深孔預(yù)裂爆破堅硬頂板提高初采采出率的研究

沈玉旭，康天合，楊永康

（1.山西能源學(xué)院，山西 晉中030600；2.太原理工大學(xué)，山西 太原030024）

堅硬頂板具有抗壓強(qiáng)度高、厚度大、節(jié)理裂隙不發(fā)育、整體性好等特點。堅硬頂板對初采期間的采場安全影響非常大，如果頂板不能及時垮落，可能造成工作面支架的沖擊載荷，嚴(yán)重時還可能誘發(fā)沖擊礦壓，采空區(qū)積聚的有毒有害氣體也會因頂板的突然大面積垮落而引發(fā)安全事故，這些都給工作面生產(chǎn)安全造成很大的隱患[1]。堅硬頂板一般透水性差，注水后效果不好，而且注水范圍有限；索永錄教授利用超動態(tài)實驗對堅硬頂板的爆破破壞機(jī)理進(jìn)行了研究[2]；靳鐘銘教授針對大同“兩硬”堅硬頂板提出了步距式爆破方法[3]；其他學(xué)者在處理堅硬頂板方面也做了一些研究[4-9]。通過深孔預(yù)裂爆破切頂?shù)姆椒╗10-18]處理某礦3407 工作面堅硬頂板，對頂板巖性進(jìn)行分析，利用ANSYS/LS-DYNA 軟件模擬爆破周圍巖石的破壞情況，制定爆破方案，并對爆破后的炮孔進(jìn)行窺視，檢驗爆破效果，觀測初采期工作面液壓支架載荷的變化情況。

1 工程條件分析

1.1 工作面概況

3407 工作面長174.5 m，開采3 號煤，平均厚5.8 m，黑色，節(jié)理裂隙發(fā)育，性軟，極破碎；抗壓強(qiáng)度5.94 MPa，抗拉強(qiáng)度0.94 MPa。偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚0.4 m，黑色，破碎；抗壓強(qiáng)度16.73 MPa，抗拉強(qiáng)度2.73 MPa。直接頂為泥巖，厚2.5 m，灰黑色，泥質(zhì)細(xì)粒結(jié)構(gòu)；抗壓強(qiáng)度20.88 MPa，抗拉強(qiáng)度3.19 MPa?；卷敒榧?xì)砂巖，厚8 m，灰黑色，堅硬，中粒結(jié)構(gòu)；抗壓強(qiáng)度65.26 MPa，抗拉強(qiáng)度5.98 MPa。直接底為粉砂巖，厚3 m，灰黑色，完整性較好；抗壓強(qiáng)度35.02 MPa，抗拉強(qiáng)度4.67 MPa。基本底為砂質(zhì)泥巖，厚5 m，灰黑色，性軟；抗壓強(qiáng)度22.78 MPa，抗拉強(qiáng)度3.92 MPa。

1.2 基本頂特性

使用D/MAX-2400 型X-射線衍射光譜儀器檢測3407 工作面基本頂細(xì)砂巖，3407 工作面基本頂細(xì)砂巖X-射線衍射圖譜如圖1。

圖1 3407 工作面基本頂細(xì)砂巖X-射線衍射圖譜Fig.1 X- ray diffraction pattern of fine sandstone at the basic top of the 3407 working face

由圖1 可知3407 工作面基本頂細(xì)粒砂礦物成分為：石英68.3%，云母12.5%，伊利石9.1%，其他10.1%，同此可得基本頂細(xì)砂巖最主要的礦物成分是石英。

在工作面頂板2 個不同位置鉆孔取心，2 個位置相距100 m 以上，得基本頂細(xì)砂巖巖樣，對其做飽水風(fēng)干實驗，基本頂鉆孔1 和鉆孔2 細(xì)砂巖飽水-風(fēng)干崩解實驗如圖2 和圖3。實驗表明水對細(xì)砂巖基本沒有破壞作用。

圖2 鉆孔1 細(xì)砂巖試樣飽水-風(fēng)干崩解實驗Fig.2 Water-dry disintegration experiment of basic top 1# borehole fine sandstone

圖3 鉆孔2 細(xì)砂巖試樣飽水-風(fēng)干崩解實驗Fig.3 Water-dry disintegration experiment of basic top 2# borehole fine sandstone

2 爆破數(shù)值模擬

2.1 爆破模型建立

ANSYS/LS-DYNA 采用平面應(yīng)變處理模型，適合求解非線性問題，可靠性高，計算結(jié)果比較準(zhǔn)確，大量應(yīng)用在爆破模擬中。LS-DYNA 軟件模型由空氣、巖石和炸藥3 個單元組成，使用共用節(jié)點聯(lián)系在一起。模型大小長8 m，寬8 m，中心模擬炸藥，四周采用零位移約束邊界，無反射邊界，無初始應(yīng)力。

2.1.1 空氣單元

巖石與炸藥之間的空氣單元選用空物質(zhì)材料模型，線性多項式狀態(tài)方程模擬，狀態(tài)方程見式（1）：

式中：p 為爆轟壓力，MPa；c0～c6為基本參數(shù)，其中c0取0.1 MPa，c1、c2、c3、c6取0 MPa，c4、c5取0.4 MPa；μ=ρ/ρ0-1；ρ 為空氣當(dāng)前密度，取1.29 kg/m3；ρ0為初始密度，取1.0 kg/m3；E0為單位體積內(nèi)能，取2.5×102kJ/m3。

2.1.2 巖石單元

巖石單元常選取彈塑性模型模擬，這符合巖石的力學(xué)特性，當(dāng)巖石單元達(dá)到破壞強(qiáng)度時就會破損出現(xiàn)裂縫。3407 工作面基本頂細(xì)砂巖的基本力學(xué)參數(shù)：抗拉強(qiáng)度5.98 MPa，抗壓強(qiáng)度65.26 MPa，彈性模量5.3 GPa，泊松比0.31，黏聚力6.1 MPa，內(nèi)摩擦角38°，密度2.75×103kg/m3。

2.1.3 炸藥單元

使用JWL 狀態(tài)方程模擬炸藥爆炸后對周圍巖體的爆轟壓力作用，見式（2）。

式中：p 為爆轟產(chǎn)物的壓力，GPa；V 為相對體積，m3；E0為初始比內(nèi)能，取4.5 GPa；A、B、R1、R2、ω為炸藥材料基本參數(shù)，A 取47.6 GPa，B 取0.529 GPa，R1取3.5，R2取0.9，ω 取1.3。

煤礦三級乳化炸藥的密度為1 100 kg/m3，爆破速度為3 200 m/s。

2.2 單個炮孔爆破模擬

使用LS-PREPOST 后處理器輸出的單個炮孔爆破時4 個不同時刻裂隙發(fā)展情況如圖4。

同時使用Fcomp 功能把對應(yīng)時刻的等效應(yīng)力云圖輸出，單個炮孔不同時刻等效應(yīng)力波傳播圖如圖5。

由圖5 可以看出，粉碎區(qū)大約在0.1 ms 左右形成，半徑約為394 mm；裂隙區(qū)形成時間較長，大約在1.2 ms 左右形成，半徑約為1.86 m，炮孔裂隙在1.2 ms 后沒有進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖4 單個炮孔不同時刻爆破裂隙發(fā)展圖Fig.4 Development diagram of blasting crack in a single gun hole at different time

圖5 單個炮孔不同時刻等效應(yīng)力波傳播圖Fig.5 Equivalent stress wave propagation diagram of a single gun hole at different time

使用LS-PREPOST 軟件的History 功能輸出的距離炮孔1.75 m 處單元的時間-應(yīng)力曲線如圖6。x方向上隨著時間的增長單元所受應(yīng)力在0.75 ms 左右達(dá)到最大，拉應(yīng)力約為15 MPa；y 方向上隨著時間的增長單元所受應(yīng)力在0.85 ms 左右達(dá)到最大，拉應(yīng)力約為21 MPa；這2 個方向所受的拉應(yīng)力均大于基本頂細(xì)砂巖的抗拉強(qiáng)度，巖石遭受拉應(yīng)力破壞。

2.3 3 個炮孔同時爆破模擬

圖6 距中心1.75 m 處單元時間-應(yīng)力曲線Fig.6 Time-stress curves of the unit at 1.75 m from the center

使用LS-PREPOST 后處理器輸出3 個炮孔同時爆破時4 個不同時刻裂隙發(fā)展情況，炮眼間距3.5 m，3 個炮孔不同時刻同時爆破裂隙發(fā)展圖如圖7。3個炮孔同時爆破時每個炮孔的裂隙區(qū)形成時間、裂隙發(fā)展以及裂隙區(qū)半徑與單個炮孔爆破模擬結(jié)果基本類似，每個炮孔的裂隙區(qū)大概也在1.2 ms 左右形成，相鄰炮孔之間的裂隙區(qū)最后連接在一起，形成貫通裂縫，實現(xiàn)了預(yù)期的爆破效果。

圖7 3 個炮孔不同時刻同時爆破裂隙發(fā)展圖Fig.7 Simultaneous blasting crack development diagram of three gun holes at different time

3 爆破方案

3407 工作面炮孔布置在開切眼內(nèi)靠近后幫煤柱一側(cè)的頂板上，切眼內(nèi)布置36 個炮孔，兩巷道口各布置2 個炮孔；炮孔垂直高度12 m，設(shè)計仰角45°，直徑為75 mm；爆破炸藥選用煤礦三級乳化炸藥，藥卷直徑60 mm，不耦合裝藥系數(shù)1.25；根據(jù)薩道夫斯基公式計算可知1 組最多起爆3 個炮孔，封孔長度占炮孔總長度的50%以上。炮孔間距根據(jù)Mises 準(zhǔn)則計算，在不耦合裝藥條件下得爆破裂隙區(qū)半徑為1.79 m，與爆破數(shù)值模擬結(jié)果相近，炮孔間距定為3.5 m。深孔爆破為了保證炮孔內(nèi)每個藥卷都能起爆需要布置導(dǎo)爆索，每個導(dǎo)爆索上布置2 個并聯(lián)連接的雷管，孔與孔串聯(lián)連接。爆破參數(shù)見表1。

表1 爆破參數(shù)Table 1 Blasting parameters

4 應(yīng)用效果

4.1 炮孔爆破效果

為檢驗爆破效果，采用TYGD10 巖層鉆孔探測儀對炮眼爆破后進(jìn)行窺視。該儀器用來觀察鉆孔巖性、裂隙等情況，在顯示屏上記錄下來，爆破后孔壁裂紋擴(kuò)展窺視圖如圖8。炮孔封堵段爆破前后沒有太大的變化；裝藥段爆破后裂隙明顯，淺部多是一些徑向裂隙，隨著深度的增加，裂隙多為龜裂狀。

圖8 爆破后孔壁裂紋擴(kuò)展窺視圖Fig.8 Peep chart of hole wall crack growth after blasting

4.2 實施效果

深孔預(yù)裂爆破切頂后，根據(jù)礦壓觀測數(shù)據(jù)分析工作面基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?1.6 m，比上1 個工作面的基本頂初次來壓步距縮短9.6 m?；卷敵醮蝸韷呵案髦Ъ芷骄d荷3 265 kN/架，來壓期間各支架平均載荷5 572 kN/架，爆破切頂后支架載荷上升明顯，頂板壓力增加。初采期采煤45 840 t，頂煤采出率37.5%，比上1 個工作面多采5 600 t 煤，采出率提高14.4%。

5 結(jié) 論

1）實驗表明水對細(xì)砂巖的破壞作用很小，使用深孔預(yù)裂爆破切頂?shù)姆椒ú拍芷茐膱杂岔敯濉?/p>

2）3407 工作面爆破切頂后，堅硬頂板完整性遭到破壞，形成貫穿裂縫，促使基本頂初次來壓提前到來，來壓步距縮短為21.6 m，比上個工作面減少9.6 m，多采5 600 t 煤，采出率提高了14.4%。

3）堅硬頂板深孔預(yù)裂爆破切頂后，頂板及時垮落，解決了初采期堅硬頂板大面積懸頂?shù)碾y題，避免了支架的沖擊載荷，甚至是頂板沖擊礦壓，預(yù)防了頂板突然垮落造成工作面有毒有害氣體異常涌出，同時增加了初采期經(jīng)濟(jì)效益。