特厚煤層頂煤深孔預(yù)裂爆破技術(shù)研究

魏天樂

(河南能源化工集團(tuán)新疆公司 永寧煤化潘津工業(yè)煤礦，新疆 伊寧 835000)

目前我國大多數(shù)特厚煤層開采均采用綜采放頂煤開采技術(shù)，相對于厚煤層分層開采，該技術(shù)生產(chǎn)能力大、生產(chǎn)效率高，能顯著提高經(jīng)濟(jì)效益，放頂煤開采成功的關(guān)鍵在于頂煤的冒放性，對于冒放性較差的頂煤需要采取一定的措施來弱化頂煤，提高其冒放性。當(dāng)前頂煤弱化處理的技術(shù)主要包括深孔預(yù)裂爆破和煤層注水弱化。深孔預(yù)裂爆破弱化頂煤是通過爆破的手段來破碎頂煤，其炮孔間距、鉆孔深度、裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)等爆破參數(shù)都對預(yù)裂爆破的效果產(chǎn)生影響。因此，選擇合理的爆破參數(shù)及爆破方案對頂煤弱化效果至關(guān)重要。本文結(jié)合潘津煤礦23-25號(hào)特厚煤層的工程地質(zhì)情況，采用理論分析、數(shù)值模擬的手段等對頂煤弱化深孔爆破參數(shù)進(jìn)行研究，促進(jìn)該礦的安全、高效生產(chǎn)。

1 工程概況

潘津煤礦二采區(qū)23-25號(hào)煤層為淺埋特厚煤層，煤層厚度12.49～20.87 m，平均厚度17.03 m，該煤層采用放頂煤開采一次采全厚技術(shù)，采高為2.8 m。根據(jù)潘津煤礦23-25號(hào)煤層賦存條件可知，該煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層內(nèi)有1～6層夾矸，絕大部分區(qū)域夾矸2層，厚度均為0.3 m左右；多賦存于煤層上部，即距離支架較遠(yuǎn)；夾矸的巖性多為泥巖、炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)砂巖，強(qiáng)度大于煤層，屬于軟弱巖層。潘津煤礦23-25號(hào)煤層結(jié)構(gòu)如圖1所示。雖然整體上看，23-25號(hào)煤層頂煤基本上能隨采隨冒，冒放性較好；但為了進(jìn)一步提高頂煤放出率，避免過大的頂煤厚度在礦山壓力及支架反復(fù)支撐作用下不能及時(shí)破碎冒落，或破碎塊度太大，結(jié)合潘津煤礦23-25號(hào)特厚煤層當(dāng)前的開采條件及現(xiàn)場實(shí)際開采情況，擬采用深空預(yù)裂爆破技術(shù)弱化頂煤，提高頂煤破碎程度，進(jìn)一步提高厚頂煤的冒放性，避免頂板安全事故。本文基于潘津煤礦的煤層地質(zhì)條件、煤體的力學(xué)特性等對頂煤弱化深孔爆破參數(shù)進(jìn)行研究，制定合理的爆破方案。

圖1 潘津煤礦23-25號(hào)煤層結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of No. 23-25 coal seam in Panjin Coal Mine

2 頂煤深孔預(yù)裂爆破參數(shù)研究

2.1 深孔預(yù)裂爆破原理及爆破分區(qū)計(jì)算

煤體在爆破作用下的破壞實(shí)質(zhì)上是爆破應(yīng)力波與爆生氣體的共同作用結(jié)果[1]；藥包起爆后，炮孔壁煤體在爆轟產(chǎn)物的沖擊下壓裂，形成空腔；之后沖擊波衰減為應(yīng)力波，當(dāng)其壓力值低于煤體的抗壓強(qiáng)度時(shí)，煤體不在被壓縮破壞，而是在應(yīng)力波拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生拉伸破壞，形成初始徑向裂隙；基于巖石斷裂力學(xué)[2]可知，在應(yīng)力波的持續(xù)作用下，當(dāng)裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子大于其斷裂韌度時(shí)，初始裂紋擴(kuò)展。爆生氣體的作用滯后于應(yīng)力波的作用，但作用時(shí)間更長；爆生氣體在巖石內(nèi)部形成準(zhǔn)靜壓力場[3]，在其壓力作用下裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，直到裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子小于其巖體的斷裂韌度時(shí)，裂紋止裂。之后應(yīng)力波衰減為彈性地震波，僅對煤體產(chǎn)生擾動(dòng)。

在不耦合裝藥條件下，爆破壓碎區(qū)的半徑為[4]：

(1)

裂隙區(qū)半徑為：

(2)

彈性震動(dòng)區(qū)半徑可按式(3)估算：

(3)

式中，Rs為彈性震動(dòng)區(qū)半徑；q為單位體積頂煤爆破裝藥量。

2.2 深孔預(yù)裂爆破參數(shù)選取

(1)炸藥的選取。為使平均14 m厚頂煤達(dá)到充分預(yù)裂的效果，應(yīng)選用高威力炸藥；為避免爆炸近區(qū)形成較大的破碎區(qū)，減小爆破能量的消耗，增大裂隙區(qū)半徑，提高裂隙區(qū)應(yīng)力波能量，延長作用時(shí)間，在保證炸藥威力的前提下，應(yīng)選用猛度較低的炸藥。因此，選用二級(jí)煤礦許用乳化炸藥。該炸藥的密度為1 000 kg/m3，炸藥爆速為3 600 m/s。

(2)炮孔參數(shù)與不耦合系數(shù)的確定。徑向不耦合裝藥時(shí)，由于藥包與孔壁間空氣(或水)的存在，爆炸沖擊波和爆生氣體不直接作用于孔壁，而是先對空氣介質(zhì)進(jìn)行壓縮，再由空氣介質(zhì)向巖石中傳遞爆炸能量；降低了沖擊波峰值，孔壁能量分布更均勻，減小了壓碎區(qū)及近區(qū)裂紋數(shù)，延長了爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)作用時(shí)間，使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。根據(jù)前人的理論分析以及研究結(jié)果[5]，同時(shí)考慮到導(dǎo)爆索的影響，K=1.2～1.3比較合理，最終的取值通過數(shù)值分析確定。

(3)封孔及炮孔裝藥結(jié)構(gòu)。封孔長度影響著裝藥爆炸的作用效果，當(dāng)封孔長度太短時(shí)，由于炸藥破壞能力大于煤體抗爆力而容易產(chǎn)生拋擲漏斗，甚至發(fā)生沖炮現(xiàn)象；當(dāng)封孔長度過長時(shí)，炸藥的破壞能力小于煤體抗爆力，產(chǎn)生爆破威力不足，難以達(dá)到較好的預(yù)裂效果。因此需要確定合理的封孔長度與裝藥長度，一般情況下為20%～35%。

(4)起爆方式。為防止深孔預(yù)裂爆破拒爆、殉爆的發(fā)生，提高爆破效果，采用孔底反向起爆，同時(shí)采用雙電雷管引爆導(dǎo)爆索、導(dǎo)爆索再引爆炸藥的引爆方式；爆破采用一次裝藥，分段毫秒延時(shí)爆破。

2.3 深孔預(yù)裂爆破參數(shù)數(shù)值分析

為選擇合理的徑向不耦合系數(shù)及封孔長度，采用通用非線性動(dòng)力分析軟件LS_DYNA研究不耦合系數(shù)、封孔長度對深孔預(yù)裂爆破效果的影響。爆破模擬采用任意拉格朗日—?dú)W拉(ALE)算法，單孔臺(tái)階爆破數(shù)值建模過程中，分別建立炸藥、煤體、黃土(堵塞物質(zhì))、以及空氣的準(zhǔn)二維實(shí)體模型[6]，模型尺寸為700～1 000 cm，為簡化計(jì)算模型，模型中炮孔長度取500 mm；模型四周采用無反射邊界條件。煤體采用lagrange算法，炸藥、空氣、堵塞物質(zhì)采用多物質(zhì)ALE算法，通過流固耦合定義炸藥和煤體的接觸關(guān)系；模擬中采用HJC模型[7]來模擬煤體爆破過程，煤體的力學(xué)參數(shù)為：密度為1 280 kg/m3，煤體中的聲速為2 100 m/s，泊松比為0.325 6，單軸抗壓強(qiáng)度為13.305 2 MPa、單軸抗拉強(qiáng)度為0.875 4 MPa。模擬中藥包采用多點(diǎn)起爆、底部起爆的方式。數(shù)值模擬方案見表1。

表1 爆破數(shù)值分析方案Tab.1 Analysis scheme of blasting numerical

各爆破方案煤體損傷如圖2所示，通過方案1與其他方案對比發(fā)現(xiàn)，由于采用不耦合裝藥，煤體爆破損傷區(qū)域明顯增大，說明不耦合裝藥能有效利用爆炸能量，提高爆破的效果。

對比方案2、方案3及方案4，可以看出雖然總的煤體損傷區(qū)域沒有明顯改變，但隨著封孔長度的增加，煤體損傷度D大于90%的紅色區(qū)域(可近似看作煤體的壓碎區(qū))面積減小，與方案2相比，方案3壓碎區(qū)范圍減少較少，但方案4壓碎區(qū)范圍減少明顯；炮孔封孔段煤體損傷程度較小，且封孔長度越大，其低損傷區(qū)域面積越大；因此為了充分利用爆炸能量，又不影響孔底段煤體的預(yù)裂效果，綜上選取封孔系數(shù)為0.25。圖3為方案2、方案5及方案6炮孔壁測點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線，測點(diǎn)位置均為炮孔中段孔壁，從圖中可以看出，不同方案炮孔壁的壓力變化趨勢相同，但隨著不耦合系數(shù)的增大，炮孔壁受到的爆炸壓力峰值載荷不斷減小；從圖2中發(fā)現(xiàn)，隨著不耦合系數(shù)的增大，煤體壓碎區(qū)的面積不斷減小，但由于方案2和方案3所選不耦合系數(shù)較為接近，導(dǎo)致煤體總的損傷區(qū)域變化不明顯，但方案6的損傷區(qū)域有明顯減小，這是由于爆炸能量過多地消耗在氣體上，影響裂隙發(fā)育；綜上選擇不耦合系數(shù)為1.25。

圖3 炮孔壁測點(diǎn)壓力時(shí)程曲線Fig.3 Pressure time history curve of borehole wall measuring point

2.4 深孔預(yù)裂爆破參數(shù)確定

根據(jù)潘津煤礦23-25號(hào)煤層地質(zhì)條件、煤體力學(xué)特性及數(shù)值分析結(jié)果，確定藥包直徑50 mm，理論計(jì)算炮孔直徑為62.5 mm，實(shí)際取62 mm，藥包規(guī)格為50 mm×580 mm；軸向無空氣柱，取le=1.0，封孔系數(shù)選取0.25。并將以上參數(shù)代入式(1)—式(2)，計(jì)算得到爆破下頂煤破碎區(qū)半徑、裂隙區(qū)半徑分別為0.836 4、3.942 6 m，彈性震動(dòng)區(qū)半徑約5.6 m。裂隙區(qū)范圍內(nèi)的煤體破碎效果即可滿足頂煤達(dá)到預(yù)裂的目的，即取裂隙區(qū)半徑為頂煤爆破有效破壞半徑等；結(jié)合超前支承壓力的影響，并考慮鉆孔平行布置，取炮孔間距為8 m。裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)Fig.4 Charge structure diagram

3 頂煤預(yù)裂爆破方案

深孔頂煤爆破預(yù)裂卸壓的關(guān)鍵在于通過爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波動(dòng)態(tài)效應(yīng)和爆生氣體的“氣楔”作用，使頂煤產(chǎn)生預(yù)裂隙，并非崩落煤體，而是破壞其整體連續(xù)性、高應(yīng)力及能量積聚和連續(xù)傳遞的條件，同時(shí)隨著工作面的推進(jìn)，使頂煤在超前支承壓力及支架初撐力作用下能及時(shí)冒落，達(dá)到提高頂煤破碎度、減小頂煤冒落塊度的目的。為此，鉆孔施工位置應(yīng)布置于工作面前方超前支承壓力影響范圍內(nèi)，并根據(jù)周期來壓的頂板監(jiān)測預(yù)警結(jié)果，合理適時(shí)選擇爆破時(shí)機(jī)。本文在此提出了兩巷超前預(yù)裂深孔爆破的頂煤預(yù)裂方案，該方案巷道掘進(jìn)量少，對頂煤爆破效果好。

兩巷超前深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置平剖面如圖5所示。為避免打鉆作業(yè)與兩巷運(yùn)煤運(yùn)料作業(yè)相互干擾，同時(shí)為方便鉆孔以更好的角度進(jìn)入頂煤當(dāng)中，提高爆破效果，設(shè)計(jì)了兩巷頂煤鉆場，如圖5(b)所示，在每段來壓區(qū)域，提前向兩巷煤壁側(cè)頂煤內(nèi)部掘鉆場硐室，在鉆場硐室內(nèi)進(jìn)行預(yù)裂爆破鉆孔的施工作業(yè)。此外，當(dāng)現(xiàn)場施工困難、工程量較大、兩巷運(yùn)輸作業(yè)與鉆孔爆破作業(yè)干擾較小時(shí)，可進(jìn)一步簡化爆破鉆孔布置方式，采用直接在巷幫進(jìn)行打孔作業(yè)的方式，如圖5(c)所示，普通鉆場對鉆孔施工質(zhì)量與裝藥封孔質(zhì)量要求較高，實(shí)施過程中要精確控制鉆孔角度、長度、裝藥位置、封孔長度等參數(shù)。兩巷超前深孔預(yù)裂爆破措施采用雙側(cè)底層巷布孔法布置，沿工作面推進(jìn)方向孔間距為8 m，每個(gè)鉆場布置3個(gè)炮孔，炮孔參數(shù)見表2。

圖5 兩巷超前深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置Fig.5 Layout of two roaday advanced deep hole presplitting blasting drilling

表2 炮孔爆破措施主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of blast hole blasting measures

4 爆破現(xiàn)場監(jiān)測

在潘津煤礦2301綜放工作面應(yīng)用設(shè)計(jì)的爆破方案后，為了觀察頂煤爆破后的弱化效果，在工作面回風(fēng)巷布置了位移實(shí)測鉆孔，測點(diǎn)的布置如圖6所示。在工作面回風(fēng)巷道的預(yù)裂爆破區(qū)和未爆破區(qū)內(nèi)打了不同高度的 4 個(gè)鉆孔，在鉆孔內(nèi)裝入位移傳感器。在工作面的采動(dòng)過程中，觀測記錄頂煤的位移變化，各測點(diǎn)頂煤位移量如圖7所示，從圖7可以發(fā)現(xiàn)，爆破弱壞頂煤以后，隨著工作面的推進(jìn)，頂煤的位移量大于未爆破區(qū)，冒落的效果明顯好于未爆破區(qū)；說明深孔預(yù)裂爆破能有效地弱化頂板。

圖6 位移監(jiān)測點(diǎn)Fig.6 Displacement monitoring points

圖7 不同測點(diǎn)頂煤位移量Fig.7 Displacement of top coal at different measuring points

頂板弱化之后，采用一刀一放雙輪間隔放煤、放煤步距0.6 m的采放工藝。在現(xiàn)有設(shè)備情況下，采高3 m、長90 m工作面的特厚煤層綜放開采當(dāng)中，采用頂煤深孔預(yù)裂爆破、采放工藝優(yōu)化、減少初末采及端頭損失等措施，采區(qū)采出率統(tǒng)計(jì)后可以達(dá)到了82.5%，滿足《煤礦安全規(guī)程》對厚煤層采出率達(dá)到75%的要求。

5 結(jié)論

(1)本文以潘津煤礦二采區(qū)23-25號(hào)煤層具體工程地質(zhì)條件為背景，為了使厚14 m的頂煤充分冒落，進(jìn)一步提高頂煤放出率，提出采用深孔預(yù)裂爆破的方式來弱化頂煤。

(2)基于前人的研究，分析了深孔預(yù)裂爆破的原理及爆破作用下煤體的分區(qū)特性，對深孔預(yù)裂爆破參數(shù)進(jìn)行了合理的優(yōu)化，并利用ANSYS_LSDYNA數(shù)值分析軟件分析了不耦合系數(shù)及封孔系數(shù)對煤體爆破損傷的影響，確定不耦合系數(shù)為1.25，封孔系數(shù)為0.25；依據(jù)最終確定的參數(shù)計(jì)算得到爆破下頂煤破碎區(qū)半徑、裂隙區(qū)半徑分別為0.836 4、3.942 6 m，彈性震動(dòng)區(qū)半徑約5.6 m，并確定炮孔間距為8 m。

(3)提出了兩巷超前預(yù)裂深孔爆破的頂煤預(yù)裂方案，為避免鉆孔施工與輔運(yùn)巷道相互干擾，提高鉆孔作業(yè)的效率，設(shè)計(jì)了兩巷頂煤鉆場；而在現(xiàn)場施工困難、工程量較大時(shí)仍然使用普通鉆場，并給出了具體的炮孔布置參數(shù)。在現(xiàn)場工程實(shí)踐中，對頂煤位移進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)爆破區(qū)頂煤的位移明顯增大，冒落效果好。

(4)礦山通過深孔預(yù)裂爆破頂煤弱化技術(shù)，使綜放工作面的煤炭采出率達(dá)到了82.5%，并且有效地預(yù)防了頂板災(zāi)害的發(fā)生，為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)利益的同時(shí)，促進(jìn)了礦山的安全、高效生產(chǎn)。