基于深孔预裂爆破的厚硬顶板控制实践.pdf

工矿自动化 In d ust r y a n d Min e Aut o ma t io n 第45卷第12期 2019年12月 Vo l . 45 No . 12 Dec . 2019 i分析研究t 文章编号1671-251X201912-0001-07 DOI10. 13272/j. issn . 1671 -251x. 2019100029 基于深孔预裂爆破的厚硬顶板控制实践 刘啸 1.煤科集团沈阳研究院有限公司辽宁抚顺113122 2. St a t e Key La bo r a t o r y o f Co a l Min e Sa f et y Tec h n o l o g y , CCTEG Sh en y a n g Resea r c h In st it ut e, Fush un 113122, Ch in a; 3. St a t e Key La bo r a t o r y o f Min in g Respo n se a n d Disa st er P r ev en t io n a n d Co n t r o l in Deep Co a l Min e, An h ui Un iv er sit y o f Sc ien c e a n d Tec h n o l o g y , Hua in a n 232001, Ch in a Abstract In v iew o f pr o bl em o f st r o n g min e pr essur e o n w o r kin g f a c e w it h t h ic k a n d h a r d r o o f , t a kin g 11313 w o r kin g f a c e o f P a n bei Min e a s en g in eer in g ba c kg r o un d , ba sed o n t h eo r et ic a l a n a l y sis o f br ea ka g e c h a r a c ,er is ic s o f ma in r o o f , d eep-h o l e pr e-spl i,in g bl a s,in g sc h eme o f ,h ic k a n d h a r d ma in r o o f w a s f o r mul a t ed ,a n d st r ess ev o l ut io n l a w o f sur r o un d in g r o c k un d er d ifer en t t h ic kn e ss o f d eep-h o l e pr e- spl itin g b l a s t in g a n d d ist r ib ut io n o f a d v a n c in g a but men t pr ess ur eun d er efec t iv et h ic kn ess o f d e ep-h o l e pr e-spl itin g bl a st in g w er e st ud ied by n umer ic a l simul a t io n . Th e simul a t io n r e sul t s sh o w t h a t st r ess a r c h r o t a t est o t h esid eo f t r a n spo r t r o a d w a y ,st r essa r c h h e ig h t in c r ea sesw it h t h e in c r ea seo f bl a st in g t h ic kn ess a n d st r ess a r c h sh a pe c h a n g ed f r o m spo o n t o el l ipse. Wh en t h ic kn ess o f ma in r o o f pr e -spl it t in g bl a st in g is 12 m,in f l uen c e r a n g eo f a d v a n c in g a but men t pr e ssur e a n d d ist a n c ebe t w ee n pea ka but men t pr e ssur e a n d c o a l w a l l o f t h e w o r kin g f a c e in c r ea se b y 8. 5 m a n d 18. 8 m r espec t iv el y c o mpa r ed w it h t h a t bef o r e t h e bl a s,in g ,a n d a d v a n c in g a bu,men ,pr essur ec o n c en ,r a ,io n c o efic ie n ,d ec r ea sef r o m1.67bef o r ebl a s,in g ,o 1.3a f ,e r b l a s ,in g .Th e f ie l d mo n io r in g r e s ul ,s s h o w ,h a ,a f ,e r ,h e pr e -s pl i,in g b l a s in g o f ,h ic ka n d h a r d 收稿日期收稿日期2019-10-15;修回日期修回日期 2019-12-13；责任编辑责任编辑盛男。 基金项目基金项目国家自然科学基金资助项目51774010。 作者简介作者简介刘啸1987 ,男，安徽寿县人，助理研究员，博士研究生，主要从事矿山压力与岩层控制研究工作,E-ma ill sjzl 990163. c o m。 引用格式引用格式刘啸.基于深孔预裂爆破的厚硬顶板控制实践工矿自动化，2019,451216. LIU Xia o . Co n t r o l pr a c t ic e o f t h ic k a n d h a r d r o o f ba sed o n d eep-h o l e pr e-s pl it in g bl a st in g］〕. In d ust r y a n d Min e Aut o ma t io n ,2019, 45121-6. 2 -工矿自动化第45卷 ma in r o o f , t h e ma ximum l o a d a n d a v er a g e l o a d o f suppo r t in l o w er o f w o r kin g f a c e d ec r ea se, d y n a mic l o a d c o ef f ic ien t o f suppo r t f l uc t ua t es sig n if ic a n t l y , a n d r ib spa l l in g o f c o a l w a l l is ef f ec t iv el y c o n t r o l l ed . Key words c o a l min in g ； t h ic k a n d h a r d r o o f ; d eep-h o l e pr e-spl it t in g bl a st in g ； r o o f br ea ka g e; min e pr e ssur e Zsuppo r t l o a d Zr ibspa l in g o f c o a l w a l 0引言引言 厚硬顶板具有强度较高、整体性好、节理裂隙不 发育等特点，且这类顶板多赋存于煤层或厚度较薄 的直接顶上方12。煤炭资源采出后，软弱直接顶垮 落到采空区，厚硬顶板悬露面积逐渐增大，且在覆岩 载荷作用下不能及时垮落，引起采空区瓦斯积聚、煤 岩体中集聚大量弹性能、工作面超前支承压力集中 系数陡增与煤壁片帮严重等问题囚。随着工作面继 续回采，厚硬顶板悬露距离达到极限垮距时发生破 断，大量弹性能突然释放，工作面矿压显现剧烈，采 空区瓦斯大量涌出，冲击回采空间，严重威胁工作面 安全生产45 为有效控制采空区顶板的破断运动，解决厚硬 顶板大面积突然来压问题，目前主要采用深孔预裂 爆破技术,可促使完整厚硬顶板裂隙的萌生与扩 展，有效破坏岩石的整体性，进而控制采空区厚硬顶 板的破断。王开等冋理论分析了顶板周期断裂的合 理悬顶长度，并指出采用端部拉槽爆破方案工程量 最小；Wa n g Fa n g t ia n 等［9］应用 LS-DYNA3D 软件 建立了深孔预裂爆破模型，给出了爆炸应力波作用 下岩石应力场和破裂范围；孙闯等10分析了急倾斜 表1 Ta bl e 1 P h y sic a l a n d mec h a n ic a l pa r a met er s o f r o o f a n d f l o o r st r a t a o n 11313 w o r kin g f a c e 11313工作面顶底板煤岩层物理力学参数 岩性厚度/m密度/kg - m 3弹性模量/GP a黏聚力/MP a内摩擦角/泊松比 拉 / MP a 泥岩 3.95268610.451.20300.301.40 细砂岩 8.3026059.863.80400.183.90 中细砂岩 16.75263927.463.04400.155.39 泥岩 1.58246515.841.16380.271.50 3煤5.7714602.430.50 240.31 泥岩 1.0260516.901.18350.232.60 1煤3.014602.430.50240.31 泥岩 1.8249416.901.18350.231.37 细岩 11.15264424.033.80430.193.58 泥岩 3.57249416.901.18350.231.37 2厚硬顶板破断力学分析厚硬顶板破断力学分析 考虑第”层岩层作用下基本顶所受载荷为13 / Ei/i71尼 匕仏 ” “ 1 “1 E1 E3 ma in r o o f a f t er bl a st in g 岩性 体模模力/角/ 石1 土 GP a GP a MP a 中细砂岩 3639 1. 5 20 4.2 结果分析 基本 大，围岩应力演 化规律如图4所示，应力拱向 移且应力 高 大而增大，应力 变 。 。 小于9 m时，随 大 ， ， 应 力 高 49.5 m 大到59.2 m,但应力拱倾角基本不变，回风巷侧应 力拱倾角为58, , 应力拱倾角 18。 。 12 m ， ， 应 力 高 大 68.7 m， ， 应力拱倾角为58, , 应力拱倾角旋 移35,突变为53,运输巷应力得 ，有利 。 。 a基本顶预裂爆破厚度0 m 应力/“ pa 应力/105 pa 25.00 -25.00 -50.00 -75.00 -100.00 -125.00 -150.00 -175.00 -200.00 -225.00 -250.00 -275.00 -300.00 -325.00 -350.00 -375.00 应力/“ P a 25.00 -25.00 -50.00 -75.00 -100.00 .-125.00 ■ -150.00 ■ -175.00 ■ -200.00 ■ -225.00 ■ -250.00 ■ -275.00 ■ -300.00 ■ -325.00 ■ -350.00 ■ -375.00 c基本顶预裂爆破厚度6 mb基本顶预裂爆破厚度3 m e基本顶预裂爆破厚度12 md基本顶预裂爆破厚度9 m 图4不同爆破厚度下围岩应力演化 St r esse v o l ut io n o f sur r o un d in g r o c kun d er d ifer e n t bl a st in g t h ic kn essesFig . 4 基 本 12 m， ， 工 开 120 m 压力分布如 图5所示。可看出在工作面煤壁前方80 m以外范 围，煤体 压力基本无变，处于原岩应力状 态；在工作面煤壁前方25〜80 m内，煤体受到采动 扰动影响，且随着距煤壁距离的减小，煤体上方超前 压力 大 ； 工 煤 20 〜25 m ， 超前支承压力达到峰值，为23. 4 MP a ,此时超前支 承压力集中系数达1. 67原岩应力为13 7 MP a；； 工 压力影响范围和超前 2019年第12期 刘啸基于深孔预裂爆破的厚硬顶板控制实践 5 压力峰值距煤 与 相比分 大了 8. 5, , 18. 8 m,超前支承压力峰值由爆破前的 23.4 MP a减小为爆破后的16. 2 MP a ,超前支承压 力集中 1.67 小 1.3 基本 12 m 工 方煤体应力集中程 著降低，改善了工作匯 煤体应力环境。 。 工作面走向推进距离/m 图5基本顶预裂爆破厚度12 m时超前支承压力分布 Fig . 5 Dist r ibut io n o f a d v a n c in g a but men t pr essur e w h en pr e-s pl it t in g bl a st in g t h ic kn ess o f ma in r o o f is 12 m 5现场监测现场监测 5. 1 支架载荷 为验证深 果，统计分析11313工 场矿压数据。 。 11313工 是在运输巷 侧进行深孔预裂爆破，取11313工作面1号、10号、 25号、40号支架进行最大载荷、平均载荷和动载系 数分析，支架具体 图2a 所示。 。 架最大 与 工 T2 点 系曲线如图6所示。可看出40号支架最大 f在 工 T2 点 附 近 基 本 持 45 MP a左右,40号支架受深孔预裂爆破的影响较 小；1号、10号及25号支架在工作面距丁2爆破点 一10 〜 一2 m 最 大 均 波 动 ， ， 中 1号支架受断层影响,其最大 ，而10号、 25 号 架 受 深 影 响， ， 最 大 与 40号支架相比减小了约15 MP a。 。 图6支架最大载荷与工作面距T2爆破点距离的关系曲线 Fig .6 Rel a t io n c ur v es bet w een t h e ma ximum l o a d o f suppo r t a n d d ist a n c ef r o m w o r kin g f a c e t o T2 bl a st in g po in t 架平均 与工 T2 点 系曲线如图7所示。可看出40号支架平均 f在 工 T2 点附近 基本 持 40 MP a 左右,不受深 影响；工 丁2爆破点 一10〜14 m时，1号支架受断层影响，平均 波 动较大,10号、25号支架平均载荷与40号支架相比 明显降低，受深孔预裂爆破的影响较为显著o -10 0 10 20 30 40 50 60 70 工作面距T2爆破点距离/m 图7支架平均载荷与工作面距T2爆破点距离的关系曲线 Fig . 7 Rel a t io n c ur v es bet w een a v er a g e l o a d o f suppo r t a n d d ist a n c e f r o m w o r kin g f a c e t o T2 bl a st in g po in t 支架动载系数与工 丁2爆破点；的关 系曲线如图8所示。可看出当工 丁2爆 破点附近时,40号支架的动载系数保持恒定；1号、 10号、25号支架的动 生 波动，其中 1号支架受断层影响，而10号和25号支架受深孔 影响较大。 。 e d s e d s 、起絲轻 * 駅枳 .5Q .5 .O .5 .5Q .5 .O .5 2.2 L 1. O. 2.2 L 1. O. 歸悵鄒廉無帜 1号支架♦ 10号支架 亠25号支架十40号支架 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 工作面距T2爆破点距离/in 图8支架动载系数与工作面距T2爆破点距离的关系曲线 Fig .8 Rel a t io n c ur v esbet w een d y n a mic l o a d c o efic ie n t o f suppo r t a n d d is t a n c ef r o m w o r kin g f a c et o T2 bl a st in g po in t 5.2 煤壁片帮 11313工 采时对煤壁片帮情况进行统 计，如图9所示。。可看出工 部煤 较少，且煤 深度较小，煤 主要集中在工 中部和上部；随着工 向T2 点 ，工 部煤 和深度均呈递减趋势；当工 T2 点 采时，工 部煤壁又 逐渐出现片帮。由此可知，深孔预裂爆破在一定程 改善了工 实体煤的受力状态，减轻了 煤体 程度。 6结论结论 1 针对潘北矿11313工作面基本顶初次来 压，建立了 力学模型，理论计算得出基本顶初 次来压步距约为48. 4 m,基本顶初次来压当量约为 1 085. 9 kP a ,基本顶来压非常强烈。 2 数值模拟结果 随着基本顶预裂爆破 大，应力 高 大，应力拱向［侧 移，应力 变 ；当基本 1 6・ 工矿自动化 45 2 7 2 7 2 7 2 7 2 7 2 7 2 7 2 3 8 3 8 3 0 0 3 8 3 8 2 7 2 7 2 7 2 7 2 7 2 7 2 7 2 3 8 3 8 3 0 0 3 8 3 8 5.2 0. 7. 5.2 0. 7. 5.2 0. 7. 5.2 0. 7. 攵 0.7 5.2 4.5 2 0.7 5.2 4.5 2 牛 9 2 4. 9 2 4. 3 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 3 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 - - - - - - - - 1 1 1 2 2 1 1 1 2 2 日、橄鈕咂亀醱 H H 圄 w e H w e H 图9 11313工 煤 统计 Fig 9 St a t is t ic s o f r ib s palin g o f c o a l w alo n 11313 w o r kin g f a c e 裂爆破厚度为12 m时，工作面超前支承压力影响 范围和峰值距煤壁的距离与 相比分 大了 8.5,18.8 m,超前支承压力集中系蓼 1.67减小 1.3改善了工 煤体 应力环境。 3设计了厚硬基本顶深孔预裂爆破方案，现 场监测结果 ,1313工 基本 工 部支架最大 和平均 著降 低，支架动 生 波动，煤 和深 小，工 煤体 程 小。 参考文献References 1 冯彦军，康红普.定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶 板试验J.岩石力学与工程学报，2012,316 1148-1155. FENG Ya n jun, KANG Ho n g pu. Test o n h a r d a n d st a bl er o o f c o n t r o l by mea n so f d ir ec t io n a l h y d r a ul ic f r a c t ur in g in c o a l min e J. Ch in ese Jo ur n a l o f Ro c k Mec h a n ic s a n d En g in eer in g,2012,316 1148-1155. 2 黄炳香，赵兴龙，陈树亮，等.坚硬顶板水压致裂控制 理论与成套技术J.岩石力学与工程学报，2017, 36122954-2970. HUANG Bin g xia n g, ZHAO Xin g l o n g, CHEN Sh ul ia n g e t a l Th eo r y a n d t ec h n o l o g y o f c o n t r olin g h a r d r o o f w it h h y d r a ul ic f r a c t ur in g in un d er g r o un d min in g J. Ch in ese Jo ur n a l o f Ro c k Mec h a n ic s a n d En g in eer in g 2017 36 12 2954-2970 3 闫少宏，宁宇，康立军，等.用水力压裂处理坚硬顶板 的机理及实验研究J.煤炭学报,2000, 25 1 34-37 YAN Sh a o h o n gNING YuKANG Lijune t a l Th e mec h a n ism o f h y d r o br ea ka g e t o c o n t r o l h a r d r o o f a n d it s t est st ud yJ. Jo ur n a l o f Ch in a Co a l So c iet y ,2000, 25 1 34-37 4 宋选民，连清旺，邢平伟，等.采空区顶板大面积垮落 的空气冲击灾害研究［J.煤炭科学技术,2009, 3741-4. SONG Xua n min , LIAN Qin g w a n g , XING P in g w ei , e t a l Resea r c h o n a ir bumpin g d isa s t er in d uc ed by l a r g e r o o f f a l l in g in g o a f J. Co a l Sc ien c e a n d Te c h n o l o g y 2009 37 4 1-4 5 于斌,刘长友,杨敬轩,等.坚硬厚层顶板的破断失稳 及其控制研究J.中国矿业大学学报,2013,423 342-348 YU Bin LIU Ch a n g y o u YANG Jin g xua n et a l Resea r c h o n t h ef r a c t ur e in st a bil it y a n d it s c o n t r o l t ec h n iq ue o f h a r d a n d t h ic k r o o f J. Jo ur n a l o f Ch in a Un iv er sit y o f Min in g k Tec h n o l o g y , 2013 , 42 3 342-3488 6 SAWMLIANA C , ROY P P . A n ew bia sa bil it y in d ex f o r h a r d r o o f ma n a g emen t in bl a st in g g a l l er y met h o d J. Geo t ec h n ic a l a n d Geo l o g ic a l En g in eer in g , 2012 , 3061357-1367. 7 BANERJEE G YADAVA K RAY A K et a l 8Ha r d r o o f ma n a g emen t -a key f o r h ig h pr o d uc t iv it y in l o n g w alc o a l min esJ Jo ur n a l o f Min es Met a l s a n d Fue l s,2003,517 238-244. 8 王开,康天合,李海涛,等.坚硬顶板控制放顶方式及 合理悬顶长度的研究J.岩石力学与工程学报, 2009,2811 2320-2327. WANG Ka i KANG Tia n h e LI Ha it a o et a l 8St ud y o f c o n t r o l c a v in g met h o d s a n d r ea so n a bl e h a n g in g r o o f l en g t h o n h a r d r o o f J .Ch in e se Jo ur n a l o f Ro c k Mec h a n ic sa n d En g in eer in g 2009 2811 2320-2327. 9 WANG Fa ngt ia n , TU Sh it a o , YUAN Yo n g , et a l . Deep-h o l e pr e-spl it bl /st in g mec h /n ism /n d it s a ppl ic a t io n f o r c o n t r o l l ed r o o f c a v in g in sh a l l o w d ept h sea ms J .In t e r n a t io n a l Jo ur n a l o f Ro c k Mec h a n ic s a n d Min in g Sc ien c es ,2013,64 112-121. 10孙闯，陈东旭,程耀辉,等.急倾斜煤层坚硬顶板塌落 规律及控制研究J.岩石力学与工程学报,2019 , 3881647-16588 下 11页 2019 12 姜希印易自燃孤岛工作面安全推进速度研究 ・11・ [D北京北京科技大学016. YANG Weil i. Ris k r ec o g n it io n a n d pr ev en t io n o f r o c kbur st s in min in g o f isl a n d l o n g w a l l pa n el s [D. Be jn g Un 1v er st y o f Sc 1en c e a n d Tec h n o l o g y Be ijin g ,2016. 7 吕文陵,杨胜强，徐全，等高瓦斯矿井孤岛综放采空 区遗煤自燃综合防治技术中国安全生产科学技 术，2010,6560-66. LYU Wen l in gYANG Sh en g q ia n gXU Qua ne t a l 8 P r ev en t io n a n d ext in g uish men t t ec h n o l o g y o f spo n t a n eo us c o mbust io n f o r iso l a t ed isl a n d f uly mec h a n ized c a v in g g o a f in h ig h -g a s min e [J. Jo ur n a l o f Sa f et y Sc ien c e a n d Tec h n o l o g y 2010 6 5 60-668 [8 白星磊.孤岛工作面采空区自然发火防治措施[J煤 矿安全,2012,432119-122. BAIXin g l e i8 Mea sur es t o pr ev en t spo n t a n eo us c o mbus t io n o f iso l a t ed isl a n d w o r kin g f a c e g o a f[J8 Sa f e t y in Co a l Min es2012 432 119-1228 [9 王举举.宜兴矿小煤柱孤岛综采面采空区防火技术研 究[D淮南安徽理工大学2016. WANG Juju8St ud y o n f ir e pr ev en t io n t ec h n o l o g y o f g o a f in smalc o a l pila r iso l a t e d f uly mec h a n ized c o a l min in g f a c e in Yixin g Min e [ D Hua in a n An h ui Un iv er sit y o f Sc ien c e a n d Tec h n o l o g y 2016 [0周西华，白刚，李诚玉，等.天池矿102综放孤岛工作 面控制风量防灭火技术研究中国安全生产科学 技术，2015,113105-111 ZHOU Xih uaBAIGa n gLICh e n g y u e t a l St ud y o n 上接第6页 SUN Ch ua n gCHEN Do n g xuCHENG Ya o h uiet a l St ud y o n c ol a pse r ul e a n d c o n t r o l o f h a r d r o o f s in st eepl y in c l in ed c o a l sea ms [J Ch in ese Jo ur n a l o f Ro c k Mec h a n ic s a n d En g in ee r in g201938 8 1647-1658 11郭德勇，商登莹，吕鹏飞，等深孔聚能爆破坚硬顶板 弱化试验研究[J.煤炭学报，，2013, 38 7 1149-1153 GUO Dey o n gSHANG Den g y in gLYU P en g f ei e t a l Exper imen t a l r e sea r c h o f d eep-h o l ec umul a t iv e bl a st in g in h a r d r o o f w ea ken in g[J Jo ur n a l o f Ch in a Co a l So c iet y ,2013,387149-1153. [12左建平，孙运江，刘文岗，等浅埋大采高工作面顶板 初次断裂爆破机理与力学分析煤炭学报，2016, 4192165-2172. ZUOJia n pin gSUN Yun jia n gLIU Wen g a n ge t a l Mec h a n ic a l a n a l y sisa n d bl a st in g mec h a n ism o f ma in r o o f in it ia l f r a c t ur in g in sh alo w d ept h min in g f a c e f ir e pr ev e n t io n a n d c o n t r o l t e c h n o l o g y by c o n t r olin g a ir v o l ume o n 102 f ul-mec h a n ized iso l a t ed isl a n d c a v in g f a c eo f Tia n c h iCo a l Min e[J Jo ur n a l o f Sa f et y Sc ien c ea n d Tec h n o l o g y 2015 113 105-111 [1曹鹏天池煤矿高瓦斯自燃煤层孤岛工作面防灭火研 究[D阜新辽宁工程技术大学2011. CAO P en g . Resea r c h o f f ir e pr ev en t io n a n d ext in g uish in g o n h ig h g a s spo n t a n eo us c o mbust io n c o a l sea ma n d isl a n d f a c eo f Tia n c h iCo a l Min in g[D Fuxin Lia o n in g Tec h n ic a l Un iv er sit y2011 [12汤跃高瓦斯孤岛综放工作面采空区漏风及均压防灭 火研究[D徐州中国矿业大学2018 TANG Yue St ud y o n a ir l ea ka g e a n d pr es sur e ba l a n c ef o r a ir c o n t r o l o f h ig h g a s iso l a t ed f uly mec h a n ized c a v in g f a c e g o a f [D Xuzh o u Ch in a Un iv er sit y o f Min in g a n d Tec h n o l o g y 2018 [3 丁曰山.金桥煤矿煤炭自然发火规律及综合防治技术 研究[D.青岛山东科技大学2006. DING Yuesh a n Resea r c h o n r eg ul a r it y o f spo n t a n eo us c o mbusio n o f c o a l a n d c o mpr eh en siv e pr ev en t io n t ec h n o l o g y o f Jin q ia o Co a l Min e [D Qin g d a o Sh a n d o n g Un iv er sit y o f Sc ien c e a n d Tec h n o l o g y 2006 [14张海峰.孤岛工作面防灭火技术研究煤炭科学技 术，2017,45增刊 1131-135. ZHANG Ha if en g Resea r c h o n f ir e pr ev en t io n a n d ext in g uish in g t ec h n o l o g y o f iso l a t ed w o r kin g f a c e[J Co a l Sc ien c ea n d Tec h n o l o g y 2017 45S1 131-135 w it h l a r g e c utin g h eig h t[J Jo ur n a l o f Ch in a Co a l So c iet y ,2016,419 2165-2172. 13钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M. 徐州中国矿业大学出版社2010. QIAN Min g g a oSHI P in g w uXU Jia l in Min e pr es sur e a n d st r a t a c o n t r o l [ M. Xuzh o u Ch in a Un iv e r s it y o f Min in