趙家莊礦綜放面聚能卸壓研究及應用

高耀江

（柳林縣應急管理局，山西 呂梁 033300）

0 引言

提高煤炭采出率和保障開采安全是煤礦開采的關鍵，也是煤炭工業研究的重點方向。厚煤層常采用綜放開釆，目前國內在綜放面開采中提高采出率和保障安全上進行了大量的研究[1]，工程中也取得了不少經驗，但對于聚能爆破應用到綜放面卸壓的研究相對減少[2]。趙家莊煤礦井下綜放面多年來一直采用未卸壓和普通爆破卸壓方式弱化頂板，初采損失較為嚴重，通過對原卸壓方案進行優化，提出一種工程現場易加工的聚能管，并進行ANSYS/LS-DYNA模擬聚能方案，得出聚能方案的優越性，取得了一定的工程應用效果。

1 卸壓設計方案

趙家莊礦目前開采N2采區的N205面，N205面布置有沿9號煤頂板布置的軌道巷和皮帶巷，切眼長200 m，推進長956 m；開采9號煤，煤厚6.4 m，開采時采煤3 m、放煤3.4 m、采放比1∶1.13。煤層及頂板參數見表1。

表1 煤層及頂板力學參數表

N205面擬進行爆破卸壓，來減少來壓步距，爆破炮孔布置見圖1。開采前，在切眼支架后方頂板設置炮孔，在兩側順槽中各布置3個炮孔。設計一組孔為3個，孔間距為5 m，組間距為10 m，共布置36個孔。爆破時組內采用并聯起爆，整體采用從進風側向回風側串聯起爆，爆破參數見表2。

表2 爆破主要參數表

圖1 N205面炮孔布置圖(m)

2 卸壓方案優化

根據礦井N2采區以往開采資料，鄰近的N201面未進行爆破卸壓，基本頂來壓步距為27.2 m；鄰近的N203面，采用了與N205面相似的原卸壓方案，基本頂來壓步距為19.2 m，減少了8 m。為進一步較少步距，研究決定將N205面卸壓方案進行優化。

2.1 孔間距分析

為使N205面頂板形成裂隙，應將孔間距設計為爆破的裂隙區直徑最為合適，根據爆破強度準則[3]，爆破后的裂隙區直徑D可采用式（1）計算：

式中：λ、α、β為巖石泊松比相關參數；d為炮孔直徑（75 mm）；σt、σc為巖石抗拉和抗壓強度。卸壓主要是通過爆破預裂N205面的基本頂，將參數代入式（1），得出D=4.58 m。

設計孔間距為5 m，大于計算裂隙區直徑，得知其卸壓效果欠佳。最為簡單的方法是將孔間距調整為4.5 m，由于減少孔間距后將增加炸藥量，進而增加爆破的有害效應，因此孔間距宜保持5 m不變。還可以將組中部5 m處增設1個空孔，共布置10個空孔，使所有孔間距均為5 m。增設空孔，可增加爆破時的自由面，能適當的增加卸壓效果。經模擬分析，增設空孔后的裂隙區直徑仍小于5 m，因此研究決定進行聚能卸壓。

2.2 聚能卸壓方案

根據聚能機理，爆破時爆轟波將沿聚能穴表面垂直方向傳播形成聚能流，并在交點處獲得最大的射流速度和能量密度，最后在穴上生成超高壓、高速的具有超強切割能力的能量流[2]。原設計裝藥直徑為60mm，即將60mm的藥卷直接放于孔中，本次優化將增設聚能管，管外徑仍為60mm，管內設2個空穴。為現場加工方便，空穴采用小圓管對切成2片后，對稱布置在聚能管內，小圓管外徑為30mm，聚能管如圖2。

圖2 聚能管示意圖

該聚能管內布置對稱的半圓管，半圓管內部裝炸藥形成空穴，可起到聚能穴作用。爆破后在兩空穴中心處的聚能流傳遞到孔壁，在空穴連線方向處孔壁會產生最大的裂隙區[4]。現場布置時，應將空穴連線方向沿開切眼方向布置，以達到聚能效果。

3 聚能效果模擬

為分析增設聚能管后的效果，選取2個炮孔進行ANSYS/LS-DYNA模擬分析，運用ALE算法分析爆轟過程[5]，重點研究爆炸后應力分布及裂隙發育。建立尺寸為15 m×12 m×6 m的準二維模型，兩孔中間為坐標原點，X軸為兩孔連線，聚能管設在X軸上。

3.1 應力云圖分析

2種方案模擬爆破后1 200 us時刻的應力云如圖3所示。可知，爆破后爆轟波向孔四周的傳播，當爆轟波傳遞1 200 us時，兩孔的爆轟波早已疊加，疊加后的波在兩孔連線中間點位置相互作用，能量壓縮巖石，使裂隙擴展。圖3（a）中爆轟波向四周以圓環狀均勻傳播，裂隙向四周均勻擴張，最終在兩孔連線中間未形成裂隙。圖3（b）中爆轟波向四周以橢圓狀傳播，波主要向X軸傳播，裂隙也主要向X軸擴張，最終在兩孔連線中間形成裂隙。

圖3 爆破應力云圖

3.2 后處理分析

通過LS-PREPOST后處理分析裂隙發育過程，得出原方案的裂隙區半徑為2.25 m，聚能方案在Y軸和X軸上裂隙區半徑為2.15 m和2.75 m。說明原方案爆破在兩孔中間不能形成裂隙，而聚能方案的X軸上能形成裂隙。

3.3 壓力歷程分析

為分析爆破后兩孔連線上的壓力歷程，在X軸上選取C1、C2、C3三個測點，C1為坐標原點，C2為X軸上1 m位置，C3為X軸上2 m位置。2個方案爆破后的壓力歷程如圖4所示。

圖4 壓力歷程曲線圖

可知，整體上C1、C2、C3三個測點的壓力是逐漸增大，是因為C1位于兩孔中間，距離炮孔藥包最遠；而C3距離炮孔藥包只有0.5 m，壓力自然大于其他2處測點。為分析兩孔中間裂隙情況，只需研究C1測點處的壓力即可。從圖4（a）知，C1測點最大壓力為12 MPa，小于基本頂抗拉強度（15.6 MPa），說明爆轟波在兩孔中間不能破壞巖石形成裂隙[6]。從圖4（b）知，C1測點最大壓力為21 MPa，大于基本頂的抗拉強度，說明爆轟波在兩孔中間能破壞巖石形成裂隙。圖4（a）和4（b）對比，得出在相同位置處，原方案的最大壓力均小于聚能方案壓力，說明聚能方案能提高爆破的預裂效果，可達到設計的聚能效應。

4 應用與結論

趙家莊礦N205面最終采用了優化后的聚能方案進行爆破，開采后基本頂來壓步距為16 m，相較于鄰近的N203面（19.2 m）減少了3.2 m。可知在爆破參數基本一致下，采用聚能方案，垮落步距能減少3.2 m，初采率可提高20%。通過工程成功應用，得出如下結論：

1）聚能爆破的爆轟波主要空穴連線方向傳播，有聚能效應，預裂效果更好。

2）采用聚能爆破能減少基本頂來壓步距，提高采出率，初采期更為安全。

3）目前該聚能方案正在井下其他面推廣應用，后期可推廣到其他類似工作面預裂中，具有一定的推廣應用價值。