综放工作面坚硬顶板深孔松动爆破技术研究.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。 论文作者签名兰区蠡盘2 二日期二塑￡么卜 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j 叠哇●＆一日期二垫丝￡孑二一 导师签名 日期丝Z 笠丘翌 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 综放工作面坚硬顶板深孑L 松动爆破技术研究 摘要 在煤矿开采过程中，煤层上的坚硬顶板是造成煤矿事故的主要灾害之 一。坚硬项板是指在开采煤层之上厚度大、强度高、节理裂隙极不发育、 整体性强和自承能力强的项板。这样的项板会导致悬顶面积很大，突然冒 落带来的冲击动压对井下设备和工作人员造成危害，给煤矿安全生产带来 极大的隐患。因此，在过去科研人员对此类项板的研究的基础上，本文以 漳村煤矿2 1 0 5 综放面坚硬顶板为工业实践来探讨控制此类顶板的爆破技 术。 本文采用理论研究、数值模拟以及工业实践相结合的方法，首先对漳 村煤矿2 1 0 5 综放面进行现场勘查和资料搜集，掌握该综放面的采煤方法和 管理项板的技术等，并对漳村煤矿2 1 0 5 综放面的坚硬项板作了分析探讨。 结合经验最终确定采用深孔松动爆破技术弱化该综放面的坚硬顶板。采用 深孔松动爆破技术，预先破坏顶板的完整性，减小项板悬露面积，缩小顶 板初次垮落步距，防止或减弱这种大面积顶板来压隐患。通过对比爆破前 后综放面C O 浓度和支架的工作阻力，以及项板破碎窥视结果详细分析深孔 爆破技术弱化坚硬顶板的效果。 最后借助A N S Y S ／L S D Y N A 大型数值模拟软件，对耦合装药结构和空气 不耦合装药结构进行了模拟对比分析，通过得出的应力图和裂隙图说明采 用空气不耦合装药结构可以较好地使炮孔间的裂隙贯通，破坏了坚硬项板 的完整性，达到安全放顶的目的；通过模拟对比起爆组距离为8 ．5 m 、9 m 、 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 ．5 m 时的应力裂隙图，得出当相邻起爆组的距离为9 m 时，产生的爆破效果 较佳，相邻炮孔之间的裂隙贯通较好，并且每组起爆孔产生的裂隙扩展范 围不是很大，相邻起爆组起爆时产生的影响甚微。所以模拟计算得出9 m 的 爆破组距离与爆破方案设计的基本吻合，这样就验证了爆破方案的可行性。 关键词坚硬顶板，深孔松动爆破，数值模拟，起爆组距离 I I 万方数据 D E E PH O L EL 0 0 S EB L A S T I N GT E C H N O L O G YR E S E A R C HO N H A R D R O O FI N1 H 匣Ⅳ匝C H A N I Z E DCA v l N GM I N I N GF A C E A BS T R A C T t h e o fc o a ‘ 一 ．t h eh a r dr o o ftheIn t h ep r o c e s so fc o a lm i n i n gt h eh a r dr o o to nt h em l m n gc o a l 。s e a m1 so n e， o ft h em a i nd i s a s t e r so fc o a lm i n ea c c i d e n t s ．H a r dr o o fr e f e r st oc o a ls e a mr o o f w h i c hi st h i c k ，h i g hs t r e n g t h ，s t r o n gj o i n t s a n df i s s u r e sh i g h l yd e v e l o p e d ， ‘ ‘t va n dt h eb e a r i n g ‘ o fr o o ￡T h e s e 1e a d t oh a n “} o fw hichintegrity a n dt h eb e a r i n gc a p a c l t yO tr o o t n e s eC a nl e a ot On a n g m gr 0 0 1w n l c n h a sav e r yl a r g ea r e a ，w h i c hc o l l a p s e ss u d d e n l yS Ot h a tt h ed y n a m i cp r e s s u r e w h i c hw a sp r o d u c e db yh a n g i n gr o o fc a np u tt h ei m p a c to nd o w n h o l ee q u i p m e n t a n d “ k e r s ．T h i sC a n ‘‘h u gh i d d e nt r o u b l et oc o a ’m i n es a f e t yinworkersM s b r i n gh u g el a l C l a e n o u b l e c o a l s a i e Wi n ． t r p r o d u c t i o n ．T h e r e f o r e ，b a s e do nt h er e s e a r c ho f t h ep a s tr e s e a r c h e r so nt h er o o f , t h i sp a p e re x p l o r e st h ec o n t r o lb l a s t i n gt e c h n o l o g yo ft h i sk i n do fr o o fa n dt a k e s h a r dr o o fo n210 5f u l l y ．m e c h a n i z e dc o a lm i n i n gf a c ei nZ h a n g c u nc o a lm i n ea s i n d u s t r i a lp r a c t i c e ． T h i sp a p e ra n a l y s e sh a r dr o o fo n210 5f u l l y - m e c h a n i z e dc o a lm i n i n gf a c e i nZ h a n g c u nc o a lm i n eb a s e do nt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n dt h em e t h o do fi n d u s t r i a lp r a c t i c e ．F i r s t l y , w eg e to n s i t ei n v e s t i g a t i o na n d d a t ag a t h e r i n go n210 5f u l l y m e c h a n i z e dc o a lm i n i n gf a c ei nZ h a n g c u nc o a l m i n e ．t h ef u l bn e c h a n i z e dc o a ’ ’。 m e t h o dn dt h e g e m e n totmine m a s t e rt h et u l l y - m e c l a a m z e dc o a lm i n i n gm e m o aa n ou l em a n a g e m e n tO I ， t h er o o fo ft h et e c h n o l o g ya n dS Oo n ，a n dc o m b i n ew i t ht h ee x p e r i e n c e u l t i m a t e l yt od e t e r m i n et h ed e e ph o l el o o s eb l a s t i n gt e c h n o l o g yt ow e a k e nt h e f u l l y ．m e c h a n i z e df a c e h a r dr o o f ．B ya d o p t i n gt h e d e e ph o l el o o s eb l a s t i n g t e c h n o l o g y ，i tC a nd e s t r o yt h ei n t e g r i t yo f t h er o o fi na d v a n c e ，r e d u c et h ea r e ao f r o o fh a n g i n g ，t u r nd o w nt h er o o fc a v i n gs t e pd i s t a n c ef o rt 1 1 ef i r s tt i m e ，t o p r e v e n to rw e a k e nt h el a r g ea r e ar o o fp r e s s u r e ．B yc o m p a r i n gC 0 c o n c e n t r a t i o n a n dt h es u p p o r tw o r k i n gr e s i s t a n c eo fb e f o r ea n da f t e rb l a s t i n g ，a sw e l la st h e ⅡI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s u l t so fp e e k i n gr o o fb r o k e nc o n d i t i o n ，w ea n a l y z ee f f e c to ft h eh a r dr o o f w h i c hw a sw e a k e n e db yd e e ph o l eb l a s t i n gt e c h n o l o g y ． F i n a l l yw i t ht h ea i do fA N S Y S ／L S D Y N An u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ， t h ec o u p l i n g c h a r g i n gs t r u c t u r ea n da i r n o n - c o u p l i n gc h a r g i n gs t r u c t u r ei s a n a l y z e db ys i m u l a t i o n ，t h r o u g hd r a w i n gs t r e s sa n df i s s u r ef i g u r eC a ni n d i c a t e s t h a tt h ea i r n o n - c o u p l i n gc h a r g i n gs t r u c t u r ec a nm a k et h eh o l ep e n e t r a t i o n b e t w e e nt h ef r a c t u r e ，a n dd e s t r o yt h ei n t e g r i t yo ft h eh a r dr o o f , a c h i e v i n gt h e g o a lo fs a f ec a v i n g ．T h r o u g hc o m p a r i n gs t r e s sa n df is s u r ef i g u r eo fb l a s t i n g g r o u pd i s t a n c eo f8 ．5m ，9m ，9 ．5m ，i ti sc o n c l u d e dt h a tw h e nt h eb l a s t i n g g r o u pd i s t a n c ei s9m ，t h eb l a s t i n ge f f e c ti sb e t t e r ，t h ea d j a c e n th o l ef r a c t u r e p e n e t r a t i o ni sb e t t e r ，e x t e n d e dr a n g ew h i c hw a sg e tb ye a c hb l a s t i n gg r o u pi sn o t v e r yb i g ，a n da d ja c e n th o l eh a sh a dl i t t l ei m p a c tt ot h eo t h e r ．B l a s t i n gg r o u p d i s t a n c eo f9mw h i c hw a ss i m u l a t e di sc o n s i s t e n tw i t hd e s i g no fb l a s t i n g s c h e m e ，t h u sv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fb l a s t i n gs c h e m e ． K E Y W O R D S “ h a r dr o o f , d e e ph o l el o o s e b l a s t i n g ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n b l a s t i n gg r o u pd i s t a n c e I V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 选题的依据和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 弱化坚硬项板技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 深孔松动爆破的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．3 爆破数值模拟研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 研究目的、内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．】5 1 ．3 ．1 研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 1 ．3 ．2 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 1 ．3 ．3 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16 第二章岩石深孔松动爆破的基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 2 ．】药包在煤岩体介质中爆炸后产生的载荷⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 2 ．2 爆破载荷作用下的破坏准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．3 冲击波和应力波影响范围的理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．19 2 ．4 岩石爆破破坏机理假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．4 ．1 爆炸应力波破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．4 ．2 爆生气体破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．4 ．3 爆炸应力波与爆生气体联合作用的破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．4 ．4 岩石爆破破坏的其他机理假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．5 岩石爆破内部破坏作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．5 ．1 压碎区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．5 ．2 裂隙区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．5 ．3 震动区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 2 ．6 岩石爆破外部破坏作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．7 岩石深孔松动爆破成缝机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．7 ．1 不耦合装药⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．7 ．2 相邻炮孔连心线上应力加强⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ．7 ．3 相邻未装药炮孔互为导向空孔⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 2 ．7 ．4 同时起爆装药孔⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 2 ．8 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 第三章漳村煤矿2 1 0 5 综放面的概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 综放面位置及四邻情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 ．1 煤层情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 3 ．2 ．2 项底板岩层分布情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．2 ．3 地质构造状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．2 ．4 水文地质状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．2 ．5 瓦斯、煤层及自燃发火情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．3 综放面参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．4 顶板控制管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．4 ．1 综放面项板管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．4 ．2 上、下端头项板管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 3 ．4 ．3 两顺槽超前管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 第四章2 1 0 5 综放面坚硬顶板爆破方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．1 爆破方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．1 ．1 炮孔参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 4 ．1 ．2 炮眼布置工艺和装药量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 4 ．1 ．3 炮孔爆破工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 4 ．2 爆前准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．2 ．1 爆破施工工具及火工品⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 7 4 ．2 ．2 放炮工艺流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．3 深孔松动爆破工艺作业规程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．3 ．1 装药前的准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．3 ．2 钻孔装药⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．3 ．3 炮孔封堵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 9 4 ．3 ．4 炸药的贮存及运输⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 V I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 ．3 ．5 爆后安全检查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 第五章现场爆破效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．1 爆破后顶煤破碎情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．1 ．1 综放面开始回采过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 5 ．1 ．2 综放面试采以后⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4l 5 ．2 综放面爆破前后液压支架综放阻力情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．2 ．1 放炮后支架阻力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 5 ．3 割煤后支架阻力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．4 坚硬顶板爆破前后对比情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．5 爆破前后C O 浓度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 第六章爆破数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 6 ．1 概述爆破模拟软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 6 ．2A N S Y S ／L S ．D Ⅵq A 基本求解过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．2 ．1 问题的规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 6 ．2 ．2 前处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 6 ．2 ．3 加载和求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 6 ．2 ．4 结果处理与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 6 - 3 有限元控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 6 ．3 ．1 质量守恒方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 6 ．3 ．2 动量守恒方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 6 ．3 ．3 能量守恒方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 6 ．3 ．4 面力边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 6 ．3 ．5 位移边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 6 ．3 ．6 接触面间断裂处的跳跃条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 6 ．4 塑性材料模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 6 ．4 ．1 随动塑性材料模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 6 ．4 ．2 幂函数塑性材料模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 6 ．4 ．3 分段线性塑性模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 6 ．4 ．4 应变率敏感的塑性模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 V Ⅱ 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 ．5 煤岩体材料的屈服条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 6 ．6 无反射边界⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 6 ．7 A L E 算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 6 ．8 沙漏粘性控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 6 ．9 人工体积粘性控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 6 ．1 0 实验材料单元的参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 ．1 1 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 6 ．1 1 ．1 装药结构的数值计算过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 6 ．1 1 ．2 相邻起爆组间距的数值计算过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 6 ．1 2 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 第七章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 5 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 攻读学位期间发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 3 V Ⅱl 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 选题的依据和意义 第一章绪论 目前，煤炭仍然还是我国的主要能源之一，因此煤矿采煤技术对于我国能源的生产 具有重大的影响作用。煤炭资源大多储存在地下深处，由于煤层环境的复杂性，会给开 采人员和井下设备带来众多的不利的安全因素，甚至有可能酿成一定的事故。尤其在我 国境内的产煤省份，最近十来年，在煤矿井下开采过程中发生的各种大小事故中，源于 顶板事故原因的总起数和总死亡数均为最高。近年来，顶板事故共发生1 2 9 3 1 起，占 5 2 ．9 ％。顶板事故较瓦斯等事故一次死亡数不是很多，但是该种事故经常发生，总死亡 人数一直位于各种安全事故之首，是现在和未来我国煤矿事故治理的重中之重，其中坚 硬顶板特别是开采煤层上面的坚硬项板是治理的重点[ 1 , 2 1 。在坚硬项板煤层下开采资源 时，会遇到诸如悬顶面积大、周期来压大等问题，因此科研人员探索了运用爆破技术弱 化坚硬顶板的技术。在煤矿中运用爆破技术既减少开采时间，也可提高煤炭产量和提高 井下综放人员的安全，因此为高效、安全的采矿理念奠定了一定的基础。 过去在煤矿井下有坚硬顶板情形时，大多数煤矿都是布置一定量的煤柱支撑采区或 采空区上方的难冒落顶板。由于该种理论和采煤技术，滋生了房柱式、短壁刀柱法等采 煤方法应用于绝大部分的矿井。运用该种方法确实有一定的好处，在控制坚硬顶板方面 也起到了相当的作用，但是采用该种采煤法，资源回收率低，剩下许多煤柱，并且工作 面通风存在严重不足，给井下工作人员带来许多安全隐患，因此随着新型采煤方法的出 现，该种采煤方法逐渐退出了煤矿行业这个舞台。 在煤矿开采的历史中，不论是掘进巷道还是坚硬顶板的处理等都需要爆破技术。但 不论是坚硬顶板 煤 深孔松动爆破技术或其它弱化技术，还是在煤岩体中其他工程爆 破，都运用了爆破的作用机理。在漫长的科研历程中，虽众多学者对岩石柱状药包爆破 过程∞4 铂作了探讨，但有关深孔松动爆破技术在处理坚硬顶板时的爆破作用机理的研究 还未成熟。所以，该爆破技术在煤矿中处理坚硬顶板中也没有得到推广。 坚硬顶板是指在煤层之上厚度大、强度高、节理裂隙极不发育、整体性强和自承能 力强的项板。该种坚硬顶板由于其抗破坏的能力很大，采煤过后会形成具有巨大能量、 不易断裂的高空悬顶，短时间内不会在自重作用下而自行塌落。当在坚硬顶板下的煤层 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 中进行长臂开采时，随着采煤综放面的跟进，采空区悬挂的不易冒落的顶板面积会随之 增大。悬顶面积较大且短时间内不冒落时，将促使综放面控顶区内的应力较集中，当支 护结构的抗压强度小于顶板的高集中压力时，顶板将在高应力下发生不可逆转的破坏。 同时煤层之上的坚硬顶板本身自重大，其高应力的载荷定然给综放面支护系统带来较大 的影响，从而给煤矿生产造成了不必要的安全隐患。大面积悬顶突然冒落会产生强烈的 冲击动压，破坏或风流压到巷道的支护装置，这样顶板会沿综放面煤壁折断造成冒顶现 象，形成影响极大的飓风和冲击动压。其后果会造成综放面设施和人员的损坏和伤亡， 并且较易将老塘内大量积聚的瓦斯瞬间涌出，引起安全事故【6 】。 我国煤层赋存条件极其复杂，约有1 ／3 的煤层顶板是难冒落的坚硬顶板，随着综放 机械化技术的逐步发展，约有四成综放面难冒落的坚硬顶板【，，8 】。为了保证各大煤企的正 常生产和一线综放人员的安全，研究该类顶板的爆破放顶技术显得具有极大的实用价值 和意义。 在处理坚硬顶板过程中，工程技术人员根据实际情况，结合爆破理论和经验，会作 出一套完整的爆破方案，但是该爆破方案是否会取得预期的爆破效果，需进一步验证。 在实际工程中，不可能拿一次工程爆破作为实验，验证爆破方案参数的合理性，因此， 我们需要借助大型数值模拟软件A N S Y S ／L S ．D Y N A 模拟爆破方案的重要参数，从模拟 出的效果判断该方案的合理性。这样做既不会给工程技术人员带来不安全因素，也会节 省大量人力物力和财力。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 弱化坚硬顶板技术研究现状 1 ．2 ．1 ．1 注水弱化坚硬顶板法 注水弱化坚硬顶板就是向超前于采场的煤层顶板钻深孔注压力水，借助水对煤岩体 的压裂和软化作用，增大顶板的裂隙性和减小顶板岩石的抗破坏强度【9 】。当综放面经过 后，顶板正常冒落，降低初次周期来压对采场的作用。 1 顶板高压注水弱化法 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 一一 图1 ．1 顶板单注水孔布置方式 F i gl 1l a y o u to fs i n g l ew a t e rh o l er o o f 图1 ．2 顶板双注水孔布置方式 F i gl - 2l a y o u to fd o u b l ew a t e rh o l er o o f 顶板高压预注水是沿综放面专用巷道或回 进 风巷向顶板钻深孔，工程技术人员 通过所钻取的深孔向坚硬项板注高压水，利用水的性质溶化坚硬顶板煤岩石中夹杂的可 溶性杂物和矿物质，削弱煤岩层的凝聚和粘合作用，并且高压水也增大了原始裂隙和弱 面。该种方法的实质是利用水的压裂和软化两种机理，改变煤岩体的性质，所以实现了 变不易塌落顶板为可冒落顶板。实际工程中对于完整性好、节理裂隙不发育的坚硬顶板， 主要以压裂弱化为主导方案；对于整体性稍差，尤其是煤岩层裂隙率较大的坚硬顶板， 以注水为主导方案。如图1 ．1 和图1 ．2 。但是注水弱化项板持续的时间周期较长，效果 不佳，而且需要对煤层之上的坚硬顶板在实验室进行浸水实验，故该种方法不适宜推广。 2 顶板静压注水弱化法 顶板静压注水也是在综放面的专用巷道或回 进 风巷内，通过钻深孔静压注水， 提高开采煤层上坚硬顶板的含水率，。降低岩石的抗剪强度，减小冒落的步距。但是该方 法适用于吸水性很强的坚硬项板，且吸水作用后抗剪强度大幅度降低的情形下，否则不 宜推广。 1 ．2 ．1 ．2 爆破弱化坚硬顶板法 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 爆破弱化坚硬顶板是当装药孔内的炸药爆炸时，瞬间产生的能量作用在煤层上的坚 硬项板，以此来增大顶板的原有裂隙率和产生新的裂隙，减弱顶板岩体的完整性，同时 变不易塌落顶板为可冒落顶板的方法。爆破塌落的煤岩矸石，在采空区堆积形成矸石垫 层，这样可以减小塌落的坚硬顶板的动压强度，极大地减小了冒落坚硬顶板在综放面空 间内的存积含量，达到安全放顶的目的。目前依据炮孔在综放面的相对位置，可以划分 为如下几种方法 1 循环式浅孔强制放顶法 循环式浅孔强制放顶法是按照预定的设计方案，每经过预定综放循环后，打孔人员 打设定深度的炮孔。正常情况下，钻具用岩石电钻。炸药爆炸后，损伤了坚硬顶板的完 整度，加大了顶板的裂隙率。该方法较适于采空区悬顶面积较大的情况。但是对综放面 的正常生产带来了严重的影响，对高速开采的综放面不适用。 2 步距式深孔强制放顶法 步距式深孔强制放顶法是每当坚硬顶板冒落之前，沿着切顶线钻适宜数量的深 孔，孔底朝向采空区，实施爆破放顶。炸药爆炸后方可形成相当深度的槽沟，煤层上的 坚硬顶板就沿此槽断裂。但该方法会对采煤综放面的正常生产造成影响。 3 地面钻深孔强制放顶法 地面钻深孔强制放顶法是当开采煤层上的坚硬顶板离地表较近，且施工工人没有办 法通过坚硬顶板的煤层区，以及地面有适宜的爆破综放环境时采取的一种方法。在坚硬 顶板相对应的地面钻深孔，爆破放顶，截断大面积坚硬顶板。但该方法适用条件受限， 一般用于地下埋藏浅的煤矿，在深部矿井中不适用。 4 超前深孔松动爆破法 超前深孔松动爆破法就是在综放面前方的特殊巷道或进 回 巷道里，按照设定 钻孔深度和炮眼间距向开采煤层上面的难垮落项板钻孔，然后装填炸药实施爆破，达到 松动坚硬顶板的目的。如图1 ．3 。 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 工艺套遥；b 一炮皇≤{ 艺老造 N 匡毳＼蚕F i 善介善li 声介；l ；1 蓐r 兰 竺 图l - 3 超前深孔松动爆破法不慈图 F i gl 3d i a g r a mo fa d v a n c ed e e ph o l eb l a s t i n gt e c h n o l o g y 5 初采前深孔松动爆破弱化顶板法 该方法是割煤机割过1 或2 刀后 若有足够大的空间，初采前就实施深孔松动爆破 弱化坚硬顶板 ，在综放面钻一排深孔，按照预定方案装药并实施爆破。这一排炮孔的 轴线在一条直线上，且垂直于工作面的走向。装药爆破后，在原岩介质中会形成破碎区 和裂隙区，扩大了原岩介质中的原生孔裂隙，增大了原生弱面面积，达到软化坚硬顶板 的目的。在综放工作面，爆破震动产生的孔裂隙弱面与原生裂隙弱面相互贯通，且向煤 岩体深层扩张，使得极大地减弱了坚硬顶板岩体的强度。该方法使用药量大，实施爆破 后产生相当量的有害物质，会对井下的空气造成不利影响施工过程中炮眼间排距不好 掌握，容易产生爆破松动圈不规则的现象。但该方法对地质条件要求小，对综放工作面 的正常生产影响不大，对减弱初次来压和周期来压效果显著。 鉴于本文是要处理漳村煤矿2 1 0 5 综放面的坚硬顶板，综合比较以上5 种方法，结 合2 】0 5 综放面的实际情况，故选取深孔松动爆破弱化2 1 0 5 综放面坚硬顶板的方法。 1 ．2 ．2 深孔松动爆破的研究现状 至今国内外科研工作人员都对深孔松动爆破技术做了深入的探讨，并且取得了辉煌 的成绩【l o ，1 l 】。同时，爆破工程、岩体力学、采矿工程以及非线性理论、混沌学等学科的 发展也为该技术提供了新的发展方向1 1 2 , 1 3 ，1 4 】。该技术的核心是通过装药孔炸药爆炸后产 生的爆轰波以及冲击波的高温高压的冲击力，将炮孔周围的介质炸裂，产生裂隙；之后 爆炸产生的大量爆生气体通过裂隙进入介质，造成气楔效应，这样就使得介质在动、静 共同作用下，发生不可逆转的损伤，结果就形成新的弱面并且扩展原有的裂隙和弱面。 本文针对煤矿综放面开采煤层上面的坚硬顶板实施深孔松动爆破技术，该技术的要 点是通过深孔爆破生成的爆轰波和爆炸应力波将扩大坚硬顶板的孔裂隙，爆炸产生的高 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 温高压气体会瞬间进入介质中的孔裂隙内，形成气楔效应，在应力波和爆生气体的动静 联合载荷下，岩体将产生新的裂隙，并使原有裂隙和弱面扩张，顺利完成弱化难垮落顶 板的要求。 L ．s e a m e n 等人