基于切頂沿空留巷雙向聚能爆破參數(shù)探討

劉根民，王浩

（晉能控股煤業(yè)煤峪口礦，山西 大同 037041）

工作面切頂側(cè)頂板進(jìn)行雙向聚能爆破使得頂板定向斷裂，形成裂隙，改變上覆圍巖的結(jié)構(gòu)以及受力情況。雙向聚能爆破垮落的矸石也能充填采空區(qū)， 減少了應(yīng)力集中及沖擊地壓等災(zāi)害。這樣的開采方式是一種新型無煤柱開采。雙向聚能爆破合理的爆破裝置及參數(shù)選擇，決定著頂板能否斷裂成縫及成縫效果。目前國內(nèi)眾多的科研人員在這方面進(jìn)行了大量的研究，也取得一些成果，但是他們的研究成果很少基于雙向聚能爆破參數(shù)的爆破現(xiàn)場試驗(yàn)。 煤礦地質(zhì)條件存在差異性，會影響爆破參數(shù)的選取，因此基于切頂沿空留巷開采作業(yè)，通過理論與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方式研究雙向聚能爆破的參數(shù)，對煤礦無煤柱開采的發(fā)展有一定的指導(dǎo)意義。

1 雙向聚能爆破巖體破裂原理

雙向聚能爆破技術(shù)是將炸藥裝在炮孔連線方向上有聚能效應(yīng)的聚能管中，炸藥起爆后產(chǎn)生的爆炸沖擊波，以及爆生氣體沿著聚能孔向外形成的透射應(yīng)力波直接作用于孔壁巖石上，對孔壁巖石產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)力。徑向壓應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)力使得巖石發(fā)生拉斷破壞，并沿著聚能方向產(chǎn)生初始徑向裂縫。爆炸所產(chǎn)生的沖擊氣體也在準(zhǔn)靜壓作用下促使裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，一直延伸到裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子降低到巖石的斷裂韌性值以下時(shí)停止延伸，這就是雙向聚能爆破巖體破裂原理。

2 雙向聚能爆破數(shù)值分析

2.1 單孔聚能爆破數(shù)值模擬

采用LS-DYNA 軟件中的SOLID 164 單元建立模型，采用流固耦合的算法來模擬巖石所受到的爆破作用，采用ALE 網(wǎng)格建模方式對炸藥和空氣進(jìn)行建模； 采用La－grange 網(wǎng)格巖體和PVC 管等結(jié)構(gòu)建模；煤礦許用三級乳化炸藥材料模型采用 *MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_BURN； 炸藥爆轟壓力用JWL 狀態(tài)方程來表示。

式中 p——爆轟產(chǎn)物的壓力，MPa

V——爆轟產(chǎn)物相對體積

E——爆轟產(chǎn)物的初始內(nèi)能密度

A、B、R1、R2、ω——材料常數(shù)

建模試驗(yàn)獲取三級乳化炸藥材料參數(shù)，見表1。采用*MAT-NULL 模型獲取的空氣材料參數(shù)，見表2。 巖樣物理力學(xué)參數(shù)，見表3。

表1 三級乳化炸藥材料參數(shù)

表2 空氣材料參數(shù)

表3 巖樣物理力學(xué)參數(shù)

采用準(zhǔn)二維模型對此聚能爆破進(jìn)行模擬，模型尺寸設(shè)計(jì)為50×50×0.1 cm， 四周邊界選用無反射邊界條件。 在模型正中間布置1 個(gè)炮孔，采用不耦合裝藥方式裝藥，炮孔如圖1 所示，聚能爆破藥卷設(shè)計(jì)直徑為350 mm，炸藥、空氣和巖石的網(wǎng)格尺寸均為1 mm，聚能管外徑42 mm，內(nèi)徑為36.5 mm，聚能孔直徑為4 mm，聚能孔網(wǎng)格尺寸為0.25 mm。

圖1 單孔聚能爆破模型

單孔聚能爆破測點(diǎn)與普通爆破炮孔內(nèi)壁的壓力時(shí)程曲線如圖2 所示。 通過圖2 曲線可知，在雙向聚能爆破中聚能管的聚能作用下，炮孔壁巖石的爆轟產(chǎn)物壓力可以達(dá)到518.5 MPa， 經(jīng)模擬計(jì)算顯示爆轟產(chǎn)物壓力約為普通爆破的1.9倍。在聚能管的約束作用下，在18μs 時(shí)垂直聚能方向孔壁巖石才受到較小的壓力作用， 在60μs時(shí)垂直聚能方向孔壁巖石受到的壓力達(dá)到最大值48 MPa，隨后不斷波動。

圖2 測點(diǎn)壓力時(shí)程曲線

2.2 雙孔聚能爆破數(shù)值分析

雙孔聚能爆破模型采用準(zhǔn)二維模型，分別建立炮孔間距為400 mm、500 mm 和600 mm 的3個(gè)爆破模型， 參數(shù)設(shè)置與單孔爆破參數(shù)設(shè)置相同，此次以炮孔間距為500 mm 的模型，分析炮孔間應(yīng)力場疊加規(guī)律和炮孔間裂紋擴(kuò)展的影響。間距為500 mm 時(shí)的壓應(yīng)力傳播圖見圖3。

圖3 炮孔間距500 mm 時(shí)的壓應(yīng)力傳播圖

兩雙向炮孔起爆后在爆破聚能方向產(chǎn)生的應(yīng)力波向炮孔間距中心傳播。 由數(shù)據(jù)分析，經(jīng)過65 μs 時(shí)，應(yīng)力波在爆破炮孔間距中心相遇，并產(chǎn)生應(yīng)力疊加，經(jīng)過75 μs 時(shí)，炮孔連線中心應(yīng)力達(dá)到峰值，大于單孔聚能爆破作用。 之后應(yīng)力波繼續(xù)傳播， 受到相鄰炮孔爆炸應(yīng)力波的疊加作用，導(dǎo)致聚能爆破時(shí)裂紋尖端拉應(yīng)力集中作用增強(qiáng)，進(jìn)一步促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展。

2.3 試驗(yàn)工作面概況

本文針對的煤礦8102 工作面可采走向長度1146 m， 總體呈西高東低趨勢， 煤層底板標(biāo)高794-818 m，走向?yàn)镹E34°，傾向?yàn)镹E124°，傾角為1°-6°，平均3°，屬于特厚煤層，煤層較穩(wěn)定。工作面開采方式為切頂卸壓無煤柱開采，沿空留巷（見圖4）采用切頂卸壓配合補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)的工藝，通過對頂板爆破，定向斷裂形成切縫，在局部范圍切斷工作面頂板應(yīng)力傳遞，維護(hù)巷道頂板完整性。

圖4 8102 工作面沿空留巷技術(shù)示意圖

在工作面輔助運(yùn)輸巷，距切眼20～80 m 處進(jìn)行聚能爆破預(yù)裂頂板的試驗(yàn)， 試驗(yàn)分為8 段進(jìn)行，距切眼20～50 m 處，單孔爆破試驗(yàn)確定裝藥量，單孔試驗(yàn)每段6 m，共計(jì)5 段；50～80 m 分為3段，50～60 m 段進(jìn)行間距400 mm 聯(lián)孔爆破試驗(yàn)，在60～70 m 段，進(jìn)行間距500 mm 連續(xù)爆破試驗(yàn)，70～80 m 進(jìn)行600 mm 的連續(xù)爆破試驗(yàn)。 爆破試驗(yàn)方案見表4，鉆孔窺視圖見圖5。

圖5 鉆孔窺視圖

表4 爆破試驗(yàn)方案

3 結(jié)語

通過分析雙向聚能爆破的作用規(guī)律，并通過ANSYS 軟件建立模型， 表明雙向聚能爆破能將爆破能及應(yīng)力波有效地作用于聚能方向孔壁，導(dǎo)致巖體破裂并形成初始導(dǎo)向裂紋，在聚能方向的應(yīng)力波及爆生氣體作用下形成單一的貫穿裂紋。雙孔爆破模型表明相鄰炮孔爆破能夠增大裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度，促進(jìn)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，炮孔間距越小，疊加作用越強(qiáng)。

基于數(shù)值模擬的結(jié)果和總結(jié)前人的研究成果，以及8102 工作面的地質(zhì)條件，制定了8102工作面的爆破試驗(yàn)方案， 試驗(yàn)表明，4+4+3+3+2的單孔裝藥結(jié)構(gòu)能夠有效地預(yù)裂頂板。炮孔間距500 mm 時(shí)，孔壁有單一貫通裂紋，其聯(lián)孔爆破效果最佳。