掏底槽拉架炮眼角度優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬行生，朱德福，李向陽(yáng)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院 深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

綜采工作面壓架事故在神府礦區(qū)淺埋煤層、采空區(qū)下極近距離煤層、房式與集中煤柱下工作面開(kāi)采過(guò)程中時(shí)常發(fā)生。其中，神東烏蘭木倫礦31401工作面、神東石圪臺(tái)煤礦22301綜采工作面[1]、大柳塔22103工作面、活雞兔井12304，12305，12306工作面[2]、凱達(dá)煤礦6-2305工作面[3]等發(fā)生多起壓架事故，嚴(yán)重影響工作面正常生產(chǎn)作業(yè)，威脅工作面生產(chǎn)人員生命及生產(chǎn)設(shè)備安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

壓架事故的預(yù)防方法主要有：地面鉆孔爆破強(qiáng)制放頂；適當(dāng)調(diào)整采高；降低支架工作阻力；頂板來(lái)壓及時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；快速推進(jìn)技術(shù)等[4-5]。但現(xiàn)有的研究方法多以預(yù)防壓架為主，對(duì)于已發(fā)生的壓架事故及支架壓死情況處理方法的研究較少。本文根據(jù)現(xiàn)有研究的不足，對(duì)掏底槽拉架技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合數(shù)值模擬，分析了炮眼角度對(duì)爆破效果的影響，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。

1 工程背景

烏蘭集團(tuán)石圪臺(tái)煤礦回采的131201工作面位于3-1-2號(hào)煤層，上層為3-1-1號(hào)房柱式采空區(qū)。131201綜采工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為1200m，工作面傾向長(zhǎng)度150m，采高2.7m，工作面布置情況如圖1所示[6-7]。工作面有支架83架，支架型號(hào)為ZY6800/17/35。當(dāng)工作面推進(jìn)至168 m時(shí)，基本頂周期來(lái)壓，發(fā)生切頂事故，同時(shí)疊加工作面上覆房式采空區(qū)煤柱失穩(wěn)而形成的沖擊載荷，由于支架使用年限過(guò)長(zhǎng)，支架實(shí)際工作阻力下降，導(dǎo)致工作面中部支架整體下沉，支柱行程變?yōu)?～0.2m，支架被壓死，壓架地點(diǎn)如圖1中所標(biāo)注位置。采煤機(jī)無(wú)法從支架下方通過(guò)，工作面被迫停產(chǎn)。

圖1 石圪臺(tái)井田內(nèi)房式采空區(qū)分布及131201工作面布置

2 炮眼角度優(yōu)化

掏底槽拉架技術(shù)用于處理堅(jiān)硬底板條件下支架被壓死的情況。該方法是在受壓支架底座前方向底板打淺眼，裝適量炸藥進(jìn)行放炮，放炮后掏出底座下方的碎巖塊，使底座下降，立柱有少量行程，從而將受壓支架拉出。由于現(xiàn)有的挖底方法在實(shí)施上多憑借經(jīng)驗(yàn)，主觀影響大，因此本文結(jié)合石圪臺(tái)煤礦工作面出現(xiàn)支架壓死的實(shí)際情況，利用ANSYS/LS-DYNA建立在支架底座壓力下底板的簡(jiǎn)化模型，研究不同打眼角度下炸藥的破巖效果，從而確定一種最佳的打眼角度。

LS-DYNA適合去求解各種二維和三維的非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸等問(wèn)題，在巖石爆破問(wèn)題中應(yīng)用廣泛。

2.1 高能應(yīng)力波傳播簡(jiǎn)化模型

在掏底槽拉架過(guò)程中，較好爆破效果是靠近炮眼附近碎巖塊度小，易于工作人員掏出。在遠(yuǎn)離炮孔的支座下部，巖石發(fā)生一定的破碎，從而在拉架過(guò)程中，支架底座與底板巖石之間由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，使支架能在較小作用力下從壓死狀態(tài)下拉出[8]。

根據(jù)楊年華[9-10]的研究，條形藥包起爆后，產(chǎn)生的波陣面在藥包徑向范圍內(nèi)基本平行于藥包，在藥包兩端為半球形。藥包端部巖石質(zhì)點(diǎn)速度小于藥包中部質(zhì)點(diǎn)速度，同時(shí)靠近端部的柱面波峰值傳播速度衰減比中部快，在平行于條形藥包徑向方向的破壞效果明顯好于藥包端部。因此，要使炸藥爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波有足夠的能量對(duì)支架底座下部巖石產(chǎn)生較好效果的破壞，未經(jīng)反射的高能柱面波在傳播過(guò)程中應(yīng)能覆蓋整個(gè)支架底座，這樣應(yīng)力波在自由面處發(fā)生反射拉伸作用時(shí)才能保證足夠的能量。

本文在楊年華研究員研究成果的基礎(chǔ)上，選擇平行于裝藥方向并且與裝藥長(zhǎng)度相等的高能柱面波作為主要研究對(duì)象。根據(jù)條形裝藥產(chǎn)生柱面波傳播特點(diǎn)，建立高能應(yīng)力波傳播簡(jiǎn)化模型，見(jiàn)圖2。

圖2 條形藥包高能應(yīng)力波傳播模型

要使得高能應(yīng)力波覆蓋整個(gè)支架底座，最大炮眼角度為：

φmax=arcsin(H/L)

(1)

2.2 模型建立

石圪臺(tái)煤礦131201工作面支架底座長(zhǎng)度為2.5m，炮眼長(zhǎng)度為1m，代入公式(1)，計(jì)算得出最大炮眼的角度為24°。

根據(jù)該工作面的實(shí)際情況，所建模型尺寸為2.5m×2m，炮孔位于模型右上部，炮眼直徑0.01m，長(zhǎng)度1m。根據(jù)公式(1)的計(jì)算結(jié)果，分別建立炮眼角度為0°，12°，24°，30°的4個(gè)模型，以對(duì)比不同炮眼角度對(duì)爆破效果的影響。炮眼的裝藥長(zhǎng)度0.9m，炮泥填塞長(zhǎng)度0.1m[11-12]，各物質(zhì)之間公用節(jié)點(diǎn)，采用拉格朗日算法進(jìn)行爆破的模擬計(jì)算。在模型的左右和下部設(shè)置無(wú)反射邊界條件，模擬無(wú)限巖體。在模型上部設(shè)置均布載荷，以模擬支架對(duì)底板的作用力，同時(shí)由于支架底座的影響，底座下部巖石在豎直方向的運(yùn)動(dòng)受到限制，因此在支架底座所在范圍內(nèi)限制巖體豎直方向的位移。模型尺寸及示意如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型

ANSYS/LS-DYNA一般采用JWL狀態(tài)方程計(jì)算爆炸所產(chǎn)生的壓力[13]。JWL狀態(tài)方程表示為：

(2)

式中，P為爆轟壓力；V為相對(duì)體積；Ev為單位體積內(nèi)能；ω，A，B，R1，R2為材料常數(shù)。

炸藥材料參數(shù)見(jiàn)表1。巖石使用PLASTIC_KINEMATIC材料模型建立，材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 炸藥材料及其狀態(tài)方程參數(shù)

表2 巖石材料參數(shù)

2.3 炮眼角度對(duì)爆破效果的影響

對(duì)所建的4個(gè)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)炮眼角度為0°時(shí)，如圖4(a)，支架下存在大塊巖石未被破碎，破壞情況較差；當(dāng)炮眼角度增大到12°時(shí)，如圖4(b)，支架底座下巖石在爆破后塊度較小且較均勻，巖石破碎的范圍大；當(dāng)炮眼角度增大到24°時(shí)，根據(jù)圖4(c)，在炮眼附近的巖石破碎情況較好，但支架最左側(cè)底板巖石的破碎多集中在表層，爆破效果一般；

圖4 不同炮眼傾角爆破效果

當(dāng)炮眼角度增大到30°時(shí)，如圖4(d)，巖石的破碎主要集中在炮眼附近，支架最左側(cè)底板巖石有大塊未被破碎，爆破效果差。

根據(jù)公式(1)計(jì)算得到的24°最大炮眼角度，通過(guò)分析可知當(dāng)炮眼角度超過(guò)24°時(shí)，支架最左側(cè)底板巖石破碎量隨著炮眼角度的增加逐漸較少，大塊率越來(lái)越高，條形裝藥對(duì)底板巖石的破壞趨于集中于炮孔附近。這是由于隨著炮眼角度的增加，爆炸產(chǎn)生的高能應(yīng)力波所覆蓋支架底座下巖石的范圍越來(lái)越小，支架左側(cè)底板所無(wú)法覆蓋的范圍越來(lái)越大，拉伸應(yīng)力波的產(chǎn)生范圍也逐漸減小，使巖石破碎越來(lái)越向炮眼附近集中。說(shuō)明炮眼角度為24°是支架底座最左端底板巖石產(chǎn)生破碎的最大傾角。

雖然當(dāng)炮眼角度為24°時(shí)，支架底座最左端底板巖石有破碎，但是破碎深度和塊度不足以在拉架時(shí)使支架和底板之間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦，而且隨著炮眼角度的增加，打眼的難度也越來(lái)越大，因此24°并非最優(yōu)的炮眼角度。

當(dāng)炮眼角度從24°降到12°時(shí)，支架底座下的巖石破碎的整體塊度逐漸減小，最左端破碎情況逐漸增加，爆破效果也越來(lái)越好。這是由于在12～24°的范圍內(nèi)，隨著炮眼角度的減小，高能應(yīng)力波所覆蓋的范圍逐漸增大，并且高能應(yīng)力波在發(fā)生反射時(shí)仍能產(chǎn)生足夠能量的拉伸應(yīng)力波對(duì)巖石進(jìn)行反射拉伸破壞，使支架下底板巖石有較好效果的破壞。當(dāng)炮眼角度從12°繼續(xù)減小至0°時(shí)，支架底座下巖石的大塊率隨炮眼角度的減小而增加，巖石破碎程度越來(lái)越差。這是由于炮眼角度從12°繼續(xù)減小時(shí)，雖然高能應(yīng)力波傳播范圍增大，但產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力波的能量越來(lái)越小，導(dǎo)致反射拉伸作用減弱，巖石的拉伸破壞量減少。雖然高能應(yīng)力波傳播范圍廣，但其對(duì)巖石的作用主要是壓應(yīng)力，而巖石的抗壓強(qiáng)度較高，高能應(yīng)力波所引起的破壞量較少，因此爆破效果逐漸變差。

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，炮眼角度在0°增加到30°的過(guò)程中，支架底座下巖石的爆破效果先增加后減小，而爆破效果出現(xiàn)變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是炮眼角度為12°，因此12°即為最佳炮眼角度。同時(shí)12°又是使高能應(yīng)力波覆蓋整個(gè)支架底座的最大炮眼角度的1/2，由此推出最佳炮眼角度的計(jì)算公式為：

φ=arcsin(H/L)/2

(3)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)石圪臺(tái)煤礦131201工作面現(xiàn)場(chǎng)概況，由于工作面底板較為堅(jiān)硬，采用掏底槽拉架技術(shù)處理死架。該支架底座長(zhǎng)2.5 m，欲打炮眼深度1m，根據(jù)公式(3)算得炮眼傾角為12°左右。利用鉆機(jī)向支架底座前方底板鉆傾角為12°的炮眼，少量裝藥以松動(dòng)底板巖石。然后工人利用鋼釬、鎬、鍬等作業(yè)工具把支架碎石掏出，使支架有部分下沉，減少支架的工作阻力。當(dāng)支架有一定程度下沉后，多次扳動(dòng)升柱扳手，增加死架周?chē)Ъ苌鸶叨龋簩?duì)壓死的支架進(jìn)行移架，進(jìn)而救活死架。

從實(shí)際操作看，選用炮眼角度為12°的方向打炮眼，巖石破碎后塊度較小，巖塊易于掏出，工人的工作強(qiáng)度小，拉架過(guò)程順暢，工作效率高。

4 結(jié) 論

(1)以石圪臺(tái)煤礦131201綜采工作面壓架為例，分析了工作面出現(xiàn)支架壓死情況的原因，并對(duì)現(xiàn)有掏底槽拉架技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

(2)根據(jù)柱面波的傳播特點(diǎn)，建立了高能應(yīng)力波傳播的簡(jiǎn)化模型，利用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件建立了不同炮眼角度的數(shù)值模型，并計(jì)算了不同炮眼角度下支架底座下巖石的破碎效果，分析了巖石破碎效果隨炮眼角度變化的規(guī)律，得出炮眼角度為高能應(yīng)力波覆蓋整個(gè)支架底座的最大炮眼角度的1/2時(shí)爆破效果最好的結(jié)論。

(3)在石圪臺(tái)煤礦131201綜采工作面，通過(guò)對(duì)掏底槽拉架技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用炮眼角度為12°，在死架處理過(guò)程中，操作方便，工作效率高，為相似工程背景的壓架事故處理提供參考。

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