大變形巷道深孔爆破切頂卸壓技術(shù)研究

王虎偉

(潞安化工集團 常村煤礦，山西 長治 046102)

隨著礦井開采強度及開采深度的不斷增大，采礦地質(zhì)條件也愈加復雜，地層壓力驟增，圍巖條件愈加惡劣，鄰近工作面回采往往造成高應(yīng)力大變形巷道的產(chǎn)生[1-2]。針對采空側(cè)大變形巷道，采用頂板深孔爆破卸壓技術(shù)是解決采空側(cè)大變形巷道維護困難的有效途徑之一。

針對深孔爆破技術(shù)，國內(nèi)外學者做了大量的研究工作，劉優(yōu)平等[3-4]通過利用LS-DYNA軟件模擬巖石在不同的裝藥結(jié)構(gòu)下的爆破過程，通過對不同情況研究分析得到了最佳的裝藥結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于現(xiàn)場；張繼春等[5-6]通過研究得出巖體在爆破時形成爆腔范圍大致在8～25倍藥卷半徑之間；李啟月等[7-8]分析了深孔爆破條件變化時礦巖爆破能量的變化規(guī)律，并將研究結(jié)果結(jié)合應(yīng)用于實踐；梁紹權(quán)等[9-10]分析了深孔控制預(yù)裂爆破機理，結(jié)合理論分析和試驗研究確定了合理的爆破工藝參數(shù)；陳學華等[11-12]以巖石爆破機理為出發(fā)點，運用有限元模擬軟件對深孔預(yù)爆破方案和爆破效果進行爆破計算分析，分析得到應(yīng)力波傳播規(guī)律。

文章以常村煤礦S6-1工作面深孔爆破切頂卸壓確定合理炮孔間距的問題為研究基礎(chǔ)，基于數(shù)值模擬和理論分析等研究方法，模擬分析不同裝藥直徑炸藥的爆破效果，確定出爆破損傷范圍與裝藥直徑的關(guān)系，為其他類似工作面切頂卸壓和巷道支護方案的科學設(shè)計提供一種科學方法。

1 工程背景

S6-1工作面標高+503.5～+560.9 m，埋藏深度為358.1～428.5 m，所采3號煤層總厚為5.6～6.5 m，平均厚度為6.05 m。S6-1工作面東南為S6-2工作面，兩個工作面之間留設(shè)了50 m保護煤柱，S6-2工作面的開采造成了S6-1皮順的高應(yīng)力狀態(tài)和巷道大變形的發(fā)生，現(xiàn)以60°仰角在S6-1皮順取直徑75 mm、深度30 m的鉆孔進行深孔爆破切頂卸壓。工作面具體布置如圖1所示。

圖1 S6-1工作面布置

2 數(shù)值模型及方案

2.1 計算動力荷載

該研究中炮孔直徑為75 mm，選用50 mm、55 mm、60 mm、65 mm這4種裝藥直徑，采用不耦合裝藥爆破，計算不同裝藥直徑下作用于孔壁上的徑向應(yīng)力峰值[13]，即初始沖擊壓力為Pr：

式中：ρe、D分別為炸藥密度和爆速：ρe=1 300 kg/m3，D=3 000 m/s；dc為裝藥直徑，分別取50 mm、55 mm、60 mm、65 mm；db炮孔直徑，取75 mm；n為爆生氣體碰撞巖壁時產(chǎn)生的應(yīng)力增大倍數(shù)(n=12～15)，取15。裝藥直徑取50 mm、55 mm、60 mm、65 mm時，求得Pr分別為1 925.93 MPa、3 411.9 MPa、5 750.78 MPa、9 296.08 MPa。

在動力分析過程中，COMSOL只有在已知初始條件與邊界條件下才能響應(yīng)研究對象，軟件自身無法實現(xiàn)動力荷載的自動產(chǎn)生，故利用COMSOL進行爆破分析時必須確定炮孔的輸入荷載。該研究選用如下脈沖函數(shù)作為動力激勵作用于炮孔壁邊界，通過改變修正系數(shù)使脈沖函數(shù)峰值等于初始沖擊壓力Pr。

式中：P(t)為作用在炮孔壁的動力荷載；k為修正系數(shù)、常數(shù)；Pr初始沖擊壓力；gamma為衰減率，取1.8；t0為爆炸持續(xù)時間，取2.510-4s。

2.2 幾何模型建立

如圖2所示，采用COMSOL軟件以鉆孔及鉆孔圍巖的具體情況為基礎(chǔ)建立二維幾何模型，10 m×10 m正方形為計算區(qū)域，直徑75 mm的圓模擬炮孔，圓心位于正方形的中心，取正方形和圓的差集模擬炮孔圍巖。整個區(qū)域設(shè)置為線彈性，楊氏模量為50 GPa，泊松比為2/7，密度為2 700 kg/m3。邊界載荷設(shè)置在圓的邊上，大小為P(t)，方向由圓心向外輻射。正方形的4條邊設(shè)置為低反射邊界。對計算區(qū)域進行自由三角形網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后包含12 500個域單元、6 000個邊界元和420個邊單元，如圖3所示。

圖2 研究對象物理模型

圖3 網(wǎng)格劃分

2.3 模擬方案設(shè)計

如表1所示，根據(jù)爆破炸藥的不同裝藥直徑設(shè)計了四種模擬方案。

表1 模擬方案

在模型中設(shè)置一段測線，測線范圍為(0.5,0)～(5,0)，測線上每間隔0.5 m布置1個測點，共10個測點，如圖4所示。

圖4 測線及測點布置

文章通過將不同裝藥直徑下各測點爆炸應(yīng)力峰值進行擬合，得到一條位移應(yīng)力峰值曲線，通過位移應(yīng)力峰值曲線與巖石抗拉強度確定不同裝藥直徑的損傷半徑。對得到的4組數(shù)據(jù)進行擬合得到爆炸損傷范圍擬合曲線，分析爆破損傷范圍隨裝藥直徑的變化規(guī)律。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同裝藥直徑爆炸損傷半徑

爆炸能量的傳遞過程在一定程度上受到裝藥結(jié)構(gòu)的影響，不同裝藥結(jié)構(gòu)對應(yīng)的能量及能量折射率有所不同。在裝藥直徑(裝藥量)不同的情況下，空氣層對沖擊波起到的緩沖作用也不同。因此，通過監(jiān)測4種不同裝藥直徑爆破情況下測點處應(yīng)力峰值數(shù)據(jù)，得到不同裝藥直徑爆破應(yīng)力峰值曲線如圖5～圖8所示。

圖5 裝藥直徑50 mm時應(yīng)力峰值曲線

圖6 裝藥直徑55 mm時應(yīng)力峰值曲線

圖7 裝藥直徑60 mm時應(yīng)力峰值曲線

圖8 裝藥直徑65 mm時應(yīng)力峰值曲線

不同裝藥直徑條件下應(yīng)力分布云圖大致相同，文章選取裝藥直徑60 mm(方案三)進行分析，應(yīng)力分布云圖如圖9～圖11所示。

圖9 爆炸發(fā)生0.26 ms后應(yīng)力分布云圖

圖10 爆炸發(fā)生0.66 ms后應(yīng)力分布云圖

圖11 爆炸發(fā)生0.98 ms后應(yīng)力分布云圖

分析圖5～圖11可知：

2) 通過在圖中做出巖石抗拉強度線與巖體內(nèi)部應(yīng)力峰值曲線的交點，得到巖石爆炸損傷半徑。這是由于巖石在爆炸過程中發(fā)生的破壞主要是抗拉破壞，在應(yīng)力峰值超過巖石的抗拉強度時，視為發(fā)生了破壞。由此得到裝藥直徑為50 mm、55 mm、60 mm、65 mm時巖石爆炸破壞損傷半徑分別為1.06 m、1.91 m、3.07 m、4.81 m。

3) 爆炸發(fā)生后，應(yīng)力波從爆炸源處呈輻射狀向巖體周圍傳遞，巖體受到爆炸應(yīng)力波的拉伸作用而發(fā)生破壞，形成裂隙區(qū)。應(yīng)力波傳播距離隨時間不斷增大，同時應(yīng)力波的強度迅速衰減。

3.2 爆炸損傷范圍隨裝藥直徑的變化規(guī)律

根據(jù)應(yīng)力峰值曲線及巖石抗拉強度確定不同裝藥直徑的爆炸損傷半徑分別為1.06 m、1.91 m、3.07 m、4.81 m，通過擬合這4組數(shù)據(jù)，得到爆炸損傷范圍擬合曲線如圖12所示。

圖12 不同裝藥直徑爆炸損傷范圍擬合曲線

由不同裝藥直徑爆炸損傷范圍擬合曲線可知：

4 工程實踐

在S6-1皮順沿采空區(qū)煤柱與實體煤方向間隔6 m打深鉆孔，鉆孔參數(shù)為：孔深30 m，裝藥12 m，封孔深度18 m，鉆孔傾角60°，鉆孔直徑75 mm，炸藥采用煤礦許用3號乳化炸藥，藥卷直徑60 mm，每孔裝藥卷數(shù)為24個，封泥長度18 m。每孔均勻布置2個同段毫秒延期電雷管，孔內(nèi)連線采用并聯(lián)連接。一次起爆1個炮孔。鉆孔布置示意如圖13所示。

圖13 頂板深孔爆破平面

如圖14所示，在巷道內(nèi)布置7個測站，初始測站距離工作面開切眼175 m，測站間距25 m，其中，1個測站位于試驗區(qū)域前方，1個測站位于試驗區(qū)域后方，其余測站位于試驗區(qū)域內(nèi)。

圖14 礦壓監(jiān)測測站布置

S6-1工作面回采期間測量測站處巷道表面位移，得到回采期間巷道頂?shù)装逡平壳€如圖15所示。

圖15 巷道表面位移曲線

由巷道表面位移曲線可知：

1) 由測站1～7處頂?shù)装逡平?99 mm、677 mm、492 mm、413 mm、460 mm、573 mm、732 mm及兩幫移近量857 mm、578 mm、455 mm、421 mm、461 mm、550 mm、694 mm可知，切頂卸壓試驗段頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量均明顯小于未卸壓段。

2) 切頂卸壓區(qū)中心測站3～5受卸壓段外圍巖變形影響小，能夠真實反映出切頂卸壓效果，測站3～5平均頂?shù)装逡平?55 mm，與切頂卸壓區(qū)外頂?shù)装逡平?66 mm相比，減少了40.6%；測站3～5平均兩幫移近量442 mm，與切頂卸壓區(qū)外兩幫移近量775 mm相比，減少了43.0%.

3) 圍巖變形結(jié)果顯示，采用深孔爆破切頂卸壓技術(shù)能夠有效減小采空側(cè)大變形巷道的圍巖變形，基本滿足工作面生產(chǎn)要求。

5 結(jié) 語

1) 爆炸損傷半徑隨著裝藥直徑的增大呈現(xiàn)非線性增長趨勢，根據(jù)巖石抗拉強度線與巖體內(nèi)部應(yīng)力峰值曲線的交點，得到裝藥直徑為50 mm、55 mm、60 mm、65 mm時巖石爆炸破壞損傷半徑分別為1.06 m、1.91 m、3.07 m、4.81 m。

3) 該工作面爆破卸壓選用的藥卷為直徑60 mm的煤礦許用3級乳化炸藥，根據(jù)爆炸損傷范圍擬合曲線確定爆破方案中炮孔間距應(yīng)設(shè)為6 m。

4) 圍巖變形結(jié)果顯示，切頂卸壓段巷道頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量均明顯小于未卸壓段。進一步證明，深孔爆破切頂卸壓技術(shù)能改善巷道的應(yīng)力環(huán)境，實現(xiàn)采空側(cè)巷道圍巖變形的有效控制，并基本滿足工作面的安全生產(chǎn)要求。