堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

王治文，陸銀龍，吳秉臻,3，郭 鵬,3

(1.山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云韓家洼煤業(yè)有限公司，山西 左云 032000；2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

堅(jiān)硬頂板巖體強(qiáng)度高、厚度大、整體性強(qiáng)、節(jié)理裂隙少、承載能力強(qiáng)，在煤層開采后易大面積懸露而不發(fā)生垮落?，F(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，堅(jiān)硬頂板的初次來壓步距一般大于40 m[1]。當(dāng)堅(jiān)硬頂板發(fā)生突然斷裂垮落時(shí)，會(huì)造成礦山壓力能量的集中釋放，導(dǎo)致工作面短時(shí)間內(nèi)壓力劇增，極易形成颶風(fēng)和沖擊，對(duì)工作面回采造成極大威脅[2]。為了解決此類問題，需要對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行弱化以減小頂板來壓步距，工程上一般采用深孔預(yù)裂爆破的方式進(jìn)行人工強(qiáng)制放頂。進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破的一般步驟為：工作面推進(jìn)→兩巷超前打爆破孔→進(jìn)行預(yù)裂爆破。這種方法不影響工作面的正常生產(chǎn)，隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)懸頂面積增大，堅(jiān)硬頂板會(huì)在地應(yīng)力與自重作用下在炮孔周圍的薄弱帶發(fā)生破斷，進(jìn)而改變頂板的來壓步距。

大量的工程實(shí)踐表明[3-4]，堅(jiān)硬頂板的深孔預(yù)裂爆破效果不僅取決于炸藥的裝藥量，而且還與爆破孔的布置方案與參數(shù)(如爆破孔深度、爆破孔直徑、爆破孔位置等)密切相關(guān)。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者已針對(duì)不同裝藥量影響下的爆破影響范圍及爆破效果開展了大量研究[5-6]，但是有關(guān)爆破孔布置方案與參數(shù)對(duì)堅(jiān)硬頂板預(yù)裂弱化效果影響的相關(guān)研究尚不夠深入。

為此，本文以山西某礦厚煤層堅(jiān)硬頂板綜放工作面的具體工程地質(zhì)條件為背景，在對(duì)巖體預(yù)裂爆破后的力學(xué)特性分析的基礎(chǔ)上，利用FLAC3D軟件建立堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破三維數(shù)值計(jì)算模型，研究了不同的爆破孔深度、爆破孔距開切眼距離等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)堅(jiān)硬頂板初次來壓的影響規(guī)律，優(yōu)化了堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破方案與參數(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐。

1 工程地質(zhì)概況

山西某礦22205綜放工作面地面標(biāo)高為+1 480～+1 520 m，井下標(biāo)高為+1 255～+1 300 m，平均埋藏深度200 m。工作面走向長(zhǎng)878.4 m，傾向長(zhǎng)150 m，面積89 100 m2?；夭擅簩訛?2號(hào)煤層，煤層顏色為黑色，半亮型煤為主，暗煤次之，夾矸為灰色、塊狀，含高嶺質(zhì)、節(jié)理發(fā)育的泥巖。煤層厚度10.3～12.7 m，平均厚度11.5 m，煤層傾角2°～8°，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。工作面老頂為砂巖及砂礫巖，厚度4.2～26.9 m，整體性好，賦存穩(wěn)定，強(qiáng)度高，屬于堅(jiān)硬頂板。 22205綜放工作面頂?shù)装鍘r性特征見表1。

表1 某礦22205綜放工作面頂?shù)装鍘r性特征

根據(jù)相鄰22203綜放工作面的現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)22205綜放工作面回采后頂板初次跨落步距可達(dá)60～70 m，在回采過程中極易造成大面積懸頂，頂板來壓時(shí)可能會(huì)引起強(qiáng)沖擊風(fēng)暴，對(duì)作業(yè)人員及工作面設(shè)備設(shè)施造成沖擊，存在極大的安全隱患。因此，為了保證22205綜放工作面正常安全回采，考慮采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對(duì)22205綜放工作面堅(jiān)硬頂板進(jìn)行預(yù)裂弱化處理，以減小頂板初次來壓步距。

2 巖體預(yù)裂爆破后的力學(xué)參數(shù)弱化分析

2.1 巖體爆破弱化原理

巖體預(yù)裂爆破后的損傷主要是由于爆炸應(yīng)力波的作用造成的。隨著炸藥在巖體中爆炸，在爆破孔中心處產(chǎn)生爆炸沖擊波，當(dāng)沖擊波沿著巖體介質(zhì)傳播時(shí)不斷衰減演變成應(yīng)力波，應(yīng)力波再逐漸變成地震波，最后地震波衰減至零完全被巖體吸收[7-8]。

對(duì)于深孔預(yù)裂爆破，一般采用柱狀裝藥的方式使巖體形成柱面波并向外傳播，由于巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，爆破后巖體會(huì)沿徑向產(chǎn)生裂隙產(chǎn)生拉伸破壞，爆破孔周圍的破壞區(qū)域呈圓柱狀[9-11]?？紤]當(dāng)爆破范圍以爆破孔為中心可在空間上分為三個(gè)區(qū)域，即空腔區(qū)、破碎區(qū)、裂隙區(qū)，如圖1所示。其中，空腔區(qū)和破碎區(qū)受強(qiáng)烈沖擊作用，此區(qū)域內(nèi)的巖體受粉碎性破壞，范圍一般為2～3倍爆破孔直徑；破碎區(qū)之外為裂隙區(qū)，其范圍一般為爆破孔直徑的2～6倍。

圖1 爆破孔周圍分區(qū)

Fig.1 Zones around blast hole

2.2 基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的爆破區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)弱化

Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則是Hoek等提出的關(guān)于巖體非線性破壞的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則。已有研究表明[12-14]，巖體爆破影響區(qū)域的力學(xué)參數(shù)(包括黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ及抗拉強(qiáng)度σt等)可以利用H-B準(zhǔn)則來計(jì)算，見式(1)～(3)。

(1)

c=

(3)

式中：s、a為材料常數(shù)；σci為單軸抗壓強(qiáng)度；σ3n可由σci以及最小主應(yīng)力的最大值導(dǎo)出；mb為完整巖石的巖性系數(shù)的削減值[15-16]。

利用式(1)～(3)可以估算得到22205綜放工作面堅(jiān)硬頂板預(yù)裂爆破后爆破影響區(qū)的巖體力學(xué)參數(shù)范圍，內(nèi)摩擦角φ為20°～30°，黏聚力c為0.55～0.80 MPa，抗拉強(qiáng)度σt為0.4～0.5 MPa。

3 堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

利用FLAC3D軟件建立22205綜放工作面的三維數(shù)值計(jì)算模型(圖2)，模型總體尺寸為300 m×150 m×60 m。模型共分為6層，巖層傾角為5°，可近似認(rèn)為是水平巖層。模型四周、底部邊界均為固定法向位移，模型上邊界施加上覆巖層自重載荷，大小為5 MPa。巖層本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型，爆破區(qū)域的巖石力學(xué)參數(shù)的范圍由式(1)～(3)計(jì)算得出。

22205綜放工作面堅(jiān)硬頂板的預(yù)裂爆破孔考慮布置在工作面切眼中部以及兩側(cè)順槽中(圖2)。圖2中，D為爆破孔距開切眼煤壁的距離，H為爆破孔深度，L為工作面推進(jìn)距離。為了研究爆破孔布置參數(shù)對(duì)堅(jiān)硬頂板弱化效果的影響，建立了5種數(shù)值模擬方案(表2)，研究不同爆破參數(shù)對(duì)頂板初次破斷特征的影響規(guī)律。

圖2 22205綜放工作面堅(jiān)硬頂板預(yù)裂爆破的數(shù)值計(jì)算模型

Fig.2 Numerical model of presplitting blasting of hard roof in 22205 fully mechanized top coal caving face

表2 數(shù)值模擬方案

3.2 未爆破時(shí)堅(jiān)硬頂板初次來壓規(guī)律

圖3為未爆破時(shí)工作面推進(jìn)30 m、40 m、50 m、60 m時(shí)的垂直應(yīng)力分布云圖。由圖3可知，當(dāng)工作面推進(jìn)30 m時(shí)，在工作面煤壁前8 m頂板位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)(L=40 m、50 m)，工作面煤壁前方形成了更加明顯的應(yīng)力集中；但是，當(dāng)工作面推進(jìn)至60 m后，工作面煤壁前方應(yīng)力集中范圍減小，應(yīng)力峰值位置向煤壁后方(采空區(qū)上方)頂板轉(zhuǎn)移，意味著此時(shí)采場(chǎng)頂板發(fā)生了破壞。

圖3 未爆破時(shí)工作面推進(jìn)過程中的垂直應(yīng)力分布云圖

Fig.3 Vertical stress distribution around working face without presplitting blasting

圖4 未爆破時(shí)工作面推進(jìn)過程中煤層上方5 m處頂板中主應(yīng)力差的變化曲線

Fig.4 Variation of the principal stress difference in the roof 5 m above the coal seam without presplitting blasting

巖石力學(xué)研究表明，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差Δσ是判斷巖體破壞狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。圖4為未爆破時(shí)工作面推進(jìn)不同距離時(shí)(L=10 m、30 m、50 m、70 m)煤層上方5 m處頂板的主應(yīng)力差的變化曲線。其中，Δσ0表示初始狀態(tài)下頂板巖體同一點(diǎn)的主應(yīng)力差。由圖4可知，當(dāng)工作面推進(jìn)一定距離后，采空區(qū)前后方總是存在一個(gè)高應(yīng)力區(qū)，而采空區(qū)上方則為低應(yīng)力區(qū)。這意味著隨著工作面推進(jìn)，頂板巖體上任意一點(diǎn)都要經(jīng)過先增壓后卸壓的過程。隨著工作面推進(jìn)距離的增大，工作面煤壁前方頂板的高應(yīng)力區(qū)的峰值增加，范圍增大。但是，當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到60～70 m時(shí)，工作面煤壁前方頂板高應(yīng)力區(qū)向工作面后方轉(zhuǎn)移。由此可以推斷，采場(chǎng)頂板破斷呈現(xiàn)“O-X”型，即先在頂板四周形成“O”型破壞，然后沿頂板中央長(zhǎng)邊裂縫延伸貫通，形成“X”型破壞[17]。

圖5為未爆破時(shí)工作面推進(jìn)過程中的頂板塑性區(qū)分布圖。由圖5可知，當(dāng)工作面推進(jìn)30～40 m時(shí)，采空區(qū)上方偽頂、直接頂發(fā)生破壞；當(dāng)工作面推進(jìn)50 m時(shí)，老頂開始發(fā)生破壞，塑性區(qū)分布在頂板四周及中部(類似于“O-X”型破壞)；當(dāng)工作面推進(jìn)至60 m時(shí)，老頂發(fā)生大面積破斷(即老頂初期來壓)。綜合上述分析可以預(yù)計(jì)，22205綜放工作面堅(jiān)硬頂板初期垮落步距可達(dá)60～70 m，因此需要對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破處理，以減少懸頂面積，確保工作面正常安全生產(chǎn)。

3.3 預(yù)裂爆破參數(shù)對(duì)堅(jiān)硬頂板初次來壓的影響規(guī)律

圖6為不同的爆破孔距開切眼的距離影響下的采場(chǎng)周圍垂直應(yīng)力分布規(guī)律(工作面推進(jìn)40 m)。由圖6可知，頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破處理后，最大的垂直應(yīng)力分布在爆破孔的附近。

圖5 未爆破時(shí)工作面推進(jìn)過程中的頂板塑性區(qū)分布

Fig.5 Distribution of plastic zone of the roof during advancement of working face without presplitting blasting

圖6 不同爆破孔距開切眼距離對(duì)采場(chǎng)周圍垂直應(yīng)力分布的影響規(guī)律(L=40 m)

Fig.6 Influence of the difference distance between the blasting hole and the cutting hole on vertical stress distribution around stope (L=40 m)

圖7 不同爆破孔距開切眼距離影響下頂板主應(yīng)力差隨工作面推進(jìn)距離變化曲線

Fig.7 Influence of the distance between the difference blasting hole and the cutting hole on the variation of principal stress difference in the roof with advancing distance of working face

圖7為不同爆破孔距開切眼的距離影響下頂板爆破孔周圍(切眼處)的主應(yīng)力差隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線。由圖7可知，當(dāng)工作面推進(jìn)相同距離時(shí)，未實(shí)施預(yù)裂爆破前頂板的主應(yīng)力差主應(yīng)力差明顯小于預(yù)裂爆破后的主應(yīng)力差，這是因?yàn)閷?shí)施預(yù)裂爆破后在爆破孔周圍產(chǎn)生了應(yīng)力集中而造成的。因此，預(yù)裂爆破后的堅(jiān)硬頂板相比未爆破的頂板更容易發(fā)生破斷。進(jìn)一步比較不同爆破孔距開切眼距離的影響可以發(fā)現(xiàn)，隨著不同爆破孔距開切眼距離的增大，頂板爆破孔周圍(切眼處)的主應(yīng)力差逐漸減小，意味著隨著爆破孔距開切眼距離的增大，預(yù)裂爆破對(duì)堅(jiān)硬頂板弱化的效果逐漸減弱。

圖8和圖9為不同的爆破孔深度影響下的采場(chǎng)頂板塑性區(qū)分布規(guī)律(工作面分別推進(jìn)30 m和50 m時(shí))。由圖8和圖9可知，在工作面推進(jìn)至30 m時(shí)，采用爆破孔深度為10 m和20 m方案的老頂已經(jīng)發(fā)生塑性破壞，這表明爆破孔深度越大，老頂越早發(fā)生破壞。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至50 m時(shí)，爆破孔深度越深，老頂?shù)募羟衅茐姆秶酱蟆?/p>

圖10為不同的爆破孔深度影響下頂板破壞高度隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線。由圖10可知，隨著工作面推進(jìn)頂板破壞高度呈指數(shù)形式快速增加，且爆破孔深度越大，頂板破壞速率越快，破壞高度越高。這表明隨著爆破孔深度增大，預(yù)裂爆破對(duì)堅(jiān)硬頂板的弱化效果顯著增強(qiáng)，進(jìn)而減小頂板初次來壓步距。

3.4 最佳預(yù)裂爆破方案選擇

通過以上數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在工作面兩條順槽以及切眼處實(shí)施頂板深孔預(yù)裂爆破，可以有效地減小頂板的初次來壓步距。表3統(tǒng)計(jì)了數(shù)值模擬得到的不同預(yù)裂爆破方案下頂板的初次來壓步距范圍。綜合比較5種方案可以發(fā)現(xiàn)，方案1和方案2的頂板初次來壓步距最小，是比較合適的方案。

圖8 不同爆破孔深度對(duì)頂板塑性區(qū)分布的影響(L=30 m)

Fig.8 Influence of the difference depth of the blasting hole on the distribution of plastic zone in the roof (L=30 m)

圖9 不同爆破孔深度對(duì)頂板塑性區(qū)分布的影響(L=50 m)

Fig.9 Influence of the difference depth of the blasting hole on the distribution of plastic zone in the roof (L=50 m)

圖10 不同的爆破孔深度影響下頂板破壞高度隨工作面推進(jìn)距離變化曲線

Fig.10 Influence of the difference depth of the blasting hole on the variation of roof failure height with advancing distance of working face

表3 不同預(yù)裂爆破方案下頂板初次來壓步距范圍

4 堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破工程應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裂爆破方案

根據(jù)上述FLAC3D數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果，結(jié)合22205綜放工作面的具體工程地質(zhì)條件與生產(chǎn)技術(shù)條件，提出了22205綜放工作面堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破參數(shù)(表4和圖11)。在運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽距切眼10 m處布置扇形分布的爆破各一組，每組5個(gè)鉆孔，在切眼中部布置4個(gè)鉆孔?；仫L(fēng)順槽爆破孔(10～14號(hào)爆破孔)與運(yùn)輸順槽爆破孔(1～5號(hào)爆破孔)呈對(duì)稱布置，爆破參數(shù)相同。切眼中部6號(hào)、7號(hào)爆破孔與8號(hào)、9號(hào)爆破孔也對(duì)稱布置，爆破參數(shù)相同。

表4 22205綜放工作面堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破參數(shù)

爆破孔施工選用ZLJ-350型鉆機(jī)，成孔Φ65 mm。打鉆工藝流程如下：鉆機(jī)的搬遷和安裝→作業(yè)準(zhǔn)備→定位→啟動(dòng)鉆機(jī)→加鉆桿→鉆進(jìn)→退鉆桿→鉆探記錄。裝藥前對(duì)爆破孔內(nèi)部情況進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)探測(cè)結(jié)果確定裝藥以及導(dǎo)爆索長(zhǎng)度。選擇內(nèi)徑為45 mm的PVC管作為炸藥的載體進(jìn)行裝藥，根據(jù)裝藥的長(zhǎng)度來確定PVC管的長(zhǎng)度，把制作好的藥卷放入到PVC管內(nèi)，在裝到要求的長(zhǎng)度后，最后用炮棍把PVC管推入到孔底。起爆藥卷如圖12所示，爆破所需材料及規(guī)格見表5。

圖11 22205綜放工作面爆破孔布置平面圖

Fig.11 Layout of blastholes for 22205 fully mechanized top coal caving face

表5 爆破所需材料和火工品

圖12 起爆藥卷示意圖

Fig.12 Schematic diagram of initiating charge cartridge

爆破孔內(nèi)使用連續(xù)耦合方式裝藥以確?？變?nèi)藥包的完全引爆，采用雙雷管孔外并聯(lián)連接的方式，爆破孔口需要用刻有淺槽的木塞固定，確保放炮母線的絕緣性并且懸空吊掛。最后用炮棍把準(zhǔn)備好的炮泥推入爆破孔，充填密實(shí)后注漿封孔[18]。

運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽以及切眼爆破孔聯(lián)線都采用串聯(lián)的方式進(jìn)行，一次裝藥一次起爆。使用FD-200型起爆器起爆，運(yùn)輸順槽爆破孔聯(lián)線順序是依次連接1號(hào)爆破孔→2號(hào)爆破孔→3號(hào)爆破孔→4號(hào)爆破孔→5號(hào)爆破孔；回風(fēng)順槽爆破孔聯(lián)線順序是依次連接10號(hào)爆破孔→11號(hào)爆破孔→12號(hào)爆破孔→13號(hào)爆破孔→14號(hào)爆破孔；切眼爆破孔聯(lián)線順序是依次連接6號(hào)爆破孔→7號(hào)爆破孔→8號(hào)爆破孔→9號(hào)爆破孔。爆破作業(yè)采用雙回路引爆，第1引爆回路為電雷管引爆；第2引爆回路為電雷管+導(dǎo)爆索引爆。

4.2 預(yù)裂爆破效果分析

22205綜放工作面切眼深孔預(yù)裂爆破在工作面支架設(shè)備完成安裝后開始爆破，運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽深孔預(yù)裂爆破在工作面推進(jìn)6 m后停止推進(jìn)開始爆破。裝藥爆破前，首先用PVC管對(duì)爆破孔進(jìn)行試孔，檢查爆破孔實(shí)際長(zhǎng)度。完成爆破后，檢查發(fā)現(xiàn)爆破效果良好。

完成預(yù)裂爆破后，當(dāng)22205綜放工作面推進(jìn)至12 m時(shí)，機(jī)頭到機(jī)尾頂煤都已經(jīng)垮落，后溜多處可見白砂巖，從后溜見巖情況判斷，頂煤已經(jīng)全部垮落。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至55 m時(shí)，根據(jù)支架在線壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，此時(shí)工作面頂板大面積來壓，50#～101#支架壓力較大，其中95#支架壓力達(dá)到47 MPa，個(gè)別支架安全閥部分開啟，綜合多方面判斷工作面此次來壓為22205綜放工作面頂板初次來壓。至此，22205綜放工作面初采初放結(jié)束，進(jìn)入正?；夭呻A段。

與相鄰的22203綜放工作面相比，采用深孔預(yù)裂爆破后的22205綜放工作面老頂初次來壓步距減小了20 m左右。由此可見，采取頂板深孔預(yù)裂爆破措施，能夠有效減小工作面初次來壓步距，改善頂板來壓期間工作面生產(chǎn)狀況，沒有出現(xiàn)大面積支架壓死現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

1) 巖體深孔預(yù)裂爆破影響區(qū)域在空間上包括空腔區(qū)、破碎區(qū)、裂隙區(qū)等三個(gè)區(qū)域，其等效連續(xù)力學(xué)參數(shù)(包括黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ及抗拉強(qiáng)度σt等)可通過Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行較準(zhǔn)確的估算。

2) 堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破的三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，爆破孔距開切眼的距離越大，堅(jiān)硬頂板預(yù)裂弱化效果越差；而爆破孔深度越大，頂板破壞高度越高，頂板預(yù)裂弱化效果越好。

3) 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，合理設(shè)計(jì)與優(yōu)化了某礦22205厚煤層綜放工作面堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破方案與參數(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐?，F(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，采用深孔預(yù)裂爆破措施后，堅(jiān)硬頂板的初次來壓步距減小了約20 m，顯著改善了堅(jiān)硬頂板來壓期間的安全狀況，保障了工作面的正常安全生產(chǎn)。