深孔預裂爆破提高綜放初采頂煤回采率的研究*

沈玉旭，趙國飛，張哲瑞，許海濤

(山西能源學院， 山西 晉中市 030600)

深孔預裂爆破提高綜放初采頂煤回采率的研究*

沈玉旭，趙國飛，張哲瑞，許海濤

(山西能源學院， 山西 晉中市 030600)

針對某礦3407工作面堅硬頂板難以垮落的現象，通過對其頂底板物理力學性質的分析，確定深孔預裂爆破參數，使用ANSYS/LS-DYNA2D軟件模擬爆破過程，以及使用UDEC軟件模擬切頂后頂板垮落破壞情況。研究結果表明：采用深孔預裂爆破的方法弱化堅硬頂板，初次來壓步距縮短了9.6 m，頂煤采出率提高了14.38個百分點，實現了綜放初采的安全高效開采。

綜放初采；采出率；預裂爆破

堅硬頂板是指厚度大、強度高、節理裂隙不發育、完整性較好的頂板[1-3]。如果頂板不能及時垮落，容易造成沖擊礦壓、工作面瓦斯超限、壓架等煤礦災害[4]。如果頂板及時垮落可以大大避免這些災害，同時還可以提高放頂煤初采期間的頂煤采出率，確保初采期間的安全生產。

堅硬頂板一般透水性差，注水后效果不明顯，而且范圍有限，采用深孔預裂爆破的方法處理堅硬頂板的相關研究很少。本文通過理論分析和數值模擬，對某礦3407工作面綜放初采期間深孔預裂爆破進行了設計，并做了現場工業性試驗。

1 工程條件分析

(1) 工作面概況。某礦3407工作面位于七五二水平四盤區，屬于孤島面開采，和已采的兩個工作面中間各留有20 m保安煤柱。工作面開采的3號煤層厚度為5.8～6.2 m，平均厚6 m。工作面長度174.5 m，推進長度1360 m，采用放頂煤頂板全部垮落的采煤方法。

(2)頂底板特性。3407工作面3號煤與頂底板巖層的主要力學特性見表1。

使用D/MAX-2400型X-射線衍射光譜儀對3407工作面基本頂細砂巖進行測定，并對細砂巖的礦物組成進行了定性分析和相對定量分析，分析結果見表2，其中石英占絕大部分，高達68.3%。

在3407工作面端頭和端尾的位置鉆孔取芯，分別對這兩個鉆孔所取到的基本頂細砂巖試樣做飽水-風干4個循環的崩解實驗。實驗結果表明：細砂巖巖芯在經過4個飽水-風干循環后，幾乎沒有破損現象，保持完整。

因此，采用注水弱化3407工作面頂板的方法不可行，必須采用深孔預裂爆破的方法才可以破壞工作面頂板。

表1 煤與頂底板主要力學參數

表2 試樣的礦物成分

2 爆破參數及方案

(1) 炮孔長度及直徑。炮孔的垂直高度應該以頂板垮落后充滿采空區為宜，因此炮孔的垂直高度為12 m，炮孔直徑為75 mm。

(2) 炮孔間距。深孔預裂爆破主要是利用爆破產生的裂隙和弱面破壞頂板，在頂板形成貫通裂縫。根據Mises準則，在不耦合裝藥條件下，經計算得到裂隙區半徑Rp為1790 mm，因此炮孔間距定為3.5 m。

(3) 封孔方式。封孔是為了防止爆炸沖孔，為了保證爆破效果和安全，本次封孔采用剛-塑-剛結構，封孔長度為炮孔總長的1/2。炮孔裝藥結構如圖1所示。

圖1 裝藥結構

(4) 聯線方式。采用正向起爆，使用煤礦許用導爆索，每個導爆索捆綁了兩個瞬發雷管。爆破網絡聯線方式采用“局部并聯，總體串聯”，即一根導爆索的兩個雷管并聯連接，炮孔與炮孔之間串聯連接。

(5) 一次起爆的藥量。根據《爆破安全規程》中爆破允許安全距離的薩道夫斯基公式計算，一次起爆的最大藥量為35 kg。

(6) 炮孔布置。在開切眼內以及兩個端頭都布置炮孔(見圖2)，一共50個，并且要在工作面液壓支架安裝之前打好炮孔。

(7) 放炮順序。50個炮孔，端頭端尾各兩個，分別為一個組；開切眼內46個，3個炮孔為一組，每組內3個炮孔分別依次使用Ⅰ段、Ⅲ段和Ⅴ段毫秒延期電雷管，組與組之間留一個空孔。

圖2 炮眼布置

3 爆破過程模擬

3.1 單個炮孔爆破模擬

使用ANSYS/LS-DYNA2D軟件模擬單個炮孔爆破的過程，LS-PREPOST后處理器輸出了不同時刻爆破裂隙的發展情況(見圖3)。分析爆破裂隙發展過程可知：粉碎區形成時間很短，大概0.1 ms；1.2 ms后裂隙區基本形成，半徑大約為1.86 m，比理論計算值稍大。因此3.5 m的炮眼間距基本合理。

3.2 3個炮孔爆破模擬

使用LS-DYNA2D模擬3個炮孔同時爆破的情況，炮孔間距3.5 m，不同時刻爆破裂隙發展過程見圖4。模擬結果表明：3個炮孔爆破后裂縫基本可以貫通，形成一條裂縫，達到預期的爆破效果，炮孔間距合理。

3.3 UDEC模擬頂板垮落情況

本次模擬是以3407工作面地質條件作為基礎，煤層埋深400 m，采高3 m，頂底板主要力學參數參照表1，模型左右和底部都是固定約束，零位移，上部施加了10 MPa的均布荷載，模型總長100 m，總高61.5 m，計算模型如圖5所示。

模擬結果表明：未切頂時，直接頂初次來壓步距為12 m，基本頂初次來壓步距為31.2 m；切頂后，直接頂初次來壓步距為7.2 m，基本頂初次來壓步距為21.6 m；對比切頂前后，直接頂初次來壓步距縮短了4.8 m，基本頂初次來壓步距縮短了9.6 m。

圖4 3個炮孔不同時刻的爆破裂隙擴展情況

圖5 計算模型

4 應用效果

通過對上一個工作面(3405未爆破切頂)和本工作面(3407爆破切頂)初采期間煤炭采出量、頂煤采出率、頂板初次來壓步距的研究，可知：

(1) 3405工作面初采期間采煤40240 t，頂煤采出率23.16%；3407工作面初采期間采煤45840 t，頂煤采出率37.54%。頂煤采出率提高了14.38個百分點。

(2) 3405工作面基本頂初次來壓步距28.3 m，3407工作面基本頂初次來壓步距18.7 m，爆破切頂后基本頂初次來壓步距縮短了9.6 m，這與模擬結果基本一致。

5 結 論

(1) 通過X-射線衍射圖譜以及它的礦物成分分析，同時對細砂巖做飽水-風干崩解實驗，表明只有通過爆破的方法破壞頂板細砂巖才是最佳選擇。

(2) 使用ANSYS/LS-DYNA2D模擬爆破后裂隙發展情況，確定了炮眼間距等爆破參數的合理性。

(3) 使用UDEC模擬切頂與未切頂情況下頂板的垮落破壞情況，切頂后基本頂初次來壓步距縮短了9.6 m，頂板遭到破壞，初次來壓提前到來，這與實際爆破效果相符。

(4) 爆破后頂煤采出率提高了14.38個百分點，解決了初采期間頂板大面積懸露而不冒的問題，減弱了初次來壓對液壓支架的沖擊載荷，防止了頂板突然垮落造成的工作面瓦斯超限，增加了初采期間的經濟效益。

[1]靳鐘銘,徐林生.煤礦堅硬頂板控制[M].北京:煤炭工業出版社,1994:80-90.

[2]王 開,康天合,李海濤，等.堅硬頂板控制放頂方式及合理懸頂長度的研究[J].巖石力學與工程學報,2009(11).

[3]靳鐘銘.堅硬頂板長壁采場的懸梁結構及其控制[J].煤炭學報,1986(2):71-75.

[4]宮世文,張蓀茗,孫 震，等.深孔預裂爆破強制放頂技術的應用[J].煤礦安全,2007(1):21-22.

山西能源學院自然科學項目(ZY-2017006).

2017-08-14)

沈玉旭(1986-)，男，助教，研究方向為礦山壓力，Email：410825567@qq.com。