堅(jiān)硬頂板預(yù)裂爆破模擬分析與研究

崔廣甲,秦 陽(yáng),臧 濤,趙 凱

(山東方大工程有限責(zé)任公司，山東 淄博 255150)

煤炭是重要的工業(yè)原料,然而在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中往往存在著諸多的安全隱患,其中頂板事故是造成傷亡較多的隱患之一。當(dāng)煤層上方有堅(jiān)硬頂板時(shí),更易發(fā)生頂板事故[1-2]。這主要是由于堅(jiān)硬頂板的整體性好,不易斷裂,且上方的巖石比較堅(jiān)硬,往往形成一個(gè)整體,當(dāng)工作面不斷向前推進(jìn)時(shí),堅(jiān)硬頂板不會(huì)及時(shí)陷落,從而形成安全隱患[3-4]。因此,需要對(duì)堅(jiān)硬頂板加以防控。

堅(jiān)硬頂板預(yù)裂爆破是對(duì)堅(jiān)硬頂板加以防控的有效措施之一。堅(jiān)硬頂板爆破的目的是利用爆炸產(chǎn)生的能量破壞頂板的完整性,使頂板能夠及時(shí)坍塌,降低因大面積冒落造成的潛在風(fēng)險(xiǎn)[5]。普通爆破與堅(jiān)硬頂板預(yù)裂爆破的目的和環(huán)境有所差別,因此,在對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行爆破時(shí),應(yīng)解決以下問(wèn)題:應(yīng)進(jìn)一步探索預(yù)裂機(jī)理,理論分析是否正確將會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)和仿真結(jié)果產(chǎn)生直接影響;炮孔間距、炮孔直徑和不耦合系數(shù)等爆破參數(shù)需要經(jīng)過(guò)科學(xué)的理論分析才能確定。

1 預(yù)裂爆破成縫機(jī)理

預(yù)裂爆破的實(shí)質(zhì)是在預(yù)裂孔連接線方向形成一條具有一定寬度,且對(duì)周圍巖石損傷不大的貫通縫隙,貫通縫隙一般是由爆裂氣體和爆裂應(yīng)力波兩種因素共同作用產(chǎn)生的。在爆裂應(yīng)力波的作用下炮孔壁會(huì)形成環(huán)向裂紋和徑向裂紋,但因?yàn)閺较蛄鸭y擴(kuò)張所需要的能量比環(huán)向裂紋少,所以在爆裂氣體壓力作用下,徑向縫隙將會(huì)首先擴(kuò)展[6]。因此,裂隙將沿相鄰炮孔的連線方向繼續(xù)擴(kuò)展,其他方向的裂隙擴(kuò)展較小[7-8]。之后,由于爆炸產(chǎn)生的氣體在狹小的孔內(nèi)膨脹,形成氣楔進(jìn)入裂縫,使得縫隙進(jìn)一步擴(kuò)大,這便是“氣刃效應(yīng)”。同時(shí),因?yàn)楸褢?yīng)力波的毀傷作用,受損的巖體會(huì)在準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)和原巖應(yīng)力場(chǎng)的相互作用中產(chǎn)生二次裂隙擴(kuò)展,斷裂過(guò)程如圖1所示[9]。

圖1 巖石斷裂過(guò)程Fig.1 Rock fracture process

2 爆破參數(shù)設(shè)置

煤礦位于伊金霍洛旗札薩克鎮(zhèn)和紅慶河鎮(zhèn)境內(nèi),3-1煤層煤種為不黏煤,該煤層位于延安組的三巖段(J1-2y3),全區(qū)賦存,3-1402工作面賦存標(biāo)高為+676～+720 m,平均698 m,傾角1°～3°。402工作面煤層的頂板巖石特征如表1所示。

表1 402工作面頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor of 402 working face

2.1 炸藥參數(shù)

炸藥爆轟的產(chǎn)物體積和所受壓力的關(guān)系如下:

(1)

表2 炸藥參數(shù)Table 2 Explosive parameters

2.2 硬質(zhì)PVC管參數(shù)

PVC管參數(shù)如表3所示,爆破初期采用*mat-elastic模擬聚能管,爆破后期采用*mat-add-erosion準(zhǔn)則模擬失效。

表3 PVC管參數(shù)Table 3 PVC parameters

3 爆破數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

使用ANSYS/LS-DYNA分別建立了V型刻槽、切縫藥包和不耦合裝藥三種爆破模型[10],如圖2所示。模型幾何尺寸如表4所示。

圖2 爆破數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of blasting

表4 模型幾何尺寸Table 4 Geometric dimension of models

3.2 不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破對(duì)炮孔壁應(yīng)力的影響

圖3中對(duì)A處和C處進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),兩個(gè)點(diǎn)所受應(yīng)力差別不大,證明當(dāng)不耦合系數(shù)為1.59時(shí),在C處V型刻槽孔沒(méi)有較大的應(yīng)力變化。將圖3的A處和E處進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),E處的應(yīng)力小于A處的應(yīng)力,證明當(dāng)不耦合系數(shù)相同時(shí),切縫藥包定向斷裂爆破產(chǎn)生的效果對(duì)孔壁的損壞更小。通過(guò)對(duì)A、B、D三處進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),B和D兩處的應(yīng)力值均遠(yuǎn)超A處,這證明當(dāng)裝藥量和不耦合系數(shù)相同時(shí),使用定向爆破的方式能夠增加炮孔間的距離。對(duì)比圖3(a)、3(b)、3(c)發(fā)現(xiàn)，與V型刻槽斷裂爆破相比,切縫藥包定向斷裂爆破對(duì)炮孔孔壁的作用力更小,說(shuō)明切縫藥包定向斷裂爆破用于成縫的能量比V型刻槽斷裂爆破多,爆破效果也更好。

(a)V型刻槽爆破模型受力示意圖

(b)切縫藥包爆破模型受力示意圖

(c)不耦合裝藥爆破模型受力示意圖圖3 不同測(cè)點(diǎn)壓力變化圖Fig.3 Pressure variation at different measuring points

4 切縫藥包定向斷裂爆破模擬

4.1 徑向不耦合裝藥系數(shù)的確定及模擬

爆炸發(fā)出高溫高壓氣體的作用時(shí)間和強(qiáng)度決定了炮孔初始裂隙形成的大小。當(dāng)徑向不耦合裝藥系數(shù)過(guò)大時(shí),切縫的寬度會(huì)相應(yīng)增大,炮孔孔壁上受到氣體射流影響的面積會(huì)增加,受到的強(qiáng)度會(huì)降低;當(dāng)徑向不耦合裝藥系數(shù)過(guò)小時(shí),裂隙受到氣體射流作用的時(shí)間將會(huì)減小,裂隙的發(fā)展將會(huì)受到影響。因此,徑向不耦合裝藥系數(shù)太大或者太小都會(huì)對(duì)初始裂隙的發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響[11-12]。在模擬過(guò)程中,切縫開口寬度取8 mm,炮孔直徑取90 mm,硬質(zhì)PVC管的厚度取2 mm,所得結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)可以看到，在時(shí)間t=6.996 1×10-6s時(shí),由于爆炸產(chǎn)生的氣流,迅速?zèng)_出裂縫,形成射流；圖4(b)可知,當(dāng)時(shí)間在t=8.496 2×10-6s時(shí),氣流到達(dá)孔壁；當(dāng)時(shí)間t=8.496 2×10-6～11.499 0×10-6s(圖4(c))時(shí),縫隙處的切應(yīng)力比較集中,頂板巖石無(wú)法承受巨大的剪切力差,從而形成裂縫。

(a)t=6.996 1×10-6 s時(shí)的應(yīng)力云圖

(b)t=8.496 2×10-6 s時(shí)的應(yīng)力云圖

(c)t=11.499 0×10-6 s時(shí)的應(yīng)力云圖圖4 炮孔不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of blast borehole at different time

4.2 切縫寬度的確定

為保證模擬的合理性,選取厚度為2 mm、徑向不耦合系數(shù)為2.81的PVC管,同時(shí)控制其他條件不變,對(duì)切縫分別為4,6,8 mm的情況進(jìn)行模擬。如圖5所示,得到同一位置不同切縫寬度的應(yīng)力值(A、B、C測(cè)點(diǎn)),觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)切縫寬度為6 mm時(shí),爆破能產(chǎn)生較大的應(yīng)力,爆破效果最好。綜合上述情況考慮,在此選取厚度為6 mm的硬質(zhì)PVC管。

(a)三種不同切縫寬度模型

(b)A、B、C點(diǎn)的應(yīng)力曲線圖圖5 三種不同切縫寬度模型及其應(yīng)力曲線圖Fig.5 Three different slit width models and stress curves

5 普通不耦合裝藥下炮孔間距模擬

在普通不耦合裝藥條件下,通過(guò)計(jì)算設(shè)定此次模擬的炮孔間距為5.5 m,并選取距離炮孔0.55,1.10,1.65,2.20,2.75 m處的最大應(yīng)力分別與頂板巖石抗拉強(qiáng)度進(jìn)行比較,從而驗(yàn)證本次試驗(yàn)選取的炮孔間距是否合適。

為了分析頂板的應(yīng)力,如圖6所示,沿炮孔方向分別布置A、B、C、D、E五個(gè)測(cè)量點(diǎn),分別距離炮孔0.55,1.10,1.65,2.20,2.75 m,測(cè)量處的應(yīng)力變化如圖7所示。

圖6 距爆破孔不同位置處測(cè)點(diǎn)分布Fig.6 Distribution of measuring points at different positions from blasting boreholes

通過(guò)分析圖7可知,在爆破孔A點(diǎn)的0.5 m內(nèi),爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于巖石的抗壓強(qiáng)度,所以周圍巖石由于爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波基本都處于完全破碎狀態(tài)。應(yīng)力波不斷擴(kuò)展,峰值會(huì)一直降低,而B、C、D、E點(diǎn)的最高應(yīng)力則依次降低,小于頂板抗壓強(qiáng)度,因此爆破產(chǎn)生的影響范圍大約為0.5～1.0 m。而頂板巖石的抗拉強(qiáng)度為5.94 MPa,由模擬結(jié)果可知,A、B、C、D、E各點(diǎn)的最大拉應(yīng)力分別為18.6,13.4,18.5,15.7,21.6 MPa,5個(gè)點(diǎn)均大于402工作面頂板巖層的抗拉強(qiáng)度,證明炮孔之間的裂縫已貫穿,所以此次爆破的炮孔間距取5.5 m是合適的。

圖7 距爆破孔不同位置處測(cè)量點(diǎn)應(yīng)力曲線Fig.7 Stress curves of measuring points at different positions from blasting borehole

6 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)比三種模擬爆破方式可知,當(dāng)裝藥量和不耦合系數(shù)都相同時(shí),采用定向斷裂爆破的方法可以增大炮孔間距。結(jié)果表明,切縫藥包定向斷裂爆破用于成縫的能量比V型刻槽斷裂爆破多,爆破效果亦更好。

2)當(dāng)切縫寬度為6 mm,PVC管壁厚度為2 mm,徑向不耦合系數(shù)為2.81時(shí)切縫藥包定向斷裂爆破效果達(dá)到最佳。

3)在與炮孔間隔2.75 m處所測(cè)得的最大拉應(yīng)力高于頂板巖層的抗拉強(qiáng)度,所以兩個(gè)炮孔間的裂縫已經(jīng)互相貫穿,故此次爆破的炮孔間距取5.5 m是合適的。