爆破切顶合理炮孔间距的应用研究.pdf

总第2 11期2023年第8 期技术应用摘要：为解决坚硬顶板难垮难落的问题，对爆破切顶卸压技术进行研究，利用数值模拟软件对不同炮孔间距下围岩爆破效果进行分析，确定最佳炮孔间距为7 0 0 mm时，应力压应力区域能够有效叠加，爆破效果最佳。对爆破切顶进行现场应用分析，发现切顶后顶底板移近量及两帮变形量分别减小了7 1.2%和6 4.3%，预裂爆破效果明显，为矿井安全开采提供一定的参考。关键词：数值模拟；炮孔间距；爆破切顶；围岩变形中图分类号：TD2350引言我国作为煤炭大国，年产煤量位居世界第一，据统计，在我国一次能源消耗占比中，煤炭资源占比超过7 0%，由此可以看出煤炭资源在我国的重要作用。由于多年煤炭资源的开采,赋存较为简单的煤层已经逐步完成开采，目前开采的重点向着赋存较为复杂的煤层转移。坚硬顶板是指煤层上覆岩层为坚硬岩层，在进行煤炭资源开采过程中，坚硬顶板无法实现随采随落的目的，而是形成较大面积的悬顶，此时如果悬顶一旦发生垮落，则会造成巨大的冲击载荷，同时悬顶不发生垮落会造成顶板覆岩应力增大，这对巷道支护也会造成一定的影响。因此,如何解决坚硬顶板问题成为了目前矿井开采的重要研究课题 1-1。目前针对坚硬顶板有爆破切顶法、水力切顶法和静力切顶法，三种方法均是通过对岩石进行预裂，使之承载力下降,从而实现随采随落的目的。目前我国最为常用的坚硬顶板解决方法为爆破切顶法，所以本文基于前人的研究 3-4 ,对爆破切顶参数及可行性进行研究,为后续坚硬顶板的治理提供一定的参考，为矿并正常生产提供一定的依据。1最佳炮孔间距分析在进行爆破切顶卸压操作施工时，炮孔间距是重要的参数,其对爆破效果起着至关重要的作用，当炮孔间距过大,此时炮孔间的影响区域无法有效连接，此时就无法形成贯通预裂面,无法达到预裂爆破的效果；而当炮孔间距过小时，此时虽然能够形成贯通裂隙，但放药成本增大，同时由于炸药量较多使得岩石过于破碎,此时对巷道的安全开采会造成一定的影响。综合看来，合理的炮孔间距十分重要。爆破对岩石压力及破碎的作用机理由两部分组成，分别为应力波与爆轰气体准静态压力，理论计算两者的理论炮孔间距如下式所示：收稿日期：2 0 2 2-10-10作者简介：段树成（198 8 一），男，山西平顺人，毕业于中国矿业大学（北京)采矿工程专业，工程师，主要从事煤矿物资采购管理工作。山西冶金ShanxiMetallurgy爆破切顶合理炮孔间距的应用研究段树成（山西煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司，山西临汾0 4 10 0 0）文献标识码：A8PoD2n(d),Xdb1a2=2r,(.式中：ai、a 分别为应力波和爆轰气体下炮孔间距,m;r,为b孔炮孔半径,mm;o,为岩石单轴抗拉强度,取3.92MPa;P2为炮孔壁初始压力峰值,MPa;p。为炸药密度,取1150 kg/m;D为炸药爆速,取4 0 0 0 m/s;n为压力增大倍数，取10;b为侧应力系数，取0.2 5;为衰减指数，取1.7 5;d。、d 分别为c炮孔、b炮孔的直径,皆取 50 mm。将上述数值带人公式可以得出，ai、a 2 分别为0.56m和0.3 2 m,P2=1073MPa。按照爆轰气体准静态压力与应力波共同作用原理得出炮孔间距为0.8 8 m，后续采用数值模拟进行炮孔间距的优化。在进行爆破切顶卸压时,炸药会以波的形式对岩石进行冲击，在冲击波作用下使岩石出现微裂隙，爆轰气体对微裂隙进行冲击，裂缝发育扩展。为了对模型进行数值模拟，选用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件进行模拟，模拟单位采用cm、g、s,模拟的岩性选用细砂岩，且各项同性。对模型进行边界条件设定，固定模型底面、侧面约束。模型采用尺寸4 0 0 0 cm3000cm600cm岩石，对模型进行网格划分，网格选用六面体网格，划分完成后共计13 2 2 4 个单元，12354个节点。完成模型建立后，对模型合理的炮孔间距进行模拟分析，炮孔间距选定为50 0 mm、6 0 0 mm、700mm、8 0 0 mm，单孔装药量取9kg,炮孔长度取2 5m，炮孔角度取15，介质选择空气。如图1所示为时间700s时不同炮孔间距下爆破应力云图。从图1模拟图中可以看出，在相同爆破时间下，Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.081文章编号：16 7 2-1152(2 0 2 3)0 8-0 2 0 4-0 2a=2r;(bp2)*,P2=2023年第8 期段树成：爆破切顶合理炮孔间距的应用研究2054.776e+043.821+043.3436+041-1炮孔间距50 0 mm4.6148+04152-043.6914+041-3炮孔间距8 0 0 mm图1不同炮孔间距下应力(kPa）云图此时整体的分布趋势大致相似，可以得出不同爆孔间距下的裂缝的扩展方式类似,在同一时刻下，炮孔间距越小，此时爆破爆轰气体对围岩的作用效果明显，而随着炮孔间距的增大，此时爆轰气体作用减弱。当时刻为t=700s,在炮孔间距6 0 0 mm时，爆破形成的压应力叠加区的面积较大，此时压应力叠加，但在叠加区域内围岩破碎严重，对安全造成一定的威胁，同时由于炮孔间距较小，此时装药量增大，爆破成本增加。当炮孔间距为8 0 0 mm时，此时两炮孔爆破形成的压应力区域未能有效叠加，裂缝无法得到有效贯通，所以未达到切顶的目的。当炮孔间距为7 0 0 mm时，此时的两炮孔间的压应力区域能够有效叠加，但叠加区域小于炮孔间距6 0 0 mm，此时围岩既没有过分破碎,同时裂缝能够贯通，能够起到有效切顶的作用。因此经综合对比可以看出,最佳孔间距在7 0 0 mm时，爆破效果最佳。根据不同间距下爆破模拟结果进行爆破效果分析,如图 2 所示。806040200图2 不同爆破间距下应力曲线从图2 可以看出，随着爆破时间的增大,岩石受到的峰值应力呈现先增大后减小的趋势，当炮孔间距为50 0 mm时，此时的岩石应力峰值为8 2.7 MPa;增大炮孔间距至6 0 0 mm时，此时岩石应力峰值为7 6.3 MPa；4.5139+04.06514+043.6109+043.159e4041-2炮孔间距6 0 0 mm6.885e+96.196+005.506+04.819e+041-4炮孔间距8 0 0 mm500mm-600mmA-700mm-800mm5001 000时间/us增大炮孔间距为7 0 0 mm和8 0 0 mm时，岩石应力峰值分别为7 2.6 MPa、55.2 M Pa。炮孔间距越小，爆破越剧烈，此时岩石破坏明显。炮孔间距为50 0 mm、6 0 0 m m时，岩石的抗压强度小于应力峰值，此时的炮孔裂隙贯通，但炮孔连线岩石损伤较大，会出现较大面积的破坏;炮孔间距为8 0 0 mm时,此时炮孔中点连线存在岩石破裂；当炮孔间距为7 0 0 mm时,此时的应力峰值略大于岩石的抗压强度，裂隙刚好贯通，在达到切项爆破目的的同时经济成本最佳。2应用分析根据模拟结果,结合现场地质确定预裂爆破参数，参数设定如下：炮孔长度2 5m，炮孔间距为7 0 0 mm，单孔装药量为9kg，封孔长度为5m，不耦合系数为1.56。对此爆破参数下的爆破效果进行分析，分析巷道两帮及顶底板变形量，采用十字布点法进行检测，检测结果如图3 所示。顶底板移近量顶板沉降量底鼓变形量-120-100-80-60-40-20到煤壁距离/m3-1巷道顶底板变形60+两帮移近量帮鼓量墙移量50401302010-120-100-80-60-40-2002040到煤壁距离/3-2巷道两帮变形图3 老巷道围岩变形曲线从图3 中可以看出，经过爆破切顶后，顶板的变形量为16 0 mm，巷道底板变形量为3 0 mm，顶底板移近量约190 mm。观测切顶后巷道两帮的变形情况可以看出，两帮的移近量为52 mm。相较于未切顶卸15002.000200150100-50压时的顶底板移近量及两帮变形量分别减少了71.2%和6 4.3%，预裂爆破效果明显。所以在最佳炮孔间距7 0 0 mm下,围岩裂隙能够有效贯通,切顶效果较好。3结论1)对不同炮孔间距下巷道围岩（下转第2 0 8 页）2040山西冶金208E-mail:第4 6 卷期未检测到瓦斯;随着工作面向前推进,采空区面积不断扩大，顶板裂隙发育充分，裂隙高度逐渐增大，裂隙与定向钻孔导通，此时定向钻孔检测到瓦斯,瓦斯抽采浓度显现并逐渐达到稳定状态；随着工作面的推移,定向钻孔所处层位逐渐降低，由裂隙带进入冒落带，冒落带会有空气进入钻孔，会导致钻孔瓦斯浓度逐渐下降，流量逐渐上升。工作面靠近8 号钻场期间回风流瓦斯浓度由0.4 5%下降至0.2 8%、上隅角瓦斯浓度由0.51%下降至0.3 2%。5结论通过介绍高位定向水平长钻孔特点、合理确定钻孔布置应参照的关键参数，对比分析了3 3 0 7 工作面回采过程中回风顺槽8 号钻场3 个高位定向水平长Application Practice of High Position Directional Horizontal Long Borehole Gas Extraction(Dayang Coal Mine Branch,Shanxi Lanhua Technology Entrepreneurship Co.,Ltd.,Jincheng ShanxiAbstract:In order to solve the problem of gas concentration exceeding the limit in the return air flow and around the upper corner duringthe mining process of the 3307 working face in Dayang Coal Mine,high-precision gas extraction was carried out within the height range ofthe goaf caving zone and fracture zone development using high-level directional horizontal long driling.Taking three high-level directionalhorizontal long boreholes in the No.8 drilling site of the 3307 working face as examples,the gas extraction effect of high-level directionalhorizontal long boreholes was analyzed.During the period when the working face was close to the No.8 drilling site,the gas volume fractionof the return air flow decreased from 0.45%to 0.28%,and the gas volume fraction of the upper corner decreased from 0.51%to 0.32%Key words:high-level directional level;return air flow;upper corner;gas extraction;height of the three belts（上接第2 0 5页）爆破应力云图进行分析，发现当炮孔间距为7 0 0 mm时，此时的应力压应力区域能够有效叠加，爆破效果最佳。2)炮孔间距为7 0 0 mm时，此时的应力峰值略大于岩石的抗压强度,裂隙刚好贯通，在达到切项爆破目的的同时经济成本最佳。3)相较于未切顶卸压时的顶底板移近量及两帮变形量分别减少了7 1.2%和6 4.3%，预裂爆破效果明