坚硬顶板深孔预裂爆破技术研究及应用.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名至熟疆日期丝丝』堕 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名兰纽日期 趁2 』篁缢 导师签名l 塞丕趁．日期2 鲨』垄 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 坚硬顶板深孑L 预裂爆破技术研究及应用 摘要 删舢删㈣I I I I I I I I I I I I J l l l l l l l l l l Y 2 7 9 7 5 5 5 综采工作面坚硬顶板突然大面积垮落带来的极大冲击力对支架和人员 造成很大危害，严重威胁着煤矿的生产安全。依托阳泉煤业有限公司国阳 煤矿K 8 2 0 5 综放工作面，基于现有的爆炸断裂和损伤理论，重点开展了坚 硬顶板深孔预裂爆破成缝机理和坚硬顶板断裂理论研究，探寻在爆炸应力 波和爆生气体下作用下裂隙的扩展长度以及坚硬顶板的初次垮落步距和周 期垮落步距，并通过数值模拟，比较炸药在V 型刻槽爆破断裂模型、切缝 药包爆破断裂模型和不耦合装药爆破模型爆炸时炮孔壁压力变化，对切缝 药包不耦合系数和切缝宽度经行了模拟，验证爆破设计中炮孔间距的准确 性。最终把现场收集到的监测数据经行分析，说明了爆破方案设计的有效 性，本文的主要研究内容及结论如下 1 明确地阐明了顶板深孔预裂爆破成缝的机理。用爆炸应力波和爆 生气体共同作用解释了爆破裂隙形成机理，揭露了问题的本质。 2 通过对坚硬顶板的岩板与岩梁力学模型分析，得到了坚硬顶板岩板 模型和岩梁模型的初次垮落步距和周期垮落步距的计算公式。 3 根据现场实际情况选取建模参数，分别建立了V 型刻槽爆破断裂 模型、切缝药包爆破断裂模型和不耦合装药爆破模型三种不同模型。对比 三种不同模型下炮孔壁压力发现，切缝药包定向断裂爆破与V 型刻槽爆破 相比爆破效果要好；对切缝药包不耦合系数和切缝宽度经行了模拟分析可 得，当P V C 管的厚度以及其它参数确定时，取径向不耦合系数为2 ．8 1 ，切 T 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 缝宽度取6 m m 时，运用切缝药包爆破效果最好。 4 当炮孔直径为7 5 m m 、不耦合系数为1 ．2 5 、炮孔间距为5 ．5 m 时， 对双炮孔爆破模型进行模拟分析。根据不同时刻的应力云图和各个测点应 力随时间的变化曲线可知，在两炮孔中间2 ．7 5 m 处，最大拉应力大于顶板 岩石的抗拉强度，这说明两爆破孔间完全沟通，裂隙发育充分，从而证明了 本次爆破设计炮孔间距选取5 ．5 m 是合理正确的。 5 结合现场实际情况确定合理的爆破参数以及相关的安全技术措 施，同时根据工作面液压支架阻力变化情况分析爆破放顶效果。 关键词坚硬顶板，预裂爆破，数值模拟，炮孔参数，爆破效果 万方数据 T E C H N O L O G YR E A S E A R C HA N DA P P L I C A T I O NO F D E E P P R E S P L I TB L A S T I N GI NH A R D R o O F A B S T R A C T T h eh a r dr o o fo fm e c h a n i z e dm i n i n gf a c e c o l l a p s eb r i n g st h es u d d e n i m p a c to n t h eb r a c k e t sa n dp e o p l e ，S Oi t ’Sas e r i o u st h r e a tt ot h ep r o d u c t i o no f c o a lm i n es a f e t y ．R e l y i n go nY a n g q u a nC o a lC o ．G u o y a n gm i n eK 8 2 0 5f u l l y m e c h a n i z e dc a v i n gf a c e ，b a s e do nt h ee x i s t i n ge x p l o s i o nf r a c t u r ea n dd a m a g e t h e o r y , t h et h e o r e t i c a ls t u d yo ft h eh a r dr o o fd e e ph o l ep r e s p l i tb l a s t i n g c r a c k i n gm e c h a n i s ma n dh a r dr o o ff r a c t u r em e c h a n i s ma r ef o c u s e do n ．U n d e r t h ed e t o n a t i o ns t r e s sw a v e sa n dg a s ，t h ee x t e n s i o nl e n g t ho ft h ec r a c ka n dt h e f i r s ta n dp e r i o d i cc a v i n g s p a na r ee x p l o r e d ．T h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o d s ，b o r e h o l ew a l lp r e s s u r ec h a n g e sa m o n gt h ev - g r o o v eb l a s t i n gf r a c t u r e m o d e l ，c u t t i n gs e a l T lc a r t r i d g eb l a s t i n gf r a c t u r em o d e la n dd e c o u p l ec h a r g e b l a s t i n gm o d e la r ec o m p a r e d ．C u t t i n gs e a mc a r t r i d g en o n c o u p l i n gc o e f f i c i e n t a n dt h ew i d t ho fs l i ta r es i m u l a t e dt ov e r i f yt h ev e r a c i t yo ft h eh o l es p a c i n g ． F i n a l l y , t h r o u g h t h e a n a l y s i s t ot h e m o n i t o r i n g d a t af r o mt h e s i t e ， r e a s o n a b i l i t y o ft h e b l a s t i n gd e s i g n i sv e r i f i e d ．T h em a i nc o n t e n t sa n d c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ． 1 T h i sp a p e rc l e a r l yi l l u s t r a t e st h eh a r dr o o fd e e ph o l ep r e - s p l i tb l a s t i n g c r a c k i n gm e c h a n i s m ，B l a s t i n gc r a c kf o r m a t i o nm e c h a n i s mi se x p l a i n e dt h r o u g h m ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ed e t o n a t i o ns t r e s sw a v e sa n dg a sa n de x p o s e st h e I I I 万方数据 太原理工大学硕士研宄生学位论文 e s s e n c eo ft h eq u e s t i o n ． 2 T h r o u g ht h em e c h a n i c a lm o d e la n a l y s i so f t h eh a r dr o o f r o c kb e a m ，t h e c o m p u t a t i o n a lf o r m u l ao ft h ef i r s ta n dp e r i o d i cc a v i n gs p a ni so b t a i n e d ． 3 A c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o nt oc h o o s et h em o d e l i n gp a r a m e t e r s ， V - g r o o v eb l a s t i n gf r a c t u r em o d e l ，c u t t i n gs e a mc a r t r i d g eb l a s t i n gf r a c t u r em o d e l a n dd e c o u p l ec h a r g eb l a s t i n gm o d e la r er e s p e c t i v e l ye s t a b l i s h e d ．C o m p a r i n gt h e b o r e h o l ew a l lp r e s s u r eo ft h r e ed i f f e r e n tm o d e l s ，i ti sf o u n dt h a tt h eb l a s t i n g e f f e c to fc u t t i n gs e a m c a r t r i d g eb l a s t i n g i sb e t t e rt h a nV - g r o o v e b l a s t i n g ． T h r o u g ht h es i m u l a t i n go fc u t t i n gs e a mc a r t r i d g en o n - c o u p l i n gc o e f f i c i e n ta n d t h ew i d t ho fs l i t ，i ti so b t a i n e dt h a tw h e nt h et h i c k n e s so fP V Cp i p ea n do t h e r p a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d ，t a k et h er a d i a ln o n - c o u p l i n gc o e f f i c i e n t2 ．81a n dt h e w i d t ho fs l i t6 m m ，u s i n gc u t t i n gs e a mc a r t r i d g ei st h eb e s t ． 4 T a k et h eb l a s th o l ed i a m e t e r9 0 m m ，n o n c o u p l i n gc o e f f i c i e n t1 ．5a n d h o l es p a c i n g5 ．5 m m ，t h es i m u l a t i o na n a l y s i so fd o u b l eh o l eb l a s t i n gm o d e li s d o n e ．A c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n tm o m e n t so fs t r e s sn e p h o g r a ma n dt h e s t r e s s - t i m ec u r v eo fa l lm e a s u r i n gp o i n t s ，i ti so b t a i n e dt h a ti nt h em i d d l eo ft h e t w oh o l eo f2 ．7 5 m ，t h em a x i m u mt e n s i l e s t r e s si sg r e a t e rt h a nt h et e n s i l e s t r e n g t ho ft h er o o fr o c k ．T h i ss h o w st h a tt h et w ob l a s th o l e sa r ec o m p l e t e l y v e r s e d ，t h ef i s s u r ei sc o m p l e t e dd e v e l o p e dt od e m o n s t r a t et h er a t i o n a l i t yo ft h e b l a s th o l es p a c i n g ． 5 A c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n ，r e a s o n a b l eb l a s t i n gp a r a m e t e r sa n d a S s o c i a t e d s a f e t yp r e c a u t i o n sa r ed e t e r m i n e da n d b l a s t i n gc a v i n ge f f e c t 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 a c c o r d i n gt ot h ec h a n g e so f t h em i n i n gh y d r a u l i cs u p p o r tr e s i s t a n c ei sa n a l y z e d ． K E YW O R D S h a r dr o o f , p r e - s p l i t t i n gb l a s t i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，b l a s t i n g h o l ep a r a m e t e r s ，b l a s t i n ge f f e c t V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．II I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V I 工 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．1 煤层项板问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．1 ．2 坚硬顶板处理方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．1 ．3 深孔坚硬顶板爆破主要研究问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 本课题研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 1 ．2 ．1 岩石爆炸断裂行为研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．2 ．2 坚硬顶板爆破弱化研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．2 ．3 岩石定向断裂爆破的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 研究内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．3 ．1 研究主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．2 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 第二章顶板深孔预裂爆破成缝机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。9 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 岩石爆破破坏的理论模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．1 弹性理论模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．2 岩石断裂理论模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．3 岩石爆破的分形损伤模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 坚硬顶板预裂爆破成缝理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．1 岩石爆破理论模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 。3 ．2 岩石爆破破坏内部作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．4 应力波对岩体裂缝机理的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．4 ．1 初始应力峰值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4 ．2 压力峰值的衰减⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．5 爆生气体作岩体裂隙长度的理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 ．1 地应力作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 ．2 裂隙的扩展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．5 ．3 裂隙的起裂方向⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．5 ．4 裂隙的开裂准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．6 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 第三章坚硬顶板断裂理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 坚硬顶板分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 顶板岩层移动规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．3 顶板力学模型及其计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 7 3 ．3 ．1 岩梁初次垮落的极限跨距⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 V I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ．3 ．2 岩板初次垮落的极限跨距⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．4 坚硬项板周期垮落步距计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 ．1 岩梁模型周期垮落步距计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．4 ．2 岩板模型周期跨路步距计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．5 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 第四章坚硬顶板深孔爆破数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．1 爆破模拟软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．1 ．1A N S Y S 几S _ D Y N A 程序简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 7 4 ．1 ．2A N S Y S ／L S _ D Y N A 程序算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．1 ．3A N S Y S ／L S - D Y N A 理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．2 爆破模型参数设置和建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．2 ．1 爆破参数设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．2 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．3 ．1 不同装药结构爆破对炮孔壁初始应力对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．3 ．2 切缝药包定向断裂数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 ．3 普通不耦合装药下炮孔间距模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．4 本章总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 第五章顶板深孔预裂爆破现场运用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．1 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 7 5 ．2 爆破主要参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 5 ．2 ．1 工作面顶板处理高度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．2 ．2 炮孔直径和装药结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．2 ．3 钻孔间距⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．2 ．4 线装药密度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．2 ．5 炮孔角度和深度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 5 ．2 ．6 炮孔布置与起爆次序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．2 ．7 钻孔和爆破施工工具⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．3 爆破钻爆工艺作业规范⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．3 ．1 钻孔⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．3 ．2 炸药的储存⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．3 ．3 安全技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．3 爆破效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7l 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 附录l 攻读硕士学位期间发表的论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 附录2 攻读硕士期间参加的科研项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 V I I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论弟一早瑁化 1 ．1 课题的提出 1 ．1 ．1 煤层顶板问题 煤炭工业在整个国民经济发展中起着举足轻重的作用。首先，煤炭不仅仅是作为我 国工业动力的基础和重要的工业原料，而且煤炭行业能否健康可持续发展关系着基础农 业产业以及城乡居民的生活。虽然在未来的几十年内，随着我国治理雾霾和以及其它大 气污染力度的增大以及新能源和可再生能源、水电以及核电的发展，煤炭在一次性能源 消费中的比例会略有下降，但预计到2 0 5 0 年，煤炭在我国一次能源消费中的比例仍将 维持在百分之五十以上，由此可以看出，在我国国民经济的发展中煤炭行业仍然起着至 关重要的作用。我国煤炭行业的发展有别与其它国家，主要原因是赋存和开采条件差、 地下开采所占比例大。虽然煤矿机械化程度的提高使得生产效率有了很大提高，但是由 煤矿开采深度不断增加带来的安全问题也引起了越来越多人的注意。 众所周知，在煤炭的生产过程中特别容易发生安全问题，一般我们按照煤炭伤亡事 故的性质把它分为透水、煤尘、顶板、瓦斯、机电、爆破、运输和其它8 种类型的事故。 仅2 0 0 6 年全国煤矿因各种事故死亡人数多达4 7 4 6 人，占死亡人数比较大的事故分别是 顶板、瓦斯和透水，所占比例分别可达4 2 ．3 ％、2 5 ．4 ％、9 ．1 ％，这一比例在2 0 0 9 年变 成了3 5 ．7 ％、2 8 ．7 ％、1 ．2 ％，从中可以看出虽然顶板事故所占总事故的比例略有下降， 但仍然是造成人员伤亡的主要事故之一。 人们通常根据项板的冒项范围和事故伤亡情况把顶板事故分为局部冒顶和大面积 切顶这两种不同类型。发生局部冒顶事故的主要是由于在采煤过程中悬而不落的破碎顶 板得不到及时支护或者是支护方式不对、质量不好引起的。由于这种事故具有发生范围 非常小，并且具有很容易被人们忽视的特点，加之人们对这种事故缺乏规律性认识，所 以在煤矿中这类事故屡屡发生。而与局部冒顶相比大面积切顶事故往往是由顶板大面积 运动造成的，特别是在煤层上方的顶板是坚硬顶板的情况。所谓坚硬顶板就是指顶板岩 石具有很大的抗拉强度和弹性模量，并且厚度一般比较大，岩体整体性比较好，随着工 作面向前推进，坚硬顶板往往悬露在采空区不能及时垮落，从而容易对工作面造成大面 积来压现象，形成安全隐患。大面积的顶板在很短的时间内快速垮落，不仅会对工作面 产生强大的冲击力，而且还会把采空区已有的空气瞬间排出，形成极具破坏力的飓风灾 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 害【1 】。例如发生在2 0 0 8 年5 月的一起重大事故，地点是新疆库车县的某采煤工作面，当 时由于采空区项板悬露面积过大 面积多达7 3 4 4 立方米 ，顶板产生的压力大于预留的 道煤柱的支撑压力，导致采空区内4 ．7 7 万立方的有害气体瞬间被挤出，气流不仅冲毁了 密闭墙，而且还对工作面运行的液压支架造成了破坏，最后造成了8 名正在工作的工人 死亡 主要原因是吸入过量的有害气体或被冲击波冲击 ，6 名工人重伤的重大安全事故 [ 2 】。新疆塔城沙吉海煤矿在2 0 1 0 年3 月3 0 日也发生了一起顶板事故，地点在井筒施工 工作面，造成在工作面作业的2 3 人中，除1 3 人升井外，其余1 0 人死亡的惨剧。另外， 在2 0 1 4 年5 月1 1 日，双鸭山某煤矿掘进工作面也发生了一起顶板事故，最后事故造成 了3 人死亡。 因此，为了能消除项板重大事故，并且保证煤矿安全高效的生产，不仅要了解在坚 硬顶板下采场工作面的压力显现，更要采取一些有效方式来对坚硬顶板加以控制。研究 发现，坚硬项板存在于我国一半以上的矿区中，由此可见坚硬顶板在普通煤矿开采中非 常常见，就目前来看坚硬顶板在综采工作面也普遍存在【3 】。由于在快速跨落时伴有明显 来压显现和动压冲击现象，容易产生重大安全事故，所以监测、控制工作面顶板初次垮 落步距显得意义重大。 1 ．1 ．2 坚硬顶板处理方法 目前国内研究人员在控制坚硬顶板方面做了大量系统的研究，对于坚硬顶板的控制 方法也发生了改变，从以前的预留煤柱法和采空区充填法，逐渐发展到现阶段的压力注 水弱化法 分为高压注水弱化和静压注水弱化 和爆破弱化法等，近期有学者还提出了 采用膨胀剂来膨胀破坏坚硬顶板的方法。关于“弱化”矿体或矿物附存体的技术在其它 矿产资源的开发利用中也得到了应用，例如利用炸药爆炸产生的巨大压力或其它压力介 质对石油和天然气的油井和气井进行致裂，形成新的裂隙和裂缝，从而利于油气的释放， 在研究顶板弱化时，可以借鉴并运用这方面的研究方法。 煤柱法采用工作面留下的煤柱作为支柱使工作面顶板不垮落，该方法具有工艺简 单、费用低、支撑效率比较高的优点，但是缺点也很明显，主要是对煤炭资源造成了极 大的浪费。采空区充填法主要适用于品位较高的金属矿山，由于煤炭开采不同于金属矿 山，工作面的推进速度较快，对煤矿采空区进行充填从经济上行不通。 压力注水弱化坚硬顶板通常的做法就是在工作面两顺槽或实施专用工艺巷道预先 向项板钻孔注压力水，坚硬顶板岩石中原先含有的部分矿物质在注水后被逐渐溶解，岩 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 石之间的粘结力也减小了，同时注水后在顶板岩石之间还可以形成水楔，使岩石原有的 裂隙增大，从而使坚硬顶板的整体性降低，随着工作面的向前推进，被弱化的坚硬顶板 很容易垮落，这样可以减少由项板突然垮落引起的事故。 由于顶板岩石之间有水的存在，其力学性质得到了改变，顶板变得容易垮落，在工 作面也使得长臂综合机械化采煤容易实现，提高了煤炭资源的回收利用率。同时，由于 岩石之间有水存在，也降低了综采工作面上煤尘，使工作环境得以改善，另外注水工艺 可以与回采平行作业，提高了生产率【4 】。注水弱化也有不少缺点，它适用范围有限，并 且注水周期长，只适用于顶板岩石为厚砂岩、砂砾岩、厚砾岩以及石灰岩的情况，对于 裂隙发育不好、渗透性差的坚硬岩层不适用【5 】。 爆破弱化顶板与注水弱化项板不同之处在于，爆破弱化坚硬顶板是利用炸药爆炸后 产生的巨大能量来破坏项板的整体性，使坚硬顶板出现大的裂隙或使其断裂，使坚硬顶 板能及时垮落。由于该方法对顶板岩石情况要求低，能在不同环境下作业，是一种非常 有效的防止大面积来压的工艺方法，所以在坚硬顶板弱化方面改方法得到了广泛的运 用。根据爆破炮孔在工作面布置情况不同可以分为四种坚硬项板爆破弱化的方法【6 】。 ①“循环式“ 浅孔爆破。此种爆破主要运用于顶板问题不是很突出的情况，具体做 法是每间隔一定循环次数后，向顶板方向处打一定深度的浅孔，然后对炮眼进行装药爆 破，缺点是不能与回采平行作业，对煤矿生产影响比较大。 ②“步距式”深孔爆破。原理同浅孔爆破一样，只是将浅孔换成了深孔，由于深孔 炮眼装药量多，爆破效果更佳明显。 ③超前深孔松动爆破。原理是在工作面没推进之前，在采煤工作面前方一定距离处 向顶板处打深孔炮眼进行爆破，提前破碎顶板。 ④地面深孔爆破。主要原理是在地面上向已经采完的采空区打一定深度的炮眼，然 后进行装药爆破，使采空区遗留的顶板垮落，消除安全隐患，但是该方法具有一定的使 用条件限制。 1 ．1 ．3 深孔坚硬顶板爆破主要研究问题 因为坚硬顶板作为岩石材料的一种，所以从一般意义分析，岩石爆破理论和技术也 同样适合用在坚硬顶板的岩石中。但是坚硬项板深孔预裂爆破不同于一般的预裂爆破， 主要是因为其所处的爆破环境以及爆破的目的不同。基于这些问题的存在，在对坚硬项 板进行深孔爆破时，应该注意解决以下问题 3 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 深孔坚硬项板预裂爆破不同与其它爆破，成缝机理的理论基础还有待于进一 步探索研究，理论部分的正确与否，关系到模拟结果和设计参数的准确性。 2 坚硬顶板的断裂理论有待完善，特别是对于坚硬顶板的初次垮落步距和周期 垮落步距的计算问题。 3 在工程应用中爆破参数一般根据工程实践总结而来，这使得爆破参数确定具 有一定盲目性，因此对坚硬顶板爆破的炮孔间距、炮孔直径、不耦合系数等爆破参数有 待科学理论确认。 坚硬顶板爆破弱化的主要目的是利用炸药爆炸时产生的巨大能量，人为增加坚硬顶 板的裂隙，破坏坚硬顶板的完整性，使顶板随工作面的推进能及时垮落，减小由于大面 积顶板突然冒落造成的危害。但目前，在工程实践中大都根据经验公式来确定爆破参数， 然而，由于施工场地地质条件不同以及矿山压力的影响，使得经验公式的选取具有很大 的盲目性，以至于在工程中很难达到预期目标。因此，为了科学指导爆破放顶技术在现 场工程中的应用，必须对炸药在项板内爆破成缝机理进行系统研究，进而确定合理炮孔 间距和装药量以及其它爆破参数，在确保顶板形成贯穿裂隙的同时，尽量减少施工量。 1 ．2 本课题研究现状 1 ．2 ．1 岩石爆炸断裂行为研究现状 虽然坚硬顶板预裂爆破也属于预裂爆破的范畴，但是还是区别于普通岩石常规预裂 爆破。普通岩石预裂爆破在爆破前起爆，并且保证在预裂爆破孔之间能形成贯穿裂缝的 同时，采用小直径炮孔装药或采用爆速低、猛度低的炸药尽量减小对炮孔壁的破坏。顶 板预裂爆破的最大效益为在炮孔直径一定情况下最大限度增加炮孔间距和装药量，并不 需要考虑对炮孔壁的破坏问题。 上世纪六十年代，国外出现了最早关于爆破断裂成缝理论的研究【7 】，是W ．I ．戴维尔 D u v a l l 和K ．S ．帕内尔 P a t t i e 提出的“相邻炮孔间应力波“ 的理论。该理论认为 假如相互靠近的几个炮孔同时爆破时，爆炸产生的爆炸应力波在中心呈扇形向外部传 播，在中间切线方向上就会产生拉应力。假如两个炮孔同时起爆，在炮孔间距中心方向 由于应力波的叠加作用，会在炮孔中心方向的接触面形成比较大的受拉面，使岩体沿着 受拉面发生裂断。U ．兰格福斯 L a n g e f o r s 和山口梅太郎等人发现，相比爆炸应力波 的作用，爆炸产生的气体对岩石爆破预裂成缝的作用更大。当在进行爆破时，炮孔之间 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 的距离很近，爆炸产生的气体会产生很大的压力，在此压力的作用下，炮孔连线方向会 因为爆破产生气体压力的叠加作用而产生很大的拉应力，当此拉应力大于岩石的抗拉强 度时炮孔之间就会产生裂缝。他发现，爆破裂缝首先在炮孔壁上发生，两个爆破孔之间 的距离越小，炮孔连线出产生的拉应力越大，同时也提出炮孔之间的距离决定着岩石开 裂程度。在1 9 6 8 年，美国科学家A ．麦哈斯 M a i h i a s 为了研究爆破预裂成缝的原因， 做了大量基础模型实验研究，他发现在两个爆破孔之间由爆炸应力波产生的缝隙时间早 于爆破产生的气体进入缝隙的时间。同时，他认为有爆破产生的应力波对炮孔之间形成 缝隙有积极作用，对垂向裂隙的发展有阻碍作用。 在理论研究的同时，在细观层面上对模拟材料中爆炸裂纹扩展规律的研究结果同样 为分析介质的破裂规律提供了试验支持。在十九世纪八十年代，对爆破行为进行的光测 试验观察在一定程度对爆炸裂纹的发展规律起到了很好的揭示作用。后来， Z ．T ．B i e n i a w s k i 、中科院力学研究所、中国矿业大学 北京 、北京科技大学等科研机构 利用摄影速度很快的摄影机等光测技术系统研究了爆炸应力波和爆炸产生的气体对薄 型板的破坏作用，从而观察爆破裂隙的生成过程。在十九世纪九十年代，北京中国矿业 大学为了研究爆炸过程中裂隙扩展进程，第一次建立了一套研究爆炸载荷的动焦散线测 试系统。在这套系统的基础上，杨仁树【8 】【9 】【l o 】对有机玻璃材料进行平面爆破实验，定量 分析爆炸产生的裂隙尖端部分在穿层后应力的变化。在此以后，李清、杨仁树【1 1 】【1 2 】在他 研究的基础上，又对另一种已有人工层理的材料模型做了实验性研究，得到了爆破产生 裂隙在穿过此种材料时应力变化的规律。 1 ．2 ．2 坚硬顶板爆破弱化研究现状 由于国内煤炭赋存条件差，在煤炭生产过程中，安全问题一直困扰着人们，特别是 在坚硬项板下开采过程中，常常出现项板悬而不落的现象，严重阻碍了工作面的安全高 效生产。而爆破放项因具有对现场环境适应性强、操作简单的特点，被国内各个存在坚 硬顶板问题的煤矿所采用。坚硬顶板爆破弱化属于在矿山压力下的特殊预裂爆破，而煤 矿上用的比较多的是深孔预裂爆破。 目前国内对于深孔预裂爆破的研究很多，例如王方田【1 3 】以石圪台煤矿为例，为防止 工作面顶板大面积来压，他在对工作面顶板进行