沙曲二礦超高壓水射流切頂破巖特性研究

陳立新

(華晉焦煤有限責任公司,山西 呂梁 033000)

0 引言

煤炭作為我國的重要能源,其產量和消費量均居世界第一[1]。近年來,隨著淺部煤炭資源逐漸枯竭,煤炭開采不斷向深部延伸,使得煤礦企業(yè)的開采成本和難度也不斷加大[2-3]。傳統(tǒng)煤柱護巷開采方式,不僅大量遺留煤柱造成資源浪費,而且煤柱留設還會造成應力集中,導致巷道支護困難,同時掘進巷道工程量大使得采掘接替緊張[4]。為了解決傳統(tǒng)開采方法面臨的諸多問題,何滿潮院士團隊提出切頂成巷無煤柱開采方法(110工法),有效解決了上述問題[5-6]。預裂切頂作為該技術的核心,切頂效果決定頂板的垮落狀態(tài)與成巷的穩(wěn)定性[7-8]。目前國內切頂成巷工作面普遍采用預裂爆破方式實現切頂[9-12],但井下爆破作業(yè)存在安全隱患且管控較嚴格,限制了該技術的推廣使用。

水射流技術憑借無熱變形、無熱影響、加工應力小、加工柔性高等優(yōu)點,在煤炭、石油、化工、船舶等工業(yè)領域發(fā)揮了至關重要的作用。華晉焦煤有限責任公司沙曲二號煤礦與太原理工大學合作,提出采用超高壓水射流實現定向切頂,為切頂成巷無煤柱開采技術提供了新方案。相較于爆破切頂,超高壓水射流切頂技術實施過程具有瞬時能量波動小、水壓容易控制、定向割縫效果好的特點[13],可以顯著提升預裂切頂的經濟性和安全性。為了明確超高壓水射流的切頂破巖特性,針對沙曲二號煤礦現場特點,利用LS-DYNA軟件進行數值模擬仿真,研究成果可對超高壓水射流切頂成巷現場應用提供指導。

1 工程背景

華晉焦煤有限責任公司沙曲二號煤礦位于河東煤田中段、離柳礦區(qū)西南部,井田面積63.163 7 km2,為煤與瓦斯突出礦井。以沙曲二號煤礦5號煤層5302工作面為背景,工作面總體呈單斜構造,煤層傾向西南,瓦斯含量12.08 m3/t,最大瓦斯壓力1.57 MPa,煤塵有爆炸危險性,自燃傾向性等級為Ⅱ類。所在5號煤層構造簡單,厚度2.0～2.5 m(平均2.2 m),傾角4°～10°(平均6°),直接頂為厚度2.3 m的泥巖,基本頂為厚度2.0 m的砂巖。5302工作面膠帶順槽為切頂成巷無煤柱開采施工,上覆為4號煤層4302工作面采空區(qū),間距僅4.3～5.6 m,無法使用聚能爆破方式切頂卸壓。

2 超高壓水射流切頂技術

切頂成巷無煤柱開采方法,是指在工作面下順槽采空區(qū)側,超前工作面一定距離對頂板實施預裂切頂,使上覆頂板在來壓之時充分垮落形成大量矸石,并在擋矸支護裝置下形成巷幫,從而實現沿空留巷。該方法充分利用礦山壓力和頂板巖體的碎脹特性,通過預裂切頂的方式,切斷采空區(qū)頂板與巷道頂板間的結構傳遞,實現自動成巷和無煤柱開采,其技術原理如圖1所示。

圖1 切頂成巷無煤柱開采方法技術原理

基于5302工作面特點,沙曲二礦與太原理工大學合作,開發(fā)超高壓水射流切頂技術,如圖2所示。主要包含以下步驟:①自巷道向工作面直接頂和基本頂內施工若干鉆孔;②基于超高壓水射流發(fā)生裝置,在鉆孔內利用超高壓水射流進行定向沖擊,沿切頂方向切割頂板巖層;③在相鄰鉆孔內重復步驟②,在鉆孔間形成定向縫槽;④重復上述步驟,超前工作面一定距離內在頂板形成預裂切頂縫槽,將巷道頂板與采空區(qū)上覆巖層之間的力學聯(lián)系切斷。

圖2 超高壓水射流切頂技術原理

3 數值模型的建立

3.1 模型幾何

利用LS-DYNA顯式動力學有限元軟件,結合工程背景,建立超高壓水射流切頂破巖數值模型,模型示意圖如圖3所示。水射流位于模型左側,射流段直徑為2 mm、長度為50 mm;頂板巖體模型尺寸為100 mm×100 mm的正方形,邊界采用固定約束;水射流與頂板巖體之間采用侵蝕接觸類型,失效類型采用剪應變與拉應力聯(lián)合失效準則。

圖3 超高壓水射流切頂破巖模型示意

3.2 模型參數設置及模擬方案

水射流模型采用Gruneisen狀態(tài)方程描述,沖擊過程中產生的壓力p可用下式表示

(γ0+Aθ)E

(1)

式中,ρ0為水的初始密度,g/cm3;v為聲速,m/s;θ為體積應變;γ0為Gruneisen系數;A為γ0的一階體積校正量;S1,S2,S3為S1相關材料的材料常數;E為初始內能,J。具體參數見表1。

表1 水射流模型參數

頂板巖體采用HJC本構模型描述,頂板巖體材料的屈服面方程與損傷演化方程可用下式表示

σ*=[A(1-D)+BP*N](1+Clnε*)

(2)

(3)

式中,σ*為無量綱等效應力;p*為無量綱靜水壓力;ε*為等效應變率;A,B,C,N為材料強度參數;D為材料的累計損傷度;Δεp為等效塑性應變增量;Δμp為塑性體積應變增量;T*為標準化最大靜水拉力;D1,D2為損傷常數。頂板巖體相關參數見表2。

表2 頂板巖體材料參數

依據超高壓水射流切頂技術特點,針對不同射流壓力(50 MPa、100 MPa、150 MPa)、不同頂板類型(泥巖、砂巖),開展水射流沖擊破巖模擬仿真,研究超高壓水射流切頂破巖特性。

4 模擬結果分析

4.1 超高壓水射流破巖過程

超高壓水射流的沖擊破巖過程實質是高速水射流與靜態(tài)巖體相互作用的過程,是水射流的沖擊載荷和準靜態(tài)載荷共同作用的結果[7-8]。超高壓水射流(100 MPa)沖擊破巖過程的模擬結果如圖4所示?？梢钥闯鲭S著沖擊時間的增加,水射流逐漸切割進入巖體中,依據破巖特點可將其分為3個階段。

圖4 超高壓水射流沖擊破巖過程

階段(1):表面沖擊階段,如圖4(a)所示,發(fā)生在水射流沖擊接觸巖體表面的瞬間,沖擊應力從射流作用中心迅速擴散,水壓迅速上升形成受壓密集區(qū)域,巖體受沖擊力作用開始發(fā)生變形,形成初始沖蝕坑。

階段(2):初始破碎階段,如圖4(b)所示,水射流主體完全接觸巖體之后形成水錘壓力,這一階段時間短、作用力大,是造成巖體破裂的主要原因,巖體在拉壓應力和剪切應力共同作用下發(fā)生破壞,導致巖體表面的沖蝕坑擴大。

階段(3):穩(wěn)定切割階段,如圖4(c)、(d)所示,上一階段結束之后水錘壓力轉變?yōu)闇箟毫?超高壓水射流的沖擊穩(wěn)定作用在巖體上,使得沖蝕坑不斷向深部發(fā)展;同時,由于巖體的抗拉強度遠小于其抗壓強度,沖擊應力波的疊加交叉作用導致在沖蝕坑周圍產生大量拉伸裂紋。

破巖過程中的沖蝕坑深度和寬度變化如圖5所示,從圖中可以看出,階段(1)內水射流會對巖體造成部分損傷,形成初始沖蝕坑;進入階段(2)后,隨著水射流沖擊時間的增加,沖蝕坑的深度和寬度逐漸增大,直至反射流的切削作用不足以破壞兩側巖體;進入階段(3)后,隨著水射流的持續(xù)沖擊,沖蝕坑深度持續(xù)增加,而沖蝕坑寬度維持穩(wěn)定,超高壓水射流進入穩(wěn)定切割階段。

圖5 破巖過程沖蝕坑深度和寬度變化

4.2 射流壓力對切頂破巖特性的影響

射流壓力作為水射流技術中最重要的參數之一,對切頂破巖效果有顯著影響。由于5302工作面的直接頂、基本頂分別為泥巖、砂巖,故對兩類巖石在不同壓力水射流作用下的破巖特性進行模擬。不同壓力水射流的沖擊破巖特性如圖6所示,從圖中可以看出,超高壓水射流沖擊不同巖層形成的沖蝕坑形態(tài)類似,但破巖效果不同,相同射流壓力下泥巖的沖蝕坑深度和寬度均大于砂巖;射流壓力是決定頂板巖層切割深度的重要因素,相同巖石的沖蝕坑深度隨射流壓力增加而顯著增大,但沖蝕坑寬度變化相對較小;以泥巖為例,射流壓力為50 MPa時的沖蝕坑深度、寬度分別為29.8 mm、11.9 mm,壓力增大到100 MPa、150 MPa后,沖蝕坑深度分別增加8.4 mm和21.6 mm,而沖蝕坑寬度僅分別增加1.2 mm和2.7 mm。因此,現場切頂時可通過改變射流壓力來調節(jié)切割效果。

圖6 不同壓力水射流沖擊破巖特性

提取不同壓力水射流沖擊兩類巖石的沖蝕坑參數,如圖7所示。從圖中可知,由于砂巖和泥巖的強度差異,導致相同射流壓力下沖擊破巖效果也不同;隨著射流壓力的增加,砂巖的沖蝕深度相對泥巖減少13.3%、15.1%、20.7%,沖蝕寬度相對減小21.0%、26.0%、28.0%,表明巖性對破巖效果的影響隨射流壓力的增加而逐步增大。因此,現場在不同頂板巖層進行超高壓水射流切頂作業(yè)時,應針對砂巖加大射流壓力或增加切割時間,以保證預裂切頂效果。

圖7 兩類巖石的沖蝕坑參數

4.3 射流直徑對切頂破巖特性的影響

噴嘴尺寸是水射流技術應用中的重要參數,直接決定射流直徑的大小,而射流直徑對其沖擊破巖效果有較大擾動。為了明確射流直徑變化帶來的影響,針對100 MPa超高壓水射流在不同射流直徑(1.5 mm、2 mm、2.5 mm)條件下的沖擊砂巖特性進行模擬,結果如圖8所示。從圖中可以看出,射流直徑較小時形成的沖蝕坑較為規(guī)則,隨著射流直徑的增加,沖蝕坑深度和寬度逐漸增大,沖蝕坑周圍的新生裂紋數量也逐漸增多。這是由于大直徑射流流量較大,相同時間形成的沖擊載荷較高,且射流邊緣與巖體形成的拉剪區(qū)域較大所致。因此,采用超高壓水射流切頂時,應根據巖體性質選擇合適的噴嘴尺寸,用以保障切頂射流的高效性和經濟性。

圖8 不同射流直徑沖擊下砂巖破壞情況

5 結論

(1)超高壓水射流的沖擊破巖過程可以分為3個階段,即表面沖擊階段、初始破碎階段、穩(wěn)定切割階段。在沖擊不同巖層時形成的沖蝕坑形態(tài)類似,但破巖效果不同,相同射流壓力下泥巖的沖蝕坑深度和寬度均大于砂巖。

(2)射流壓力是決定頂板巖層切割深度的重要因素,相同巖石的沖蝕坑深度隨射流壓力增加而顯著增大,但沖蝕坑寬度變化相對較小,現場切頂時可通過改變射流壓力來調節(jié)切割效果。

(3)射流直徑對砂巖的沖蝕深度和寬度影響顯著,隨著射流直徑的增加,沖蝕坑深度和寬度逐漸增大,采用超高壓水射流切頂時,應根據巖體性質選擇合適的噴嘴尺寸,用以保障切頂射流的高效性和經濟性。