堅(jiān)硬頂煤弱化的深孔爆破合理炮孔間距研究

吳兆華，于 雷

(1.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013;2.天地科技股份有限公司，北京100013)

千樹(shù)塔煤礦11301工作面采用綜采放頂煤方法開(kāi)采，由于頂煤非常堅(jiān)硬不容易被礦山壓力充分破壞，造成支架放煤口處大塊煤較多，煤炭資源采出率較低。為了解決這一問(wèn)題，采用深孔爆破的方法在超前支承壓力影響范圍以外提前對(duì)堅(jiān)硬頂煤進(jìn)行爆破弱化，被弱化的頂煤在工作面支承壓力和支架反復(fù)支撐作用下被充分破壞，進(jìn)而減小頂煤冒落塊度，提高頂煤采出率。合理炮孔間距是爆破方案中最重要的技術(shù)參數(shù)，本文根據(jù)工作面實(shí)際條件，利用理論分析和數(shù)值模擬的方法確定了合理的炮孔間距并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

1 工作面基本條件

千樹(shù)塔煤礦11301工作面開(kāi)采3號(hào)煤層，工作面長(zhǎng)150m，推進(jìn)長(zhǎng)度2000m，煤層埋深約217m，煤層厚度9.75～11.21m，平均10.60m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)夾矸，采用一次采全厚綜采放頂煤采煤法，采高4.3m，平均放煤高度6.3m。煤層直接頂板以泥巖為主，粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖次之，少量粉砂巖、中粒長(zhǎng)石砂巖;底板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖次之。

對(duì)3號(hào)煤層進(jìn)行了物理力學(xué)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。由測(cè)試結(jié)果可知該煤層非常堅(jiān)硬，硬度系數(shù)平均為2.57，最大達(dá)2.95。工作面生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于頂煤硬度大，支架后方放煤口處存在大量大塊煤，頂煤無(wú)法順利放出，工作面煤炭采出率僅為56%左右。

表1 煤層試樣的力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果

2 弱化范圍的理論計(jì)算

為了使頂煤充分破碎，炮孔之間的裂隙應(yīng)能夠重合，合理炮孔間距應(yīng)為裂隙區(qū)半徑的2倍。因此，為了研究合理炮孔間距應(yīng)對(duì)爆破后炮孔的裂隙區(qū)范圍進(jìn)行研究。

學(xué)者戴俊利用Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則，并考慮巖石三向受力及其強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)，導(dǎo)出了柱狀藥包爆炸在巖石中引起的裂隙圈半徑計(jì)算公式:

其中:

根據(jù)千樹(shù)塔煤礦11301工作面的實(shí)際條件，計(jì)算深孔爆破后炮孔周圍裂隙區(qū)半徑所需的各參數(shù)如表2所示。

表2 計(jì)算裂隙區(qū)半徑所需的各參數(shù)

綜上，經(jīng)理論計(jì)算炮孔的裂隙區(qū)半徑為1.49m，為了使爆破后炮孔之間的裂隙區(qū)相互貫通達(dá)到良好的破碎效果，合理的炮孔間距為2.98m。

3 爆破裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬分析

LS－DYNA軟件是通用顯式動(dòng)力分析程序，各種復(fù)雜的機(jī)構(gòu)計(jì)算問(wèn)題都可以利用該軟件進(jìn)行模擬，該軟件在爆炸沖擊、侵徹等非線性動(dòng)力沖擊問(wèn)題的模擬中得到了廣泛的應(yīng)用，本文利用LS－DYNA軟件對(duì)深孔爆破后裂紋的擴(kuò)展情況進(jìn)行模擬。

3.1 建模過(guò)程中關(guān)鍵問(wèn)題的處理

為了準(zhǔn)確模擬爆炸過(guò)程，在建模時(shí)對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題做了處理.

3.1.1 炸藥與巖石的相互作用

炸藥起爆后變?yōu)闅怏w，爆炸過(guò)程是流體 (爆生產(chǎn)物)與固體 (煤)的相互作用。因此采用ALE(流固耦合)算法模擬深孔爆破過(guò)程中爆生氣體與煤體間的相互作用。ALE算法先計(jì)算一個(gè)或幾個(gè)Lagrange時(shí)步，這時(shí)隨著材料的膨脹流動(dòng)炸藥網(wǎng)格產(chǎn)生變形，然后執(zhí)行流固耦合時(shí)步計(jì)算:在炸藥邊界和網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系保持不變的情況下對(duì)炸藥內(nèi)部單元進(jìn)行網(wǎng)格的重新劃分，然后將原網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)速度矢量和單元變量分配給重劃分的新網(wǎng)格。這種算法能夠克服嚴(yán)重的單元變形造成的數(shù)值計(jì)算困難，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流體與固體在各種復(fù)雜載荷條件下的相互作用分析。

3.1.2 炸藥載荷的施加

炸藥起爆后，爆生產(chǎn)物的壓力變化范圍非常大，如果用瞬時(shí)的集中載荷來(lái)模擬炸藥爆炸后產(chǎn)生的壓力，則模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室結(jié)果相差很大。本文采用HIGE_EXPLOSIVE_BURN模型以及JWL方程模擬炸藥。JWL狀態(tài)方程能夠精確地描述凝聚炸藥圓桶實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓力與比容的關(guān)系，被廣泛用于爆炸的數(shù)值模擬中，其狀態(tài)方程如下:

式中，R1，R2，ω為炸藥特性參數(shù)，無(wú)量綱;A，B為炸藥特性參數(shù)，GPa;V，E分別為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積和內(nèi)能，m3，MJ;P為壓力，MPa。

實(shí)驗(yàn)所用炸藥的參數(shù)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)所用炸藥參數(shù)

3.1.3 煤的模擬

爆炸過(guò)程中煤體應(yīng)變速率的變化范圍非常大，因此采用對(duì)應(yīng)變速率變化敏感的材料來(lái)模擬煤體。煤體的基本物理力學(xué)參數(shù)由實(shí)驗(yàn)獲得，缺少的參數(shù)取同類煤的平均值，各參數(shù)的取值如表4所示。

表4 煤的物理力學(xué)參數(shù)

3.1.4 邊界條件的選取

深孔爆破時(shí)炮孔處于無(wú)限的煤體中，模擬時(shí)要用一個(gè)有限域來(lái)表示無(wú)限域，因此必須明確界定有限域的邊界條件。一般模擬時(shí)采用固定邊界的位移或給邊界恒定作用力的方式來(lái)處理，但這樣會(huì)使爆破后的應(yīng)力波在邊界處產(chǎn)生反射，反射后的應(yīng)力波重新進(jìn)入模型與原應(yīng)力波相互疊加會(huì)給求解結(jié)果帶來(lái)很大的誤差。

本文為了減少邊界處波的反射對(duì)結(jié)果的影響，對(duì)模型的邊界施加無(wú)反射邊界條件，吸收到達(dá)邊界的膨脹波和剪切波。

3.1.5 巖石破壞準(zhǔn)則的選取

材料的性質(zhì)和實(shí)際的受力狀況決定了材料在外載荷作用下的破壞準(zhǔn)則。深孔爆破中，煤的受力狀態(tài)為三向拉壓混合的應(yīng)力狀態(tài)，并且現(xiàn)有研究已表明:在爆破過(guò)程中炮孔周圍壓碎區(qū)煤的破壞方式為受壓破壞，裂隙區(qū)煤的破壞方式為受拉破壞。因此，定義煤的破壞準(zhǔn)則為壓破壞和拉破壞，即當(dāng)單元的拉應(yīng)力超過(guò)煤的抗拉強(qiáng)度或壓應(yīng)力超過(guò)煤的抗壓強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破壞。

3.1.6 裂紋形成的實(shí)現(xiàn)

本文通過(guò)定義單元失效的方法模擬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的裂紋，即將發(fā)生破壞的單元定義為失效單元，把失效的單元從模型中刪除不參與后期計(jì)算，多個(gè)被刪除的單元相互貫通，在結(jié)構(gòu)中就形成了裂紋。

3.2 模擬方案

根據(jù)千樹(shù)塔煤礦的實(shí)際條件，選用的藥卷直徑為75mm，炮孔直徑為94mm，本文在此基礎(chǔ)上研究爆破后炮孔周圍裂隙區(qū)的范圍，從而確定合理的炮孔間距，建立的模型如圖1所示。

圖1 爆破模擬模型

3.3 模擬結(jié)果

當(dāng)藥卷直徑為75mm，炮孔直徑為94mm，裝藥不耦合系數(shù)為1.25時(shí)，炸藥起爆后炮孔周圍的破壞情況如圖2～圖7所示。

圖2 16μs炮孔周圍出現(xiàn)破壞

圖3 136μs炮孔周圍出現(xiàn)徑向主裂紋

圖4 180μs裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展

圖5 204μs炮孔周圍出現(xiàn)環(huán)向裂紋

通過(guò)以上數(shù)值模擬分析可知，炸藥起爆16μs后炮孔周圍開(kāi)始出現(xiàn)微小裂紋;起爆136μs后炮孔周圍出現(xiàn)4條明顯的徑向裂紋，且在裂紋的尖端出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象;起爆180μs后炮孔周圍的徑向裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，裂紋尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯;起爆204μs后炮孔周圍出現(xiàn)了明顯的環(huán)向裂紋;起爆368μs后1條徑向裂紋停止擴(kuò)展，且該裂紋尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減弱，1條徑向主裂紋出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。數(shù)值模擬的裂紋擴(kuò)展過(guò)程和現(xiàn)有理論關(guān)于深孔爆破后裂紋的擴(kuò)展過(guò)程一致，說(shuō)明本方法能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破裂紋擴(kuò)展的模擬。

裂紋擴(kuò)展的最終形態(tài)如圖7所示，4條徑向主裂紋的最終擴(kuò)展長(zhǎng)度分別為 1.52m，1.56m，1.62m，1.03m，可見(jiàn)炸藥起爆后炮孔周圍的裂隙區(qū)半徑為1.5m左右，與理論分析結(jié)果基本相同。

圖6 368μs部分徑向主裂紋停止擴(kuò)展

圖7 裂紋擴(kuò)展的最終形態(tài)

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果可知，炸藥起爆后炮孔周圍的裂隙圈半徑大約為1.5m，為了使煤體充分破碎，炮孔間距定為1.5m(裂隙圈半徑的2倍)，并據(jù)此制定深孔爆破方案，如圖8和圖9所示。在頂煤中沿工作面傾向每隔108m打1條工藝巷用于爆破鉆孔的施工，工藝巷中每隔3m打1組雙排炮孔，炮孔長(zhǎng)度為50m。

圖8 工藝巷和炮孔布置平面

圖9 工藝巷和炮孔沿工作面走向剖面

5 結(jié)論

(1)對(duì)深孔爆破數(shù)值模擬中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)徑向裂紋擴(kuò)展、環(huán)向裂紋擴(kuò)展、裂紋的分叉和停止的模擬，為深孔爆破的進(jìn)一步深入研究提供了新的技術(shù)手段。

(2)經(jīng)理論分析和數(shù)值模擬確定了千樹(shù)塔煤礦頂煤深孔預(yù)裂爆破的合理炮孔間距為3m，并在此基礎(chǔ)上制定了頂煤深孔預(yù)裂爆破方案。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后，工作面煤炭采出率由56%提高到74%，有效地減少了工作面的煤體損失，說(shuō)明深孔爆破方案設(shè)計(jì)較為合理。此次實(shí)踐為類似的工作面如何提高頂煤采出率提供了可借鑒經(jīng)驗(yàn)，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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