了14.38個(gè)百分點(diǎn)，解決了初采期間頂板大面積懸露而不冒的問題，減弱了初次來壓對(duì)液壓支架的沖擊載荷，防止了頂板突然垮落造成的工作面瓦斯超限，增加了初采期間的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]靳鐘銘,徐林生.煤礦堅(jiān)硬頂板控制[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1994:80-90.

[2]王 開,康天合,李海濤，等.堅(jiān)硬頂板控制放頂方式及合理懸頂長度的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009(11).

[3]靳鐘銘.堅(jiān)硬頂板長壁采場(chǎng)的懸梁結(jié)構(gòu)及其控制[J].煤炭學(xué)報(bào),1986(2):71-75.

[4]宮世文,張蓀茗,孫 震，等.深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)的應(yīng)用[J].煤礦安全,2007(1):21-22.

山西能源學(xué)院自然科學(xué)項(xiàng)目(ZY-2017006).

2017-08-14)

沈玉旭(1986-)，男，助教，研究方向?yàn)榈V山壓力，Email：410825567@qq.com。