坚硬厚煤层综放开采爆破破碎顶煤技术研究.pdf

第24卷第4期煤炭学报Vol.24 No.4 1999年 8月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug. 1999 文章编号0253 - 9993199904 - 0350 - 05 坚硬厚煤层综放开采爆破破碎顶煤技术研究 谢和平1,王家臣1,陈忠辉1,解景全2,阎志毅2,田利军2 1 1 中国矿业大学 北京校区,北京100083; 21 大同矿务局,山西 大同037003 摘 要结合大同矿务局忻州窑煤矿8911工作面的综放开采实践,详细研究了顶煤松动爆破技 术的方案制定及实际应用,运用分形理论及室内爆破实验研究,得出了三角形布孔方式具有能量 利用率高、爆破效果好等优点.通过实践证明,该方案满足了在坚硬厚煤层综放开采中成功进行 顶煤预破碎的需要. 关键词坚硬厚煤层;综放开采;爆破;分形理论 中图分类号 TD 823191 文献标识码 A 在工作面支承压力作用下,顶煤从原始状态逐渐转化到放煤口的散体状态这一物理力学性态的渐变过 程中,包含了对顶煤及底煤的所有操作,也反映了放顶煤开采过程中上覆岩层的活动、采高、煤体、岩体 性质等的综合影响.随着工作面推进,这一过程也自然地动态向前推移.为了更加清晰地反映顶煤物理力 学性态的这一转化过程,可将其分为4个阶段 1 原始状态阶段 ; 2 裂隙发育阶段; 3裂隙扩展与 贯通阶段 ; 4 顶煤的碎裂与冒落阶段. 对于坚硬且裂隙不发育的厚煤层而言,采用综放开采技术时不能自行充分完成上述后3个阶段,以至 图1 顶煤松动预爆破方式 Fig11 The pre2blast sketch of top2coal 于顶煤在支架上方不能垮落或垮落块度大,因此利用 人工手段使顶煤在支架上方充分破碎是坚硬厚煤层综 放开采成功的关键问题,工程爆破是破碎煤岩体的常 用而有效的方法.根据大同矿务局忻州窑煤矿的煤层 与地质条件,采用在工作面顶煤处开两条专用爆破施 工巷道,向两侧施水平或向下微倾斜钻孔进行爆破, 称为对坚硬顶煤的松动预爆破方式.如图1所示, AB段为钻孔区;B点为起爆点;BC段为爆破后的 顶煤.煤体内的裂隙增加,整体弹性模量、力学强度 下降,使其能充分完成上述后3个阶段,达到顺利放出顶煤的目的. 图2 8911工作面巷道及爆破钻孔布置 Fig12 Layout of the tunnel and blasting hole in No18911 working face 1 顶煤松动预爆破方案中的基本参数 111 顶煤基本性质现场测试 本研究工作的具体地点为大同矿务局忻州窑煤 矿8911工作面,工作面的巷道布置见图2所示. 平均煤层厚度7106 m ,机采高度311 m.为了掌握 煤体的基本性质和提供爆破方案设计依据,在 收稿日期 1998-12-16 基金项目国家自然科学基金重点资助项目59734090 8911和8914工作面爆破工艺巷内进行了顶煤裂隙和强度空间分布现场测试.裂隙调查采用ISRM建议的详 细测线方法,强度测试采用在100 m巷道范围内取样进行点荷载试验. 裂隙量测结果说明 1裂隙分布具有明显的优势方位,即以N40E, S10E和N10W三组为主,倾角以60～85 为主. 2煤体内裂隙不发育,在巷道表面所见到的煤体裂隙密度与内部的裂隙密度有较大差异.当以爆破 方式掘进巷道时,巷道表面的裂隙密度会成倍增长,巷道表面裂隙中含有爆破裂隙与卸荷裂隙.煤体内的 平均裂隙密度不大于1113条/ m ,据此,可以认为靠顶煤自行垮落时,平均顶煤块度不小于019 m. 图3 I s50 沿巷道轴向的变化 Fig13 Variation ofI s50 along the tunnel 3裂隙间距的分布为负指数和对数正态分布,裂 隙半迹长服从正态或对数正态分布. 为了掌握煤体强度的均质性与波动性,在8914工作 面爆破工艺1巷30号点至3915号点运用QY型点荷载仪 器进行了204块煤样试验,结果见图3所示. 从图3中可以看出,煤体的标准点荷载指数Is50随 取样点变化而有一定的波动,但总体趋势是稳定的,可 用二阶平稳的随场描述.将Is50作为一区域化地质变 量,运用地质统计学理论,求出Is50沿巷道轴线x方向 的相关距离a 210187 m和相关函数为 R x 1 01772-01000 474x 310310- 8 x3 01080 5 x 0 , 0210187 . 表1 有关力学参数的均值和标准差 Table 1 The mean value and standard variance of the mechanical parameters 项 目I s50 / MPa单向抗压强度/ MPa单向抗拉强度/ MPa 均 值11559 53714311247 6 标准差01612 31416901489 8 现场点荷载试验结果表明 1 11～12号合并层煤体具有很好的连续 性,即强度相关距离达210 m ,说明利用煤体的 局部强度指标基本上可以反映整个煤层的强度特 点.在进行顶煤预爆破有关方案设计时,可将煤 体作为均质体,统一考虑. 2煤体的强度高,单向抗压强度均值达 37143 MPa ,而波动范围较小,变异系数只有01392 6 标准差/均值 , 这也说明了整个煤层均属坚硬煤 层,很难出现局部煤层强度减弱情况. 图4 工作面前方爆破前后的支承压力 Fig14 The supporting pressure before and after blasting in front of the working face 1 爆破前; 2 爆破后 112 顶煤松动预爆破超前距离 运用三维FLAC有限差分计算机软件,分析8911工 作面的矿山压力分布规律及顶煤破坏情况如图4所 示 . 计算结果表明 1支承压力具有明显的分区特征,其峰值位于煤 壁前方5～7 m处,与室内模拟试验和现场实测一致; 2无论开切眼处还是工作面推进到正常位置,不 进行预爆破时,支架上方只有2 m以内的顶煤发生破坏; 3采用爆破技术弱化顶煤以后,顶煤破坏区域扩 大,向上和向前分别增加了4 m和2 m ,支承压力区平 坦而分散,支承压力峰值区向前移了2 m. 153第4期 谢和平等坚硬厚煤层综放开采爆破破碎顶煤技术研究 表2 不同夹制压力分维实验结果 Table 2 Fractal experiment results under different confine pressure 项 目 夹制压力 3p115pp 块数分维11156 7111523 4921177 83 块度分维11072 9311284 7011873 58 表面裂隙分维11445 7311512 0411603 93 对三角形布孔不同夹制压力情况下的爆破实验及 分形统计结果表明表2 ,夹制压力大,块度、块 数及表面裂隙分维数均较小,说明爆破效果较差.为 此,顶煤预爆破的起爆位置要在支承压力的峰值区以 外. 根据上述分析,将顶煤松动预爆破超前距离确定 为20 m. 113 合理炸药单耗量 通过现场爆破漏斗试验及参考相关工程爆破作业 图5 爆破震动速度与加速度衰减曲线 Fig15 The decay curves of shock velocity and acceleration 1 振动速度曲线; 2 振动加速度曲线 情况,根据矿山实际使用的3号铵梯炸药,爆力 240 cm3,猛度h 10 mm ,确定最低的顶煤松动预爆破 实施的炸药单耗量为0128～0135 kg/ m3. 114 一次最大起爆炸药量 通过爆破震动测试见图 5 及空气冲击波超压计 算,按给定的质点允许振动速度为20 cm/ s计算,确定 一次最大起爆药量为750 kg. 2 爆破方案的分形理论研究 爆破作用最终形成的裂隙、块度的分形维数具有时 间特征与空间特征.煤体深孔爆破破碎过程中,爆破后 裂隙是一种由微裂隙演化和集聚的分形行为而形成的分 形结构,不同分形维数与各爆破参数、能量分布和耗散存在一定的关系.爆破破裂块体分维不仅反映块体 的均匀性特征,也反映了空间裂隙总体的分布情况.爆破表面裂隙分维,能够体现出煤体爆破破裂裂隙的 一些信息;垂直和平行表面的剖面上的裂隙分布,则反映了爆破裂隙空间不同层次的分形特征. 煤体爆破破裂时,裂隙每扩展一步,就增加了新的断裂表面,从而需要耗散更多的能量.应力波能量 转化为应力波破岩区形成新表面所需的表面能,爆生气体的后继破岩则视为一个准静态过程. 实验研究结果表明裂隙分布密度与分维之间成正比关系,也即分维数值与耗散能量密度成正比关 系,爆破后块度和破裂裂隙分布分维数值越大,耗散能量密度越大,煤体内部产生的裂隙越复杂,比表面 面积越大,煤体破裂块度越小且均匀,顶煤预爆破破裂充分,也更容易达到所要求的尺度. 表3 同等炸药单耗和试验条件下的不同布孔方式的分维数 Table 3 Fractal dimension of different blasting hole distribut2 ion under the certain charge and experiment condition 分维值矩形布孔矩形孔中间加空孔三角形布孔 块数分维11390 0111538 3111603 35 表面裂隙分维11159 7511359 4311388 26 为具体定量地比较矩形、五孔矩形加空 孔与三角形布孔方案的优劣图6 ,观察不 同方案裂隙发育贯通与分布规律,得出3种方案 爆破后块度、表面裂隙的分维表3 .实验分 析表明,分形维数能准确地反映出煤体预爆破作 用产生的破裂综合信息. 结果表明,在同等药量情况下,三角形布孔 的爆破块数及表面裂隙分维均大于其它布孔方式,而矩形布孔中间加空孔的方案要优于单纯矩形布孔方 式,但矩形布孔中间加空孔的方案较三角形布孔方案多施工1/ 3钻孔,因此三角形布孔方案是3种方案中 的最优方案,也是现场工业试验中重点考虑的方案. 3 顶煤松动预爆破技术的现场工业试验 8911综放试验工作面长为150 m ,可采长度522 m ,平均煤层厚度7106 m ,巷道布置为两条底板煤巷 253煤 炭 学 报 1999年第24卷 和两条顶板煤巷图2 ,两条顶板煤巷作为专用顶煤松动预爆破工艺巷.现场工业试验期间,三角形布 孔方案的参数见图6及表4. 图6 三角形爆破方案 Fig16 The scheme of triangle blasting hole 表4 三角形爆破方案的基本指标 Table 4 Basic indices of triangle blasting hole scheme 项 目指 标项 目指 标 布孔方式三角形中部孔底距/ m516 孔间距/ m210端部孔底距/ m510 排间距/ m017孔药量/ kgm- 1210 孔径/ mm60孔爆破量/ m3m- 14177 药卷直径/ mm50炸药单耗量/ kgm- 30134 装药结构轴向连续雷管单耗量/支m- 301013 1 封孔长度/ m610 工业试验结果表明,通过对坚硬顶煤实施上述预爆破技术方案,采用“一采一放”,双轮顺序放煤, 工作面正常开采时,放煤口见矸率达86 ,放出顶煤的块度在110 m以上的占2160 , 017～110 m的占 6133 , 014～017 m的占58136 , 014 m以下的占32171 ,加权平均块度为0148 m ,满足支架正常放煤 的需要,顶煤采出率达76 ,工作面煤炭采出率达84135 ,平均月产量为1018万t ,说明该顶煤松动预 爆破技术方案取得了良好的实际效果. 从工程爆破讲,适当增大钻孔直径,如100～150 mm ,可增加每米孔装药量和每米爆破量,减少钻孔 施工量,也是今后继续努力的方向.但就目前我国钻机、钻具条件和钻孔施工的特殊性,采用大孔径施工 的难点之一就是排粉困难和需注入大量的高压水,这势必会造成大量的水流入施工巷道和下渗到工作面, 影响生产. 4 结 论 1通过理论分析、数值模拟、室内实验和现场实施,获得了在现有条件下合理的顶煤松动预爆破技 术方案.顶煤松动预爆破技术方案的主要技术参数超前工作面20 m起爆,三角形布孔方式,孔径 60 mm ,孔间距2 m ,排间距017 m ,孔底距工作面顺槽内侧煤壁5 m ,封孔长度6 m ,一次最大起爆药量 750 kg. 2将分形理论与三维数值模拟、爆破工程和理论、采矿工程相结合,定性定量地确定了顶煤松动预 爆破技术的合理布孔方式,充分的理论研究为现场爆破方案的实施与试验提供了科学依据. 3在坚硬厚煤层中,通过对顶煤进行预松动爆破破碎处理,可成功地应用综放开采技术,工作面月 产量达10万t以上,正常开采的工作面回收率达84 以上,综放开采的直接成本较分层开采降低5153元 / t ,并可获得巨大经济效益. 作者简介 谢和平1956 - ,男,博士,教授,博士生导师,中国矿业大学校长.主要从事分形几何、岩石力学、岩石类材料损 伤力学及在采矿工程中的应用等方面的研究工作.在国内外出版中英文著作6部,发表“放顶煤开采巷道裂隙的分形研究” 等论文130余篇. 王家臣1963 - ,男,博士后,教授.中国煤炭学会煤矿系统工程专业委员会委员、秘书.主要从事岩石开挖工程随 机研究、放顶煤开采、矿业系统工程的科研与教学工作.出版著作1部,发表学术论文40余篇. 353第4期 谢和平等坚硬厚煤层综放开采爆破破碎顶煤技术研究 Study on top2coal blasting technique of full2mechanized caving in the hard thick coal seam XIE He2ping1, WANGJia2chen1, CHEN Zhong2hui1, XIEJing2quan2, Y AN Zhi2yi2, TIAN Li2jun2 11Beijing Campus , China University of Mining and Technology , Beijing100083, China;21Datong Mining Administration , Datong037003, China Abstract The top2coal blasting technique is systematically studied and used in full2mechanized caving working face 8911 of Xinzhouyao Mine of Datong Mining Administration. According to the research of fractal geometry and indoor blasting experiment , the triangle blasting hole scheme has the advantages of high energy utilization ratio and good blast2 ing results. It is practically proved that the scheme can meet the need of the production in full2mechanized caving in hard coal seam. Key words hard thick coal seam; full2mechanized caving; blast ; fractal theory 453煤 炭 学 报 1999年第24卷