坚硬顶板深孔爆破卸压技术的研究.pdf

第3 0 卷第4 期 爆破 V o l 3 0 N o 4 2 0 1 3 年1 2 月B L A S T I N G D e c ．2 0 1 3 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 3 ．0 4 ．0 1 4 坚硬顶板深孔爆破卸压技术的研究 陈学华8 ，徐b 李宁6 辽宁工程技术大学a ．继续教育学院；b ．矿业学院，阜新1 2 3 0 0 0 摘要综采工作面开切眼深孔爆破卸压可控制项板初次垮落步距过大、减弱顶板大面积垮落引起的项板 灾害。工作面回采过高冲击危险区时，采用深孔爆破技术，提前释放坚硬顶板内储存的弹性能，可以降低冲 击危险，能有效地避免冲击地压灾害发生。以济三煤矿6 3 0 3 工作面实际地质情况为研究背景，从岩石爆破 机理出发，利用A n s y s 有限元非线性动力学软件，对两种深孔预爆破方案和爆破效果进行爆破计算分析，分 析了爆破应力波传播规律，并与优化方案参数进行对比，给出了顶板深孔预爆破钻孔的三角法布置方案。 关键词爆破卸压；深孔爆破；参数优化；数值模拟 中图分类号T D 3 2 4文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 3 0 4 0 0 6 6 0 5 H a r dR o o fP r e s s u r eR e l i e fT e c h n o l o g yb yD e e p - h o l eB l a s t i n g C H E NX u e ．h u a 8 ，X UX i a n 9 6 ，L IN i n 9 6 a ．S c h o o lo fC o n t i n u i n gE d u c a t i o n ；b ．S c h o o lo fM i n i n gE n g i n e e r i n g ，L i a o n i n g T e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n12 3 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep r e s s u r er e l i e ft e c h n o l o g yo fd e e ph o l ec u tb l a s t i n ga tc o m p r e h e n s i v em e c h a n i z e dm i n i n gf a c ec a l l c o n t r o lt h er o o fd i s a s t e rp r o d u c e db yl a r g es t e pd i s t a n c eo ff l i n tb r e a k i n gd o w na n dw e a k e nal a r g ea r e ac a v i n go f r o o f ．W h e nt h ee x t r a c t i o nw o r kf a c eg o e st h r o u g ht h eh i g hd a n g e ra r e ao fi m p a c t ，t h ed e e p h o l eb l a s t i n gt e c h n o l o g y m a yr e l e a s ee l a s t i ce n e r g ys t o r e di nh a r dr o o fe a r l y ，a n dr e d u c et h er i s ko fi m p a c ta n de f f e c t i v e l ya v o i dt h ei m p a c to f d i s a s t e r sa n dp r e s s u r e ．T a k i n gt h ep r a c t i c a lg e o l o g i c a ls i t u a t i o no ft h e6 3 0 3w o r k i n gf a c eo fJ i n i n gc o a lm i n ea st h e r e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h en o n l i n e a rd y n a m i c sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eA n s y sW a su s e dt os i m u l a t ea n da n a l y z et h et w o d i f f e r e n tb l a s t i n gs c h e m e sa n db l a s t i n ge f f e c t sb a s e do nr o c kb l a s t i n gm e c h a n i s m ．T h ep r o p a g a t i o nr u l eo fb l a s t i n g s t r e s sw a v ew e r ed i s c u s s e da n dc o m p a r e dw i t ho p t i m i z a t i o np a r a m e t e m ．F i n a l l y ，am a n d el a y o u to fd e e ph o l eo fp r e s p l i t t i n gr o o fb l a s t i n gW a sp u tf o r w a r d ． K e yw o r d s b l a s t i n gp r e s s u r er e l i e f ；d e e ph o l eb l a s t i n g ；p a r a m e t e mo p t i m i z a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n L s - d y n a 是国际上著名的显式动力分析程序，该 程序的显式算法特别适合于分析各类高度非线性的 复杂动力学过程，如爆炸与冲击、结构碰撞等。 L S T C 公司和A N S Y S 公司合作推出的A n s y s ／L s d y - n a 有限元动力分析软件结合了L s d y n a 强大的显式 收稿日期2 0 1 3 0 8 1 8 作者简介陈学华 1 9 7 2 一 ，男，博士、教授、博士生导师，从事矿山 压力与矿井动力灾害防治研究， E ．m a i l a m s o b e r 1 6 3 ．e o m 。 通讯作者徐翔 1 9 8 8 一 ，男，新疆哈密人，硕士研究生，从事矿山 压力及其控制研究， E m a i l 8 7 6 7 9 9 5 0 q q ．c o r n 。 动力分析能力与A n s y s 方便易用的前后处理功能常 用于工程爆破模拟中1 。 应用A n s y s ／L s - d y n a 有限元动力分析程序，可以 从岩石爆破损伤学的角度来分析岩石破坏过程。这 有利于工程师们从现象学的角度直观理解岩石破坏 过程，通过不断修正爆破参数来决定最优爆破方案。 成功地将A n s y s ／L s ．d y n a 有限元动力分析程序应用 于采矿工程领域，通过爆破效果分析、方案对比从而 得出最优爆破卸压方案。这对于煤矿防治冲击地 压、安全生产、减少防治投资成本提供了一种新的 万方数据 第3 0 卷第4 期陈学华，徐翔，李宁坚硬顶板深孔爆破卸压技术的研究 6 7 途径。 1 岩层顶板中深孔卸压爆破机理 炸药在炮孔中起爆后，强大的冲击波压应力使 炮孔周围岩石受压破碎，瞬间形成压缩破碎和初始 裂隙、应力波环向拉应力。应力波发射拉应力使岩 石中裂隙扩展，引起岩石进一步破裂，包括初始裂隙 的扩展和二次裂隙的形成旧J 。爆生气体膨胀作用 使岩石中的裂隙贯穿形成破碎块度，破碎体积增加， 岩石成块或成片运动，形成爆堆或爆破漏斗旧J 。坚 硬、厚层砂岩顶板是影响冲击地压发生的主要因素 之一，其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大 量的弯曲弹性能HJ 。在坚硬顶板破断或滑移失稳 过程中，大量的弹性能突然释放，形成强烈震动，导 致顶板煤层型 冲击压力型 冲击地压或顶板型 冲 击型 冲击地压∞J 。顶板深孔卸压爆破用爆破的方 法改变爆破区域顶板物理力学性质，破坏顶板的完 整性，释放顶板内积聚的大量弯曲弹性能，缩短顶板 破断步距，以达到降低冲击危险的目的∞j 。 通过顶板深孔爆破卸压技术可以提前预裂煤层 上方厚层坚硬砂岩顶板，使其降低强度、减小跨落步 距；可以提前释放老顶岩层蓄积的部分弹性能，降低 应力集中程度；操作适当能有效地保证破坏顶板的 整体性；能够在一定程度上对采空区顶板进行松动 预裂，技术试验比较成功“ ’8J 。 2 深孔爆破处理煤层坚硬顶板方案 济三煤矿6 采区采深达到7 1 0m ，统计分析表 明，开采深度越大，冲击可能性越大。深部开采的高 地应力使得冲击地压的威胁十分突出。6 3 0 3 工作 面直接顶为粉砂岩及粉细砂岩互层，致密坚硬，f 4 6 ，局部无直接顶。老顶为中砂岩，平均厚度 2 0 ．5 1m ，致密坚硬，f 9 1 2 。这是导致开切眼顶 板长时间不垮落的主要原因。6 3 0 2 工作面采空区 老顶不充分断裂在6 3 0 3 辅助顺槽上方形成了悬臂 梁结构产生对实体煤的垂直应力并与6 3 0 3 工作面 的超前压力叠加形成应力集中；加之6 3 0 3 工作面后 方老顶长距离垮落产生对工作面的冲击作用，这些 原因导致高应力下的实体煤瞬间破坏发生冲击。更 重要的是6 采区3 下煤层的顶板结构和埋深具有发 生冲击地压的内在条件，类比相邻煤矿表明当老顶 大面积悬露，聚蓄大量能量时，断裂垮落极易诱发大 面积高强度的冲击地压“ J 。 鉴于上述原因，要有效治理6 3 0 3 工作面冲击地 压，可以利用注水法和煤体爆破卸压法降低煤层的 冲击倾向性，但由于济三煤矿下煤自然孔隙率均小 于4 ％，注水效果差，实施煤体卸压爆破效果有限， 经综合分析决定采用深孔爆破处理煤层坚硬顶板才 能实现从根本上治理冲击地压。 3开切眼顶板深孔爆破方案设计 炮眼布置在6 3 0 3 工作面在切眼靠倒车硐侧距 切眼中心线1m 处，呈“一”字型分布，共布置2 0 个， 孔间距1 0m ，炮眼与水平面成3 0 。，其中孔深1 6m 的 7 个，孔深2 2 m 的7 个，孔深2 8m 的6 个，垂深分别 为8m 、1 1m 和1 4m 。炮眼布置见图1 ，炮眼装药结 构见图2 ，炮孔装药参数见表1 。 图16 3 0 3 综采工作面切眼放顶炮眼布置图 单位1 1 1 F i g ．1 6 3 0 3f u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gc o a lf a c ec u th o l el a y o u t u n i t m 万方数据 6 8爆破 2 0 1 3 年1 2 月 0 ．6 Lo ．4 三 |／‘j 一‘矗、w 。∥”一驰i 劈_ ＆‘歹确。一 1，／ ’’’j ‘ 。‘．’j 。。0 乡0 ‘“‘；∥、o ⋯ 泛包_ ／⋯牵曝絮’◆j 毒曝裳歹‘黄昆’／啻套j ／誊 j 二≥ 注上为炮眼长度 图2 炮眼装药结构示意图 F i g ．2 P e r f o r a t i o nc h a r g es t r u c t u r ed i a g r a m 表1 炮孔装药参数 T a b l e1B l a s t h o l ec h a r g ep a r t u n e t e r s 炮孔编号炮孔深度／m炮孔角度／。装药长度／m 单孔装药量／k g封泥长度／m 连线方式 雷管段数 11 63 0 9 ．63 76 ．42 22 23 01 3 ．26 28 ．82 32 83 0 1 6 ．89 01 1 ．22 41 63 09 ．6 3 76 ．4孔内并联2 52 23 01 3 ．26 2 8 ．82 62 83 01 6 ．89 01 1 ．2 孔间串联 2 71 63 0 9 ．63 76 ．42 82 23 0 1 3 ．26 28 ．82 92 83 01 6 ．89 01 1 ．2 2 4 工作面开切眼深孔爆破力学模型及 数值计算 4 ．1 3 D 有限元法建模 数值计算首先对6 3 0 3 工作面“一”字非等长钻 孔 方案1 进行爆破效果分析，在此基础上改为钻 孔“三角”型 方案2 布置，并计算爆破裂隙损伤结 果比较0 | 。从实际爆破效果看，随着工作面推进， 开切眼多处顶板冒落，产生大量裂隙，实现了顶板预 裂的基本目的。 鉴于现场爆破工程问题复杂性，对工程设计问 题做科学简化。选取具有代表性的3 个钻孔作为研 究对象 图3 、图4 。为了反映深孔爆破岩体破裂 的机理，考虑到倾斜炮孔在有限元建模时的难度，故 建立整个模型再沿对角线取其一半，即得到高精度 的倾斜钻孔有限元模型，“三角”型钻孔布置，是将 钻孔2 从顶板中心线一侧移动到另一侧，距离中心 线也为1m 。钻孔1 ～3 的长度分布为1 6m ，2 2m ， 2 8m ，即与实际钻孔长度一致。数值模型除了顶板 为自由面以外，其他的四个面均为吸收边界，即可以 使应力波透射过去而不生反射。 4 ．2 数值计算及结果分析 1 沿钻孔布置中心线，爆破后不同时间钻孔 的M i s e s 应力分布如图5 一图6 。沿炮孔方向视角 观察模型，取顶板中心切线位置为切割面来观察此 剖面的应力情况。 图3 方案1 数值模型 F i g ．3 S c h e m e1n u m e r i c a lm o d e l 图4 方案2 数值模型 F i g ．4 S c h e m e2n u m e r i c a lm o d e l 计算结果分析认为从剖面处不同时刻的M i s e s 应力分布来看，方案二爆炸后在剖面处产生的应力 集中区范围更广，而且应力波的衰减比方案1 更慢， 万方数据 第3 0 卷第4 期 陈学华，徐翔，李宁坚硬顶板深孔爆破卸压技术的研究 这样可以使爆炸产生的能量更充分地去破碎岩石。 两种爆破方案在顶板处都产生了应力回弹现象，说 明它们都受到了反射拉应力波的作用，但两种方案 的拉应力波对顶板岩石做功的效果不一样，显然方 案二的做功效果要好得多。在约3m 之前顶板岩石 处于受压状态，而这个时间段内两种方案产生的效 果基本一致，但3m 之后的情形则完全不同，此时顶 板岩石受到反射拉应力波的作用由受压变为受拉状 态，变为受拉应力状态后，方案二中的拉应力波使顶 板岩石的应力再一次迅速达到峰值，而方案一中的 拉应力波只能使应力较慢地增长到一个较低的水 平。由于岩石抗压不抗拉的特性使方案二中的顶板 更容易被破坏，这更加细致地说明了方案二的优势 在于后期反射拉应力波的作用，使得方案二在顶板 处的应力波衰减的更慢，聚集的能量更多，对顶板的 破坏力度更大和持续破坏时间更长。因此方案二对 a 方案l a 1S c h e m e 45 0 0 E 0 4 40 0 0 E 0 4 35 0 0 E 0 4 30 0 0 E 0 4 25 0 0 E 0 4 20 0 0 E 0 4 15 0 0 E 0 4 0 0 0 E 0 4 40 0 0 E 0 4 00 0 0 E 0 4 炮眼的利用率更高，能更好地利用爆炸能量来破碎 岩体。 2 压应力波传播特征分析，如图7 ～图9 。 计算分析表明在爆炸初期爆炸波还未接触到 顶板自由面时，两种方案并无太大差异，都是爆炸刚 开始时药包附近压力迅速增大，随着应力波向远处 的传播而急速衰减。即便是在爆炸后期，在顶板处 形成的受压受拉区也相当。但3m 之后的情形则完 全不同，当3 个钻孔药包的爆炸波形成叠加和经过 自由面的反射后，方案二的应力波峰值分布范围更 广一些，特别是拉应力区，比方案一分布得更广一 些。而岩石的抗拉强度远远低于抗压强度，所以方 案二使得顶板上部的岩石具有更多更广的受拉区， 这样就会产生更多的裂纹使岩石破碎得效果更好。 这与剖面处的应力结果一致，使炸药的能量得到更 加充分的利用，更好地控制爆破块度。 图5M i s e s 应力分布图 1 ．5m s F i g ．5 M i s e ss t r e s sd i s t r i b u t i o na t1 ．5m s a 方案1 a S c h e m e1 b 方案2 f h S c h e m e2 b 方案2 h S c h e m e2 图6M i s e s 应力分布图 3 ．7 5m s F i g ．6 M i s e ss t r e s sd i s t r i b u t i o na t3 ．7 5m s i．黜000；E嚣04-毒。 2 0 0 0 E 0 5 - 4 0 0 D E 加5 ≮ 4 0 0 0 E 0 4 4 t b 、n ’寨2 m lS c h c m c2 ；应力波图 1 ．4 0m s o ns t r e s sw a v ef i g u r ea t1 ．4 0m s 5 ．0 0 0 E 0 4 45 0 0 E 0 4 4 ．0 0 0 E 0 4 35 0 0 E 0 4 30 0 0 E 0 4 25 0 0 E 0 4 20 0 0 E 0 4 1 ．5 0 0 E 0 4 l0 0 0 E 0 4 4 ．0 0 0 E 0 4 00 0 0 E 0 4 50 0 0 E 0 4 45 0 0 E 0 4 40 0 0 E 0 4 35 0 0 E 0 4 30 0 0 E 0 4 25 0 0 E 0 4 20 0 0 E 0 4 15 0 0 E 0 4 l0 0 0 E 0 4 40 0 0 E 0 4 0 ．0 0 0 E 0 4 ；．舢0 0 0 E 0 埘41 d 0 0 0 E 0 5 ．_ 二0 0 0 E 0 5 ‘ 4 0 0 0 E 0 5 穗 ．锹0 。O E 埘 0 4 { ；．哪2 0 0 E 0 州4 耋 4 ．4 0 0 E 0 4 ● 4 0 0 0 E 0 4 - 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 O 0 O 0 O 0 O O O 0 O 十十 E E E E E E E E E E E O 0 O O O O O O 0 O O O 0 O 0 O 0 0 O 0 O 0 O 5 0 5 0 5 0 5 O 0 O 5 4 4 3 3{一●●4 0 豢溢■■■■●■■■●●●■器嚣 万方数据 7 0爆破2 0 1 3 年1 2 月 a 方案l a S c h e m e 5结论 a 方案1 a S c h e m e l b 方案2 f } 1S c h e m e2 图 2 ．7 5m s w a v ef i g u r ea t2 ．7 5m s b 方案2 h S c h e m e2 图9 压应力波图 4 ．7 0m s F i g ．9 C o m p r e s s i o ns t r e s sw a v ef i g u r ea t4 ．7 0m s 1 实施顶板预裂爆破技术，有效地降低了综 采面老顶初次来压的强度，减小了对综采面人员的 威胁和设备、设施的破坏。 2 顶板爆破卸压可以提前对采空区顶板进行 松动预裂，释放沿空侧顶板压力，能有效地减少侧向 压力对实体煤侧的应力集中程度。6 2 0 3 工作面开 切眼实施深孔预裂爆破后，开切眼多处顶板冒落，产 生大量裂隙，实现了顶板预裂的目的。 3 在不增加施工难度和施工量的基础上，将 部分钻孔相间错位布置，总体上使钻孔形成“三角 形”分布，这样便能在很大程度上更充分地利用炸 药产生的能量，提高炮眼利用率，而且爆破后形成的 块度得到更好地控制，有利于爆破后的后续工作，减 小对设备的影响。 4 传统爆破方案优化采用理论计算与工程类 比方法，能够起到一定作用，然而不够直观准确。针 对实际爆破条件，采用数值模拟软件进行仿真模拟， 能够直观准确地显现各个方案的优缺点，为爆破方 案优化提供了一种新的思路。 [ 1 ]李忠华，潘一山．采煤工作面冲击地压的解析分析 [ J ] ．辽宁工程技术大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 2 2 4 0 4 2 ． ；裟器1 4 0 0 0 E 0 5 J 2 0 0 0 E 0 5 。 4 0 0 0 E 0 5 々 猢嚣{ 勰觳i 4 4 0 0 E 0 4 I 40 0 0 E 0 4 ．．1 i t [ 1 ] L IZ h o n g h u a ，P A NY i - s h a n ．A n a l y t i c a ls o l u t i o no fr o c k - b u r s to nw o r k i n gs u r f a c e [ J ] ．J o u r n a lo fL i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y N a t u r a lS c i e n c e ，2 0 0 2 2 4 0 - 4 2 ． i n C h i n e s e [ 2 ] 蔡建德，刘建辉，李化敏．爆破卸压技术在防治岩爆中 的应用研究[ J ] ．爆破，2 0 0 8 ，2 5 3 1 ．4 ． [ 2 ] C A IJ i a n d e ，L I UJ i a n - h u i ，L IH u a - m i n ．A p p l i c a t i o no fr e l i e v i n gs h o t i n p r e v e n t i o no fr o c kb u r s t [ J ] ．B l a s f f n g ， 2 0 0 8 ，2 5 3 1 - 4 ． i nC h i n e s e [ 3 ] 宗琦，任庆峰．煤矿硬岩下山巷道掘进中深孔爆破 技术试验研究[ J ] ．爆破，2 0 1 l ，2 8 2 4 9 - 5 2 ． [ 3 ] Z O N GQ i ，R E NQ i n g f e n g ．E x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nm i d d e e ph o l eb l a s t i n gt e c h n o l o g yi nd i p h e a dt u n n e lo fc o a l m i n eh a r dr o c k [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 1 ，2 8 2 4 9 - 5 2 ． i n C h i n e s e [ 4 ] 颜事龙，陈叶青．岩石集中装药爆炸能量分布的计算 [ J ] ．爆破，1 9 9 3 ，1 0 2 3 5 - 3 9 ． [ 4 ] Y A NS h i l o n g ，C H E NY e - q i n s ．D i s t r i b u t i o n so fe x p l o s i o n e n e r g yb y c o n c e n t r a t e d c h a r g ei nr o c k [ J ] ．B l a s t i n g ， 1 9 9 3 ，1 0 2 3 5 - 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3 3 5 4 ． Z H E N GB i n g X U ，W E IX i a o f i n ，C H E NQ i n g - s h o u ．M e c h a n i c a la n a l y s i so fc u t t i n g s u p p o r td e s t a b i l i z a t i o no fh i 【g h r e i n f o r c e dc o n c r e t ec h i m n e y 『J1 ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c k M e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 7 ，2 5 S 1 3 3 4 8 - 3 3 5 4 ． i nC h i n e s e [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 王斌，梁开水，张建华．高耸建筑物定向爆破中切口 长度安全范围的研究[ J ] ．中国安全科学学报， 2 0 0 4 5 1 4 2 0 ． W A N GB i n ，L I A N GK a i s h u i ，Z H A N GJ i a n h u a ．S t u d yo n t h es a f er a n g eo fb l a s t i n gc u tl e n g t hi nd i r e c t i o n a l l yb i a s t i n gt h et o w e r yb u i l d i n g [ J ] ．C h i n aS a f e t yS c i e n c eJ o u r h a l ，2 0 0 4 5 1 4 - 2 0 ． i nC h i n e s e 王希之，年鑫哲，刘晓峰，等．遵义电厂冷却塔爆破拆 除[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 7 1 6 4 - 6 6 ． W A N GX i z h i ，N I A NX i n z h e ，L I UX i a o f e n g ．E x p l o s i v e d e m o l i t i o no fc o o l i n gt o w e ri nZ u n y ip o w e rp l a n t [ J ] ． B a s t i n g ，2 0 1 0 ，2 7 1 6 4 _ 6 6 ． i nC h i n e s e 唐海，梁开水．烟囱爆破倾倒折断的力学浅析[ J ] ． 爆破，2 0 0 3 ，2 0 3 9 一1 1 ． T A N GH a i ，L I A N GK a i s h u i ．M e c h a n i c sa n a l y s i so ff a l l d o w np r o c e s so fc h i m n e yb yb l a s t i n gd e m o l i t i o n [ J ] B i a s r i n g ，2 0 0 3 ，2 0 3 9 1 1 ． i nC h i n e s e 叶海旺，薛江波，房泽法．基于L S D Y N A 的砖烟囱爆 破拆除模拟研究[ J ] ．爆破，2 0 0 8 ，2 5 2 3 9 - 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