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综采工作面大型构造超深孔爆破研究 ① 赵利峰1， 高文蛟2， 夏方顺2， 陈传进2， 梁俊奇2， 徐家俊2 （1.山西阳煤集团 开元矿业公司，山西 晋中 045400； 2.华北科技学院 安全工程学院，河北 三河 065201） 摘 要 利用某矿综采工作面陷落柱典型细砂岩的基本动态力学特性和水胶炸药爆炸参数，采用 Cowper-Symonds 模型，在岩体爆 破破碎区采用 Mises 破坏准则，通过 ANSYS-LS／ DYNA 有限元软件，对柱状装药在半无限岩体内爆破破裂损伤区范围进行了数值模 拟，得到了炸药半径与裂隙区半径之间的量化关系，据此设计了大直径超深孔扩裂爆破参数，并进行了现场试验研究。 实验结果表 明，采用大直径超深孔扩裂爆破快速处理综采工作面内的大型构造是可行的，回采速度提高了 40％以上，截齿消耗降低了 79.5％。 关键词 超深孔爆破； 采煤机； 截齿； 柱状药包； 综采工作面； 陷落柱； 数值模拟 中图分类号 TD235文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253-6099.2019.03.006 文章编号 0253-6099（2019）03-0025-04 Large-scale Structural Ultra-deep Hole Blasting in Fully Mechanized Mining Face ZHAO Li-feng1， GAO Wen-jiao2， XIA Fang-shun2， CHEN Chuan-jin2， LIANG Jun-qi2， XU Jia-jun2 （1.Kaiyuan Mining Company， Shanxi Yangquan Coal Group， Jinzhong 045400， Shanxi， China； 2.College of Safety Engineering， North China Institute of Science and Technology， Shanhe 065201， Hebei， China） Abstract Based on the basic dynamic mechanical properties of typical fine sandstone and explosion parameters of hydrogel explosive in subsidence pillar of a fully mechanized mining face of a mine， the damage area of cylindrical charge in the blasting-induced fractured area of semi-infinite rock mass was numerically simulated with ANSYS-LS／ DYNA finite element software， by using Cowper-Symonds model and Mises failure criterion in the blasting-induced fractured area of rock mass. Then the quantitative relationship between explosive radius and fissure radius was obtained. Based on this， the parameters of large-diameter and ultra-deep hole blasting for crack extension were designed and field test was carried out. The results showed that it was feasible to adopt large-diameter and ultra-deep hole blasting for crack extension for rapidly dealing with fully mechanized mining face with large structures. The stoping speed was increased by more than 40％ and the consumption of pick was reduced by 79.5％. Key words ultra-deep hole blasting； coal mining machine； pick； cylindrical charge； fully mechanized mining face； subsidence column； numerical simulation 在煤炭开采过程中，对综采工作影响较大的地质 构造有断层、陷落柱、侵入岩等，当工作面推进中遇到 这些地质构造时，由于介质的强度和硬度等力学参数 发生了很大的变化，采煤机在切割时截齿消耗严重，推 进速度也大打折扣，给生产连续性和产量的稳定造成 严重影响。 为了解决采煤机在通过这些构造时的推进 困难，现阶段主要根据断层或陷落柱在工作面的揭露情 况，布置若干小直径浅孔（大多数采用孔深 1.5～3.0 m） 进行扩裂爆破的办法来解决。 这种方法在断层落差较 小或陷落柱直径不大、沿工作面推进长度较小的情况 下是非常有效的。 但是，当断层落差较大或陷落柱直 径很大、沿工作面推进长度较大时，由于浅孔扩裂的介 质范围较小，爆破循环次数较多，辅助作业时间长，使 得工作效率非常低下，造成生产成本大幅度上升，且因 爆破次数多而带来的负面风险和影响也大幅度上升。 因此，为了提高工作面通过大型构造的工作效率，采用 超深孔爆破扩裂技术，加快通过大型地质构造带，稳定 煤炭生产，保障生产安全就显得非常必要。 1 半无限岩体爆破数值模拟 柱状药包在半无限岩体中爆炸瞬间释放出巨大的 爆炸能，产生爆炸冲击波和应力波，以动载荷的形式作 ①收稿日期 2019-01-06 作者简介 赵利峰（1971-），男，山西人，工程师，主要研究方向为煤矿开采。 通讯作者 高文蛟（1967-），男，湖南人，教授，博士，主要研究方向为岩石动力学、工程爆破。 第 39 卷第 3 期 2019 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №3 June 2019 万方数据 用于周围岩体，使其产生破碎和损伤[1-2]。 若将爆破 后的岩体沿垂直炮孔轴线剖开，单位长度药包的内部 作用依岩体的破坏特征大致可分为如图 1 所示的 4 个 区域，即扩大区、压碎区、裂隙区和震动区[3]。 2Rk 2Rc 2Rp 2 3 4 1 图 1 单位长度药包在岩体中的爆破作用 1 炮孔扩大区（2Rk）； 2 压碎区（2Rc）； 3 裂隙区（2Rp）； 4 震动区 本文利用某矿综采工作面陷落柱典型细砂岩的基 本力学特性和炸药爆炸参数，采用材料的 Von Mises 破坏准则，通过 ANSYS-LS／ DYNA 有限元软件[4-5]，对 柱状装药在半无限岩体的情况下，岩体爆破破裂损伤 区范围进行了模拟研究，为爆破设计的参数选取提供 了定量依据。 参考文献[6-8]所做的岩体爆生裂纹的数值模拟 成果，采用 Cowper-Symonds 模型，在屈服应力中引进 应变率因子 1＋（ ̇ ε／ C） 1 P，岩体爆破粉碎区采用 Mises 破 坏准则，破裂区采拉应力破坏准则。 计算的几何模型 为半径 500 cm，炮孔直径 91 mm，装药直径 63 mm，模 型整体采用六面体单元，岩体采用 Lagrange 算法，炸药 和空气采用 ALE 算法，炸药、空气和岩体之间采用流 固耦合方法。 待爆破区岩体为细砂岩，其基本力学参 数如表 1 所示。 表 1 细砂岩基本力学参数 密度 ρ ／ （kgm -3 ） 泊松比 μ 弹性模量 ／ GPa 屈服强度 ／ MPa 切线模量 ／ GPa 动态抗拉强度 ／ MPa 2 7700.3341100442 参考文献[6]的塑性硬化模型，岩体屈服应力与 应变率的关系式为 σ ＝1 ＋ ̇ ε C 1 P σ0＋ βEpεeff p （1） Ep＝ E0Etan E0 - E tan （2） 式中 σ 为岩体屈服应力，Pa； ̇ ε 为加载应变率，s -1 ；σ0 为岩体初始屈服应力，Pa；C 和 P 为 Cowper-Symonds 应变率参数，由材料应变率决定；β 为各向同性硬化或 随动硬化的贡献硬化参数，0≤β≤1；εeff p 为材料有效塑 性应变；Ep为材料塑性硬化模量，Pa；E0为杨氏弹性 模量，Pa；Etan为切线模量，Pa。 结合本文细砂岩在 SHPB 实验条件下获得的不同 应变率的应力-应变关系成果，计算得出 C ＝ 2.6 s -1 、 P＝3.8。 炸药为三级煤矿许用水胶炸药，状态方程为 JWL 方程。 炸药参数及 JWL 状态方程参数如表 2 所示。 模型计算单位为 cm-g-μs，边界采用无反射边界，以模 拟柱状药包在半无限岩体中爆炸情况，其中 ρ0为密 度；D 为爆速；A，B，R1，R2，ω 均为与炸药相关的材料 常数；Ev为初始比内能。 表 2 炸药及 JWL 参数表 ρ0 ／ （gcm -3 ） D ／ （ms -1 ） A ／ GPa B ／ GPa R1R2ω Ev ／ GPa 1.154200214.41.824.20.90.151.35 根据上述实验计算条件，分别将不同直径装药模 型导入 LS-DYNA 中求解，通过后处理 LS-PREPOST4.3 对裂纹起裂、止裂和裂纹扩展长度进行测算统计。 图 2 为 100 mm 直径装药从炸药爆炸到裂纹形成的过程， 表 3 为不同装药半径时爆破裂隙区半径的统计数据。 图 2 100 mm 直径装药时不同时刻岩体爆生裂纹的形成过程 （a） T＝100 μs； （b） T＝300 μs； （c） T＝500 μs； （d） T＝900 μs 表 3 装药半径与裂隙区半径统计表 装药半径／ cm裂隙区半径／ cm 2.580 3.094 3.5133 4.0155 4.5171 5.0190 62矿 冶 工 程第 39 卷 万方数据 以装药半径为横坐标、以爆破裂隙区半径为纵坐 标的坐标系中，表 3 数据的散点呈线性特征。 通过线 性回归，可得装药半径与爆破扩裂区半径之间的关系 如图 3 所示。 因此，该矿综采工作面陷落柱典型细砂 岩的基本力学特性和炸药爆炸参数所建立的数值模拟 模型，得到了装药半径与裂隙区半径之间的量化关系 式为 Rc＝ 45.9rc- 34.9（3） 式中 Rc为爆破裂隙区半径，cm；rc为装药半径，cm。 根 据式（3）可为现场爆破参数设计取值提供实验依据。 装药半径／cm 250 200 150 100 50 0 2.53.02.03.54.04.55.05.5 裂隙区半径／cm ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ y 45.9x-34.9 R2 0.9797 图 3 装药半径与爆破裂隙区半径关系 2 现场试验 2.1 现场概况 综采工作面走向长 1 423 m，倾斜长 267 m，面积 380 510.2 m2，煤层平均厚 2.73 m。 待爆区（X140 陷落 柱）位于上顺槽离综采工作面 134～234 m 的 100 m 区 域内。 X140 陷落柱细砂岩完整性较好、质理致密、强 度较大，其中长 31 m 的区域全部为白砂岩，长 63 m 的 区域上部1.5 m 为白砂岩，下部1.7 m 为泥岩。 由于本 工作面为即将回采的备采工作面，安装已完毕，且刚刚 通过上级回采前的验收工作，巷道内各种设施齐全，在 离工作面 40 m 左右、爆区 40 m 左右区域有设备列车， 待爆破侧有瓦斯抽放管和两根高压乳化液管通过，其 对侧有各种高压电缆和通信电缆等，爆破环境比较复 杂，待爆区与各结构关系如图 4 所示，且本矿井属于高 瓦斯突出矿井。 2.2 爆破参数设计 根据超深孔爆破已有的研究成果和防治煤与瓦 斯突出规定 [9]煤矿安全规程[10]的要求，确实保证 试验的安全、可控，并达到预期的爆破效果，确定如下 爆破试验的设计原则 1） 爆破施工前，必须弄清待爆区瓦斯和煤层突出 性倾向，若不清或有疑问时，必须查清后再施工，严格 图 4 待爆区与各结构关系图 按防治煤与瓦斯突出规定规定要求组织施工，以确 保生产安全。 2） 根据采煤高度，将爆破破碎范围控制在采高范 围内，不伤及到顶、底板。 3） 由于单个超深孔的一次装药量较大，为了控制 爆破震动和煤层稳定，必须严格控制一次起爆的药量。 根据上述原则，结合相关工程经验，确定炮孔直径 91 mm，炸药为三级煤矿许用水胶炸药，并装入特制直 径 63 mm、长度 1.0 m 的壳体中。 由数值模拟所得到的 炸药半径与裂隙区半径之间的量化关系式（式（3）），经 计算直径 63 mm 的药卷进行扩裂爆破，其裂隙区直径 约为 2 194 mm，孔间距取 2 200 mm，同时为了保证采 高要求，布孔采用梅花布置方式。 另外炮孔深度为 6～45 m、一次爆破药量控制在 200 kg 以内，炮孔内采 用 2 发并联煤矿许用电雷管的单点起爆方式。 试验 时，各孔深度及装药长度和填塞参数见表 4。 表 4 各炮孔参数 炮眼编号炮孔深度／ m装药长度／ m填塞长度／ m药量／ kg 13529687 23527881 355358105 44033799 53627881 63025575 73025575 83025575 93025575 104.322.36 1264212 136.342.312 147.543.512 1564212 1664212 1764212 1864212 总计369.1282846 72第 3 期赵利峰等 综采工作面大型构造超深孔爆破研究 万方数据 3 爆破效果分析 3.1 扩裂效果 为了直观检验爆破扩裂效果，利用扩裂爆破炮孔 平行综采工作面的有利条件，采用回采揭露爆破区域 炮孔附近破裂情况来说明。 图 5 为其中一个炮孔爆破 扩裂情况。 由图 5 可以看出① 爆破施工区域陷落柱 内的岩性杂乱，填充物以砂质泥岩、砂岩为主，胶结程 度中等，完整性较好。 ② 从图 5（a）中可以明显看出， 黑粗线部位即为炮孔轴线方向，炮孔钻凿定位准确、其 偏移较小，说明采用 ZDY4000L 型煤矿用全液压坑道 钻机在钻凿直径 91 mm、深度 35 m 左右炮孔时，其钻 凿精度和偏移均能满足扩裂爆破炮孔的质量要求。 ③ 对于填塞部分，由于岩石完整性较好且比较坚硬， 爆破后只使岩体原有裂隙得到扩展，其破坏作用比较 有限，长度大概为4.5 m，采煤机切割时比较缓慢，并留 有明显齿痕。 ④ 对于装药部分，沿炮孔方向爆破扩裂 的裂隙非常明显，岩块破碎均匀，爆破效果非常显著， 采煤机在采高范围内，其岩壁上未发现切割时留下的 齿痕，切割也非常流畅，说明用数值模拟所得到的炸药 半径与裂隙区半径之间的量化关系式来指导爆破设计 的参数合适、可靠。 图 5 爆破扩裂炮孔破裂情况 （a） 炮孔爆破扩裂装药部分； （b） 炮孔填塞部分 3.2 回采速度及截齿消耗分析 CX1 陷落柱推进速度和截齿消耗见表 5，回采陷 落柱 X140 推进速度和截齿消耗见表 6。 表 5 CX1 陷落柱推进速度与截齿消耗 日期截齿／ 把日推进速度／ （md -1 ） 2017-11-2782.2 2017-11-28100.6 2017-11-29131.9 2017-11-30212.5 2017-12-01273.2 2017-12-02303.6 2017-12-03894.4 2017-12-041015.2 2017-12-05573.2 2017-12-06404 平均39.63.08 表 6 X140 陷落柱推进速度与截齿消耗 日期截齿／ 把日推进速度／ （md -1 ）备注 2017-12-20125.1 2017-12-21154.0 2017-12-22121.7 2017-12-23133.9 2017-12-24202.4 2017-12-25103.9爆破段 2017-12-2684.6爆破段 2017-12-27106.0爆破段 2017-12-28124.9爆破段 2017-12-29113.6爆破段 2017-12-30135.5爆破段 2018-12-31144.4爆破段 2018-01-02134.0爆破段 2018-01-03162.8爆破段 2018-01-05104.6爆破段 2018-01-06182.2 2018-01-07122.9 2018-01-08124.3 2018-01-09132.2 2018-01-1073.4 2018-01-11263.2 平均13.193.79 从表 5 可以得出，工作面通过 CX1 陷落柱时，累计 推进距离 30.8 m，截齿消耗 396 把，用时 10 d，截齿平均 消耗 12.86 把／ m，工作面平均推进速度 3.08 m／ d。 从表 6 可以得出，工作面通过 X140 陷落柱时，累 计推进 79.6 m，截齿消耗 277 把，用时 21 d。 其中预裂 爆破的有 44.3 m，截齿消耗 117 把，用时 10 d，截齿平 均消耗 2.64 把／ m，工作面平均推进速度 4.43 m／ d；未 预裂的有 35.3 m，且这部分在工作面的岩石长度均小 于 6 m，消耗截齿 160 把，用时 11 d，截齿平均消耗 4.53 把／ m，工作面平均推进速度 3.21 m／ d。 通过数据分析比较，从中可以得到 1） 陷落柱在未爆破扩裂时，截齿消耗随岩性、切 割岩石长度不同而不同，在岩性相似时，截齿的消耗随 切割岩石长度的增加成正比增加。 2） 在 X140 陷落柱内，没有预裂爆破的区域，岩石 在工作面内的影响长度较小，截齿消耗比 CX1 陷落柱 少 8.33 把／ m，但工作面推进速度相差不大，说明在采 CX1 时，由于其切割岩石较长，使其截齿消耗大，速度 相当，说明 X140 陷落柱的岩性比 CX1 陷落柱的好，切 割难度要大。 3） 若采煤机通过 X140 陷落柱爆破扩裂区域与通 过 CX1 陷落柱时进行比较，截齿消耗降低了 79.5％， 工作面推进速度提高了 43.8％。 4） 在 X140 陷落柱内，爆破扩裂区域与未进行爆 破扩裂区域进行比较，其截齿消耗减少了 41.7％，推进 速度提高了 38％。 （下转第 31 页） 82矿 冶 工 程第 39 卷 万方数据 方向指向采空区，地表及水库附近没有出现位移区域， 对水库底基本无影响。 计算结果与理论计算一致。 图 4 7 号剖面 I2矿体开采岩层位移云图 3 结 论 1） 通过理论计算可以得出，I2矿体保护层厚度为 17.28 m，导水裂隙带高度为 39.32 m，基岩风化带高度 为 31.35 m，冒落带高度为 17.69 m。 安全隔离层厚度 计算结果为 87.95 m。 矿体最高开采标高与水库之间 距离约为 103 m，大于安全隔离层厚度。 2） 数值模拟计算表明，破坏区域最大高度位于距 I2矿体上端约 17.2 m，与冒落带理论计算结果基本吻 合，地表及水库周围岩体无围岩破坏区域及明显位移 区域，矿体地下开采对水库基本无影响，计算结果与理 论计算一致。 3） 对于相似矿体的水体下开采，防水隔离层厚度 预测分析可以通过理论及数值模拟计算相结合的方 式，既保障了地下开采的安全性，又可提高矿产资源利 用率。 参考文献 [1] 李永明. 水体下急倾斜煤层充填开采覆岩稳定性及合理防水煤柱 研究[D]. 徐州中国矿业大学矿业工程学院， 2012. 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