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巷巷道道支支护护理理论论与与技技术术 掏底槽拉架炮眼角度优化设计 马行生，朱德福，李向阳 中国矿业大学 矿业工程学院 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116 ［ 摘 要］房式采空区下工作面推进过程中，由于基本顶周期来压并伴随工作面上覆房式采空 区煤柱失稳，常导致压架事故发生。结合乌兰集团石圪台煤矿 131201 工作面出现支架压死的情况， 建立了高能应力波传播的简化模型，以及支架下底板的简化模型，分别研究了不同炮眼角度下条形装 药对底板的破坏效果，提出最优炮眼角度为高能应力波覆盖整个支架底座的最大炮眼角度的 1/2。在 现场应用中，该优化方案取得较好效果。 ［ 关键词］掏底槽拉架; 炮眼倾角; 支架压架; 浅埋煤层 ［ 中图分类号］ TD323［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201801- 0018- 04 Optimization Design of Cutting Bottom Sumper Angle for Pulling Support MA Hang- sheng，ZHU De- fu，LI Xiang- yang Ministry of Education Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining，School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China Abstract During working face advancing under room and pillar goaf，pressurizing of hydraulic support appeared frequency as periodic pressure of main roof and accompanied by coal pillar collapse in room and pillar goaf. It taking pressurizing of hydraulic support of 131201 working face in Shigetai coal mine in Wulan group as studying object，and simplified model of high energy stress wave propaga- tion and floor under support were built，the damage effect to floor under different sumper angles with linear charged were studied sepa- rately，the conclude that the optimal angle was 0. 5 times of the maximal sumper angle，which high energy wave could covered all total support bottom，the optimal scheme obtained better results in field. Key words cutting bottom hole pulling support; sumper angle; pressurizing of hydraulic support; coal seam in shallow ［收稿日期］ 2017－07－25［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 01. 005 ［基金项目］ 江苏省研究生科研与实践创新计划项目 SJCX17_ 0519 ［作者简介］ 马行生 1993－ ，男，山东枣庄人，硕士研究生，从事矿山爆破及岩石力学方面研究。 ［ 通讯作者］ 朱德福 1988－ ，男，安徽淮北人，博士研究生，从事矿山岩石力学与数值模拟方面的研究。 ［引用格式］ 马行生，朱德福，李向阳 . 掏底槽拉架炮眼角度优化设计 ［J］． 煤矿开采，2018，23 1 18－21. 综采工作面压架事故在神府矿区浅埋煤层、采 空区下极近距离煤层、房式与集中煤柱下工作面开 采过程中时常发生。其中，神东乌兰木伦矿 31401 工作面、神东石圪台煤矿 22301 综采工作面 ［1 ］、大 柳塔 22103 工 作 面、活 鸡 兔 井 12304，12305， 12306 工作面 ［2 ］、凯达煤矿 6－2305 工作面［3 ］等发 生多起压架事故，严重影响工作面正常生产作业， 威胁工作面生产人员生命及生产设备安全，造成巨 大的经济损失。 压架事故的预防方法主要有 地面钻孔爆破强 制放顶; 适当调整采高; 降低支架工作阻力; 顶板 来压及时预测预报;快速推进技术等［4－5 ］。但现有 的研究方法多以预防压架为主，对于已发生的压架 事故及支架压死情况处理方法的研究较少。本文根 据现有研究的不足，对掏底槽拉架技术进行优化， 结合数值模拟，分析了炮眼角度对爆破效果的影 响，并提出了相应的优化方案。 1工程背景 乌兰集团石圪台煤矿回采的 131201 工作面位 于 3－1－2 号煤层，上层为 3－1－1 号房柱式采空区。 131201 综采工作面推进长度为 1200m，工作面倾 向长度 150m，采高 2. 7m，工作面布置情况如图 1 所示 ［6－7 ］。工 作 面 有 支 架 83 架，支 架 型 号 为 ZY6800/17/35。当工作面推进至 168 m 时，基本 顶周期来压，发生切顶事故，同时叠加工作面上覆 房式采空区煤柱失稳而形成的冲击载荷，由于支架 使用年限过长，支架实际工作阻力下降，导致工作 面中部支架整体下沉，支柱行程变为 0～0. 2m，支 架被压死，压架地点如图 1 中所标注位置。采煤机 无法从支架下方通过，工作面被迫停产。 2炮眼角度优化 掏底槽拉架技术用于处理坚硬底板条件下支架 81 第 23 卷 第 1 期 总第 140 期 2018 年 2 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 1 Series No. 140 February2018 ChaoXing 图 1石圪台井田内房式采空区分布及 131201 工作面布置 被压死的情况。该方法是在受压支架底座前方向底 板打浅眼，装适量炸药进行放炮，放炮后掏出底座 下方的碎岩块，使底座下降，立柱有少量行程，从 而将受压支架拉出。由于现有的挖底方法在实施上 多凭借经验，主观影响大，因此本文结合石圪台煤 矿工作面出现支架压死的实际情况，利用 ANSYS/ LS－DYNA 建立在支架底座压力下底板的简化模型， 研究不同打眼角度下炸药的破岩效果，从而确定一 种最佳的打眼角度。 LS－DYNA 适合去求解各种二维和三维的非线 性结构的高速碰撞、爆炸等问题，在岩石爆破问题 中应用广泛。 2. 1高能应力波传播简化模型 在掏底槽拉架过程中，较好爆破效果是靠近炮 眼附近碎岩块度小，易于工作人员掏出。在远离炮 孔的支座下部，岩石发生一定的破碎，从而在拉架 过程中，支架底座与底板岩石之间由滑动摩擦变为 滚动摩擦，使支架能在较小作用力下从压死状态下 拉出 ［8 ］。 根据杨年华 ［9－10 ］的研究，条形药包起爆后，产 生的波阵面在药包径向范围内基本平行于药包，在 药包两端为半球形。药包端部岩石质点速度小于药 包中部质点速度，同时靠近端部的柱面波峰值传播 速度衰减比中部快，在平行于条形药包径向方向的 破坏效果明显好于药包端部。因此，要使炸药爆炸 产生的应力波有足够的能量对支架底座下部岩石产 生较好效果的破坏，未经反射的高能柱面波在传播 过程中应能覆盖整个支架底座，这样应力波在自由 面处发生反射拉伸作用时才能保证足够的能量。 本文在杨年华研究员研究成果的基础上，选择 平行于装药方向并且与装药长度相等的高能柱面波 作为主要研究对象。根据条形装药产生柱面波传播 特点，建立高能应力波传播简化模型，见图 2。 图 2条形药包高能应力波传播模型 要使得高能应力波覆盖整个支架底座，最大炮 眼角度为 φmax arcsin H/L 1 2. 2模型建立 石圪台煤矿 131201 工作面支架底座长度为 2. 5m，炮眼长度为 1m，代入公式 1 ，计算得出 最大炮眼的角度为 24。 根据该工作面的实际情况，所建模型尺寸为 2. 5m 2m，炮 孔 位 于 模 型 右 上 部，炮 眼 直 径 0. 01m，长度 1m。根据公式 1的计算结果，分 别建立炮眼角度为 0，12，24，30的 4 个模型， 以对比不同炮眼角度对爆破效果的影响。炮眼的装 药长度 0. 9m，炮泥填塞长度 0. 1m［11－12 ］，各物质 之间公用节点，采用拉格朗日算法进行爆破的模拟 计算。在模型的左右和下部设置无反射边界条件， 模拟无限岩体。在模型上部设置均布载荷，以模拟 支架对底板的作用力，同时由于支架底座的影响， 底座下部岩石在竖直方向的运动受到限制，因此在 支架底座所在范围内限制岩体竖直方向的位移。模 型尺寸及示意如图 3 所示。 图 3数值模型 ANSYS/LS－DYNA 一般采用 JWL 状态方程计 算爆炸所产生的压力 ［13 ］。JWL 状态方程表示为 P A 1 － ω R1V e －R 1V B 1 － ω R2V e －R 2V ωE v V 2 式中，P 为爆轰压力; V 为相对体积; Ev为单位体 91 马行生等 掏底槽拉架炮眼角度优化设计2018 年第 1 期 ChaoXing 积内能; ω，A，B，R1，R2为材料常数。 炸药材料参数见表 1。岩石使用 PLASTIC_ KI- NEMATIC 材料模型建立，材料参数见表 2。 表 1炸药材料及其状态方程参数 密度/ kgm －3 爆速/ ms －1 A/ GPa B/ GPa R1R2 ω Ev/ GPa 100034005247. 964. 210. 38. 5 表 2岩石材料参数 密度/ kgm －3 弹性模 量/GPa 泊松比 切线模 量/GPa 屈服强 度/MPa 2600450. 2711. 76 2. 3炮眼角度对爆破效果的影响 对所建的 4 个模型进行数值模拟，模拟结果如 图 4 所示。 根据模拟结果，当炮眼角度为 0时，如图 4 a ，支架下存在大块岩石未被破碎，破坏情况较 差; 当炮眼角度增大到 12时，如图 4 b ，支架 底座下岩石在爆破后块度较小且较均匀，岩石破碎 的范围大;当炮眼角度增大到 24时，根据图 4 c ，在炮眼附近的岩石破碎情况较好，但支架最 左侧底板岩石的破碎多集中在表层， 爆破效果一般; 图 4不同炮眼倾角爆破效果 当炮眼角度增大到 30时，如图 4 d ，岩石的破 碎主要集中在炮眼附近，支架最左侧底板岩石有大 块未被破碎，爆破效果差。 根据公式 1计算得到的 24最大炮眼角度， 通过分析可知当炮眼角度超过 24时，支架最左侧 底板岩石破碎量随着炮眼角度的增加逐渐较少，大 块率越来越高，条形装药对底板岩石的破坏趋于集 中于炮孔附近。这是由于随着炮眼角度的增加，爆 炸产生的高能应力波所覆盖支架底座下岩石的范围 越来越小，支架左侧底板所无法覆盖的范围越来越 02 总第 140 期煤矿开采2018 年第 1 期 ChaoXing 大，拉伸应力波的产生范围也逐渐减小，使岩石破 碎越来越向炮眼附近集中。说明炮眼角度为 24是 支架底座最左端底板岩石产生破碎的最大倾角。 虽然当炮眼角度为 24时，支架底座最左端底 板岩石有破碎，但是破碎深度和块度不足以在拉架 时使支架和底板之间产生滚动摩擦，而且随着炮眼 角度的增加，打眼的难度也越来越大，因此 24并 非最优的炮眼角度。 当炮眼角度从 24降到 12时，支架底座下的 岩石破碎的整体块度逐渐减小，最左端破碎情况逐 渐增加，爆破效果也越来越好。这是由于在 12 ～ 24的范围内，随着炮眼角度的减小，高能应力波 所覆盖的范围逐渐增大，并且高能应力波在发生反 射时仍能产生足够能量的拉伸应力波对岩石进行反 射拉伸破坏，使支架下底板岩石有较好效果的破 坏。当炮眼角度从 12继续减小至 0时，支架底座 下岩石的大块率随炮眼角度的减小而增加，岩石破 碎程度越来越差。这是由于炮眼角度从 12继续减 小时，虽然高能应力波传播范围增大，但产生的拉 伸应力波的能量越来越小，导致反射拉伸作用减 弱，岩石的拉伸破坏量减少。虽然高能应力波传播 范围广，但其对岩石的作用主要是压应力，而岩石 的抗压强度较高，高能应力波所引起的破坏量较 少，因此爆破效果逐渐变差。 通过以上分析可以发现，炮眼角度在 0增加 到 30的过程中，支架底座下岩石的爆破效果先增 加后减小，而爆破效果出现变化的转折点是炮眼角 度为 12，因此 12即为最佳炮眼角度。同时 12又 是使高能应力波覆盖整个支架底座的最大炮眼角度 的 1/2，由此推出最佳炮眼角度的计算公式为 φ arcsin H/L /2 3 3现场应用 根据石圪台煤矿 131201 工作面现场概况，由 于工作面底板较为坚硬，采用掏底槽拉架技术处理 死架。该支架底座长 2. 5 m，欲打炮眼深度 1m， 根据公式 3算得炮眼倾角为 12左右。利用钻 机向支架底座前方底板钻倾角为 12的炮眼，少量 装药以松动底板岩石。然后工人利用钢钎、镐、锹 等作业工具把支架碎石掏出，使支架有部分下沉， 减少支架的工作阻力。当支架有一定程度下沉后， 多次扳动升柱扳手，增加死架周围支架升起高度， 并带压对压死的支架进行移架，进而救活死架。 从实际操作看，选用炮眼角度为 12的方向打 炮眼，岩石破碎后块度较小，岩块易于掏出，工人 的工作强度小，拉架过程顺畅，工作效率高。 4结论 1以石圪台煤矿 131201 综采工作面压架为 例，分析了工作面出现支架压死情况的原因，并对 现有掏底槽拉架技术进行了优化。 2根据柱面波的传播特点，建立了高能应 力波传播的简化模型，利用 ANSYS/LS－DYNA 数 值模拟软件建立了不同炮眼角度的数值模型，并计 算了不同炮眼角度下支架底座下岩石的破碎效果， 分析了岩石破碎效果随炮眼角度变化的规律，得出 炮眼角度为高能应力波覆盖整个支架底座的最大炮 眼角度的 1/2 时爆破效果最好的结论。 3在石圪台煤矿 131201 综采工作面，通过 对掏底槽拉架技术进行优化，采用炮眼角度为 12，在死架处理过程中，操作方便，工作效率高， 为相似工程背景的压架事故处理提供参考。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 周海丰 . 综采工作面过上覆集中煤柱压架机理分析 ［J］． 煤 炭科学技术，2014，42 7 120－123. ［ 2］ 许家林，朱卫兵，鞠金峰 . 浅埋煤层开采压架类型 ［J］． 煤 炭学报，2014，39 8 1625－1634. ［ 3］ 祝凌甫，郭守泉，曲秋扬 . 浅埋深近距离煤层工作面出煤柱 压架机理及防治措施 ［J］． 中国煤炭，2015 7 62－65. ［ 4］ 鞠金峰，许家林，朱卫兵，等 . 神东矿区近距离煤层出一侧 采空煤柱压架机制 ［J］． 岩石力学与工程学报，2013，32 7 1321－1330. ［ 5］ 许家林，朱卫兵，鞠金峰，等 . 采场大面积压架冒顶事故防 治技术研究 ［J］． 煤炭科学技术，2015，43 6 1－8. ［ 6］ Zhu D，Tu S. 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