深孔預裂爆破堅硬頂板提高初采采出率的研究

沈玉旭，康天合，楊永康

（1.山西能源學院，山西 晉中030600；2.太原理工大學，山西 太原030024）

堅硬頂板具有抗壓強度高、厚度大、節理裂隙不發育、整體性好等特點。堅硬頂板對初采期間的采場安全影響非常大，如果頂板不能及時垮落，可能造成工作面支架的沖擊載荷，嚴重時還可能誘發沖擊礦壓，采空區積聚的有毒有害氣體也會因頂板的突然大面積垮落而引發安全事故，這些都給工作面生產安全造成很大的隱患[1]。堅硬頂板一般透水性差，注水后效果不好，而且注水范圍有限；索永錄教授利用超動態實驗對堅硬頂板的爆破破壞機理進行了研究[2]；靳鐘銘教授針對大同“兩硬”堅硬頂板提出了步距式爆破方法[3]；其他學者在處理堅硬頂板方面也做了一些研究[4-9]。通過深孔預裂爆破切頂的方法[10-18]處理某礦3407 工作面堅硬頂板，對頂板巖性進行分析，利用ANSYS/LS-DYNA 軟件模擬爆破周圍巖石的破壞情況，制定爆破方案，并對爆破后的炮孔進行窺視，檢驗爆破效果，觀測初采期工作面液壓支架載荷的變化情況。

1 工程條件分析

1.1 工作面概況

3407 工作面長174.5 m，開采3 號煤，平均厚5.8 m，黑色，節理裂隙發育，性軟，極破碎；抗壓強度5.94 MPa，抗拉強度0.94 MPa。偽頂為炭質泥巖，厚0.4 m，黑色，破碎；抗壓強度16.73 MPa，抗拉強度2.73 MPa。直接頂為泥巖，厚2.5 m，灰黑色，泥質細粒結構；抗壓強度20.88 MPa，抗拉強度3.19 MPa?；卷敒榧毶皫r，厚8 m，灰黑色，堅硬，中粒結構；抗壓強度65.26 MPa，抗拉強度5.98 MPa。直接底為粉砂巖，厚3 m，灰黑色，完整性較好；抗壓強度35.02 MPa，抗拉強度4.67 MPa?；镜诪樯百|泥巖，厚5 m，灰黑色，性軟；抗壓強度22.78 MPa，抗拉強度3.92 MPa。

1.2 基本頂特性

使用D/MAX-2400 型X-射線衍射光譜儀器檢測3407 工作面基本頂細砂巖，3407 工作面基本頂細砂巖X-射線衍射圖譜如圖1。

圖1 3407 工作面基本頂細砂巖X-射線衍射圖譜Fig.1 X- ray diffraction pattern of fine sandstone at the basic top of the 3407 working face

由圖1 可知3407 工作面基本頂細粒砂礦物成分為：石英68.3%，云母12.5%，伊利石9.1%，其他10.1%，同此可得基本頂細砂巖最主要的礦物成分是石英。

在工作面頂板2 個不同位置鉆孔取心，2 個位置相距100 m 以上，得基本頂細砂巖巖樣，對其做飽水風干實驗，基本頂鉆孔1 和鉆孔2 細砂巖飽水-風干崩解實驗如圖2 和圖3。實驗表明水對細砂巖基本沒有破壞作用。

圖2 鉆孔1 細砂巖試樣飽水-風干崩解實驗Fig.2 Water-dry disintegration experiment of basic top 1# borehole fine sandstone

圖3 鉆孔2 細砂巖試樣飽水-風干崩解實驗Fig.3 Water-dry disintegration experiment of basic top 2# borehole fine sandstone

2 爆破數值模擬

2.1 爆破模型建立

ANSYS/LS-DYNA 采用平面應變處理模型，適合求解非線性問題，可靠性高，計算結果比較準確，大量應用在爆破模擬中。LS-DYNA 軟件模型由空氣、巖石和炸藥3 個單元組成，使用共用節點聯系在一起。模型大小長8 m，寬8 m，中心模擬炸藥，四周采用零位移約束邊界，無反射邊界，無初始應力。

2.1.1 空氣單元

巖石與炸藥之間的空氣單元選用空物質材料模型，線性多項式狀態方程模擬，狀態方程見式（1）：

式中：p 為爆轟壓力，MPa；c0～c6為基本參數，其中c0取0.1 MPa，c1、c2、c3、c6取0 MPa，c4、c5取0.4 MPa；μ=ρ/ρ0-1；ρ 為空氣當前密度，取1.29 kg/m3；ρ0為初始密度，取1.0 kg/m3；E0為單位體積內能，取2.5×102kJ/m3。

2.1.2 巖石單元

巖石單元常選取彈塑性模型模擬，這符合巖石的力學特性，當巖石單元達到破壞強度時就會破損出現裂縫。3407 工作面基本頂細砂巖的基本力學參數：抗拉強度5.98 MPa，抗壓強度65.26 MPa，彈性模量5.3 GPa，泊松比0.31，黏聚力6.1 MPa，內摩擦角38°，密度2.75×103kg/m3。

2.1.3 炸藥單元

使用JWL 狀態方程模擬炸藥爆炸后對周圍巖體的爆轟壓力作用，見式（2）。

式中：p 為爆轟產物的壓力，GPa；V 為相對體積，m3；E0為初始比內能，取4.5 GPa；A、B、R1、R2、ω為炸藥材料基本參數，A 取47.6 GPa，B 取0.529 GPa，R1取3.5，R2取0.9，ω 取1.3。

煤礦三級乳化炸藥的密度為1 100 kg/m3，爆破速度為3 200 m/s。

2.2 單個炮孔爆破模擬

使用LS-PREPOST 后處理器輸出的單個炮孔爆破時4 個不同時刻裂隙發展情況如圖4。

同時使用Fcomp 功能把對應時刻的等效應力云圖輸出，單個炮孔不同時刻等效應力波傳播圖如圖5。

由圖5 可以看出，粉碎區大約在0.1 ms 左右形成，半徑約為394 mm；裂隙區形成時間較長，大約在1.2 ms 左右形成，半徑約為1.86 m，炮孔裂隙在1.2 ms 后沒有進一步擴展。

圖4 單個炮孔不同時刻爆破裂隙發展圖Fig.4 Development diagram of blasting crack in a single gun hole at different time

圖5 單個炮孔不同時刻等效應力波傳播圖Fig.5 Equivalent stress wave propagation diagram of a single gun hole at different time

使用LS-PREPOST 軟件的History 功能輸出的距離炮孔1.75 m 處單元的時間-應力曲線如圖6。x方向上隨著時間的增長單元所受應力在0.75 ms 左右達到最大，拉應力約為15 MPa；y 方向上隨著時間的增長單元所受應力在0.85 ms 左右達到最大，拉應力約為21 MPa；這2 個方向所受的拉應力均大于基本頂細砂巖的抗拉強度，巖石遭受拉應力破壞。

2.3 3 個炮孔同時爆破模擬

圖6 距中心1.75 m 處單元時間-應力曲線Fig.6 Time-stress curves of the unit at 1.75 m from the center

使用LS-PREPOST 后處理器輸出3 個炮孔同時爆破時4 個不同時刻裂隙發展情況，炮眼間距3.5 m，3 個炮孔不同時刻同時爆破裂隙發展圖如圖7。3個炮孔同時爆破時每個炮孔的裂隙區形成時間、裂隙發展以及裂隙區半徑與單個炮孔爆破模擬結果基本類似，每個炮孔的裂隙區大概也在1.2 ms 左右形成，相鄰炮孔之間的裂隙區最后連接在一起，形成貫通裂縫，實現了預期的爆破效果。

圖7 3 個炮孔不同時刻同時爆破裂隙發展圖Fig.7 Simultaneous blasting crack development diagram of three gun holes at different time

3 爆破方案

3407 工作面炮孔布置在開切眼內靠近后幫煤柱一側的頂板上，切眼內布置36 個炮孔，兩巷道口各布置2 個炮孔；炮孔垂直高度12 m，設計仰角45°，直徑為75 mm；爆破炸藥選用煤礦三級乳化炸藥，藥卷直徑60 mm，不耦合裝藥系數1.25；根據薩道夫斯基公式計算可知1 組最多起爆3 個炮孔，封孔長度占炮孔總長度的50%以上。炮孔間距根據Mises 準則計算，在不耦合裝藥條件下得爆破裂隙區半徑為1.79 m，與爆破數值模擬結果相近，炮孔間距定為3.5 m。深孔爆破為了保證炮孔內每個藥卷都能起爆需要布置導爆索，每個導爆索上布置2 個并聯連接的雷管，孔與孔串聯連接。爆破參數見表1。

表1 爆破參數Table 1 Blasting parameters

4 應用效果

4.1 炮孔爆破效果

為檢驗爆破效果，采用TYGD10 巖層鉆孔探測儀對炮眼爆破后進行窺視。該儀器用來觀察鉆孔巖性、裂隙等情況，在顯示屏上記錄下來，爆破后孔壁裂紋擴展窺視圖如圖8。炮孔封堵段爆破前后沒有太大的變化；裝藥段爆破后裂隙明顯，淺部多是一些徑向裂隙，隨著深度的增加，裂隙多為龜裂狀。

圖8 爆破后孔壁裂紋擴展窺視圖Fig.8 Peep chart of hole wall crack growth after blasting

4.2 實施效果

深孔預裂爆破切頂后，根據礦壓觀測數據分析工作面基本頂的初次來壓步距為21.6 m，比上1 個工作面的基本頂初次來壓步距縮短9.6 m?；卷敵醮蝸韷呵案髦Ъ芷骄d荷3 265 kN/架，來壓期間各支架平均載荷5 572 kN/架，爆破切頂后支架載荷上升明顯，頂板壓力增加。初采期采煤45 840 t，頂煤采出率37.5%，比上1 個工作面多采5 600 t 煤，采出率提高14.4%。

5 結 論

1）實驗表明水對細砂巖的破壞作用很小，使用深孔預裂爆破切頂的方法才能破壞堅硬頂板。

2）3407 工作面爆破切頂后，堅硬頂板完整性遭到破壞，形成貫穿裂縫，促使基本頂初次來壓提前到來，來壓步距縮短為21.6 m，比上個工作面減少9.6 m，多采5 600 t 煤，采出率提高了14.4%。

3）堅硬頂板深孔預裂爆破切頂后，頂板及時垮落，解決了初采期堅硬頂板大面積懸頂的難題，避免了支架的沖擊載荷，甚至是頂板沖擊礦壓，預防了頂板突然垮落造成工作面有毒有害氣體異常涌出，同時增加了初采期經濟效益。