頂煤弱化爆破參數(shù)的數(shù)值分析①

李雷東 李文清

(1.西安科技大學(xué)，陜西西安 710054;2.鄂爾多斯煤礦安全監(jiān)察分局，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

頂煤弱化爆破參數(shù)的數(shù)值分析①

李雷東1②李文清2

(1.西安科技大學(xué)，陜西西安 710054;2.鄂爾多斯煤礦安全監(jiān)察分局，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

為提高堅(jiān)硬厚煤層放頂煤開(kāi)采回采率，本研究借助FLAC3D數(shù)值分析手段，對(duì)采用爆破技術(shù)弱化頂煤的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，最終獲得裝藥量與煤巖體破壞程度、對(duì)鉆孔周?chē)橘|(zhì)的擾動(dòng)頻率、在鉆孔周?chē)橘|(zhì)中引起的剪應(yīng)力大小三方面規(guī)律，為煤礦現(xiàn)場(chǎng)頂煤弱化爆破參數(shù)選擇提供依據(jù)。

破巖效果;爆破參數(shù);煤礦開(kāi)采;數(shù)值分析

1 概述

對(duì)于綜采放頂煤開(kāi)采來(lái)說(shuō)，頂煤破碎運(yùn)移和冒放性成為綜放開(kāi)采技術(shù)成功的關(guān)鍵。對(duì)于堅(jiān)硬厚煤層開(kāi)采工作面頂煤破碎及弱化工藝的研究，不僅對(duì)綜采放頂煤高產(chǎn)高效有直接意義，而且對(duì)完善綜放開(kāi)采具有重要的理論意義。因此，需要有針對(duì)性地進(jìn)行長(zhǎng)壁堅(jiān)硬厚煤層頂煤弱化措施與工藝參數(shù)的研究，以便提高頂煤回收率，降低煤炭自燃等安全威脅［1－4］。

爆破對(duì)煤巖體的破壞效果體現(xiàn)在爆炸沖擊波對(duì)孔壁煤巖體的破壞程度、擾動(dòng)頻率及剪應(yīng)力大小，本文應(yīng)用數(shù)值分析方法，對(duì)裝藥量與鉆孔介質(zhì)的破壞程度、擾動(dòng)頻率及剪應(yīng)力大小進(jìn)行研究，以便探索規(guī)律，解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題。

2 模型建立

煤層厚度5m，寬度20m，采用二維模型，模型假設(shè)服從摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，根據(jù)實(shí)際確定邊界條件如下：

(1)上部邊界條件：一般情況下，數(shù)值計(jì)算的上部邊界條件設(shè)定為煤層上覆巖層的重量，即

式中：γ——上覆巖層的平均體積力，kN/m3;

σ——煤層上覆巖層的重量，kN/m2;

H——煤層的埋深，m。

(2)下部邊界條件：本模型的下部邊界條件為底板，簡(jiǎn)化為位移邊界條件，在x、y方向可以運(yùn)動(dòng)，z方向?yàn)楣潭ㄣq支座，即v=0。

(3)兩側(cè)邊界條件：本模型的兩側(cè)邊界條件均為實(shí)體煤巖體，簡(jiǎn)化為位移邊界條件，在z方向可以運(yùn)動(dòng)，其他方向?yàn)楣潭ㄣq支座，即u=w=0。

模型包含2720個(gè)單元、5402個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示：

圖1 雙孔數(shù)值計(jì)算模型

3 不同爆破參數(shù)時(shí)圍巖破壞情況

3.1 不同裝藥量破巖效果

圖2中的A，B，C分別模擬分析了不同裝藥量爆破效果。從圖中可以看出，裝藥量的不同，對(duì)鉆孔周?chē)簬r體的破壞程度不同，鉆孔周?chē)牧严稊U(kuò)展及延伸長(zhǎng)度不同。在對(duì)煤巖體弱化方案參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)煤巖物理力學(xué)特性、鉆孔區(qū)域的約束特性，確定合理的預(yù)裂弱化鉆孔及鉆孔裝藥量。

圖2 不同炸藥量(作用時(shí)間)時(shí)的破巖效果

3.2 不同裝藥量對(duì)巖體介質(zhì)的擾動(dòng)破壞速度

圖3中的A，B，C分別模擬分析了不同裝藥量爆破對(duì)鉆孔周?chē)簬r體介質(zhì)的擾動(dòng)破壞速度。裝藥量的多少用分析模型的計(jì)算時(shí)步來(lái)表示，圖A為1000steps、圖B為3000steps、圖C為5000steps。從圖中可以看出，煤巖體介質(zhì)在爆炸沖擊波及爆生氣體的共同作用下，圖A＜圖B＜圖C，即裝藥量越大，對(duì)鉆孔周?chē)橘|(zhì)的擾動(dòng)頻率越高。但根據(jù)外力作用頻率對(duì)作用介質(zhì)的破壞作用機(jī)理可知，當(dāng)作用頻率低于某一頻率時(shí)，隨著作用頻率的增大，破壞性增大，當(dāng)作用頻率超過(guò)某一值時(shí)，作用頻率越大，破壞性越小，這一頻率成為極限頻率。在實(shí)際爆破弱化參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)研究確定給定炸藥、煤巖體、鉆孔參數(shù)相對(duì)應(yīng)的作用頻率。

3.3 不同裝藥量在巖體介質(zhì)中引起的剪應(yīng)力的大小

圖4中的A，B，C分別模擬分析了不同裝藥量爆破在鉆孔周?chē)簬r體介質(zhì)中引起的剪應(yīng)力的大小情況。裝藥量的多少用分析模型的計(jì)算時(shí)步來(lái)表示，圖A為1000steps、圖B為3000steps、圖C為5000steps。從圖中可以看出，煤巖體介質(zhì)在爆炸沖擊波及爆生氣體的共同作用下，圖A＜圖B＜圖C，即裝藥量越大，在鉆孔周?chē)橘|(zhì)中引起的剪應(yīng)力越高。在實(shí)際爆破弱化參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)研究確定給定炸藥、煤巖體、鉆孔參數(shù)相對(duì)應(yīng)的裝藥量，做到既不過(guò)度破壞煤巖體，又能起到提高頂煤冒放性的弱化作用。

4 爆破效果分析

從不同裝藥量對(duì)煤巖孔壁的破壞程度及爆破作用機(jī)理可知［5－6］，裝藥量為1000step時(shí)，約80%的爆炸能量都消耗在對(duì)孔壁的壓縮作用，衰減后的應(yīng)力波在孔壁上產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力及切向拉應(yīng)力作用很小;從裝藥量為3000step與5000step的爆破效果可以看出，爆炸應(yīng)力波的徑向壓應(yīng)力、切向拉應(yīng)力及爆生氣體的氣楔預(yù)裂作用基本相當(dāng)，但裝藥量為5000step所產(chǎn)生的爆破震動(dòng)作用較大，對(duì)煤體預(yù)裂作用較小，彈性震動(dòng)作用較大。

從不同裝藥量對(duì)煤體的擾動(dòng)頻率及破壞機(jī)理可知，裝藥量為1000step時(shí)，擾動(dòng)頻率最低，破壞作用比裝藥量為3000step的小，比裝藥量為5000step的大;裝藥量為3000step時(shí)，擾動(dòng)破煤頻率居中，破壞作用在三種裝藥量中最大;裝藥量為5000step時(shí)，擾動(dòng)破煤頻率最大，破壞作用在三種裝藥量中最小。

圖3 不同炸藥量(作用時(shí)間)的圍巖變形速度變化曲線(xiàn)

圖4 不同炸藥量(作用時(shí)間)時(shí)的圍巖剪應(yīng)力變化曲線(xiàn)

從不同裝藥量爆炸在煤體中產(chǎn)生的剪應(yīng)力大小及破壞機(jī)理可知，裝藥量為1000step時(shí)，最大剪應(yīng)力6.1MPa;裝藥量為3000step時(shí)，最大剪應(yīng)力7.8MPa;裝藥量為5000step時(shí)，最大剪應(yīng)力9.3MPa。

結(jié)合煤體普遍強(qiáng)度及炸藥爆炸效應(yīng)的綜合作用機(jī)理，一方面為了實(shí)現(xiàn)頂煤預(yù)裂效果滿(mǎn)足冒放要求，另一方面為了降低有害震動(dòng)、炸藥消耗量及有毒有害氣體的產(chǎn)生，應(yīng)選擇相當(dāng)于3000step的裝藥量。

5 結(jié)論

1)裝藥量的不同，對(duì)鉆孔周?chē)簬r體的破壞程度不同，鉆孔周?chē)牧严稊U(kuò)展及延伸長(zhǎng)度不同;

2)裝藥量越大，對(duì)鉆孔周?chē)橘|(zhì)的擾動(dòng)頻率越高。但根據(jù)外力作用頻率對(duì)作用介質(zhì)的破壞作用機(jī)理可知，當(dāng)作用頻率低于某一頻率時(shí)，隨著作用頻率的增大，破壞性增大，當(dāng)作用頻率超過(guò)某一值時(shí)，作用頻率越大，破壞性越小，這一頻率成為極限頻率。

3)裝藥量越大，在鉆孔周?chē)橘|(zhì)中引起的剪應(yīng)力越高。

綜上，在頂煤爆破弱化參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)煤巖物理力學(xué)特性、鉆孔區(qū)域的約束特性、炸藥特性、鉆孔參數(shù)，確定合理的預(yù)裂弱化鉆孔及鉆孔裝藥量。

［1］劉洋，何川，昌珺.堅(jiān)硬厚煤層綜放開(kāi)采頂煤弱化技術(shù)的探討［J］.山東煤炭科技，2011 (8)：151－152

［2］賈永勇.堿泉溝煤礦頂煤弱化技術(shù)［J］.煤礦安全，2011，42(8)：54－56

［3］方向，高振儒，李德林，等.降低爆破地震效應(yīng)的幾種方法［J］.爆破器材，2003(3)：39－42

［4］索永錄，孫書(shū)亮，段王拴，等.高瓦斯綜放面預(yù)先爆破弱化堅(jiān)硬頂煤試驗(yàn)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37(3)：1－3

［5］高爾新，楊仁樹(shù).爆破工程［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1999

［6］索永錄.堅(jiān)硬頂煤弱化爆破的破壞區(qū)分布特征［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2004，29(6)：650－653

Numerical analysis on the blasting parameters of top coal weakening

LI Leidong1，2，LI Wenqing2

(1.Xi’an science and technology university，Xi’an ShanXi710054;
2.Ordos coal mine safety supervision sub-bureau，Ordos Inner Mongolia017000)

In order to improve mining rate of top coal caving in hard thick coal seam，the blasting parameters of top coal weakening have been researched by FLAC3D numerical analysis in this paper，as the result，the three aspects laws about charge weight with degree of rock and coal damage，perturbation frequency of hole material and shear stress value have contained.The research conclusion will provide according for choosing top coal weakening blasting parameters in coal mine.

Rock breaking efficiency;blasting parameters;coal mining;numerical analysis

TD235.1+4

A

1672－7169(2011)04－0033－05

2011－08－29

李雷東(1974－)，男，山東濰坊人，大學(xué)畢業(yè)，內(nèi)蒙古鄂爾多斯煤礦安全監(jiān)察分局工作人員，主要從事煤礦安全生產(chǎn)管理工作。