切頂留巷深孔預裂爆破炮孔間距數值模擬分析

李 培,謝 平,張文超,王夢想,黃文堯,牛草原

(1.淮浙煤電有限責任公司,安徽 淮南232001;2.淮浙煤電有限責任公司顧北煤礦,安徽 淮南 232001;3.安徽理工大學 土木建筑學院,安徽 淮南 232001;4.安徽理工大學 化學工程學院,安徽 淮南 232001)

0 引言

近年來,隨著我國對提高煤炭資源開采回收率的重視,無煤柱沿空留巷在煤礦中的應用越來越廣泛,切頂留巷深孔預裂爆破技術是無煤柱沿空留巷成功與否的關鍵。 普通沿空留巷由于采空區側缺少堅硬的巷幫支護,采取切頂留巷,將基本頂切斷,失去力學聯系的頂板垮落后在采空區側形成巷幫。孫曉明等[1]在薄煤層分析計算切頂留巷關鍵技術中,確定了切頂的關鍵參數,將研究成果進行工業性試驗并取得了良好的試驗結果。 郭志飚等[2]以某礦 3118 工作面實際工程地質條件,開展薄煤層的切頂卸壓成巷關鍵參數的研究,確定了切頂角度和切頂厚度的解析公式,并進行了現場試驗,達到了較好的圍巖控制效果。 蘇超等[3]通過數值模擬進一步分析和確定了切頂角度,并分析了不同切頂參數條件下工作面礦壓的顯現規律。 何滿潮等[4]分析了聚能爆破的優缺點,并針對切頂技術優化了聚能爆破技術,提出了雙向聚能拉伸爆破技術,將其應用到現場硐室巖臺的爆破作業中,取得較好的效果。 張杰等[5]基于深孔預裂爆破破巖機制的分析從而確定炮孔間距為60 cm 時可以起到很好的切頂卸壓效果;原文杰等[6]研究了不同炮孔間距條件下間隔裝藥和不間隔裝藥對爆破效果的影響,間隔裝藥間距在1.0、1.4、1.8 m 時的爆破效果比不間隔裝藥的效果要好;張旭進等[7]研究了不耦合裝藥結構和聚能裝藥結構在定向爆破巖石中的效果差異,聚能裝藥結構在不耦合裝藥量少的情況下,仍然可以達到爆破效果;馬波濤等[8]研究了不同的深孔爆破起爆方式對爆炸產生裂紋的影響,逐孔起爆的方式要比齊發起爆的破巖效果要好;羅黎明等[9]對炸藥爆速對深孔爆破的影響進行建模分析,炸藥爆速越高,其爆破破巖效果越好。 雖然許多學者對深孔預裂爆破做了大量的研究[10-12],但是炮孔間距對深孔爆破切頂效果的影響研究仍然較少,針對深部煤礦不同炮孔間距對巖石頂板的爆破效應影響進行有限元模擬,建立有、無地應力雙孔預裂爆破模型,從炮孔間裂紋擴展和現場實測分析不同炮孔間距條件下最優的炮孔間距。 這為深孔爆破在實際工程中更好地應用提供了重要的參考價值。

1 數值模型建立

1.1 本構模型參數

爆破破巖一般采用流固耦合算法結合ALE 算法進行動力有限元分析,流固耦合算法用于流體單元和固體單元的相互耦合,利用LS-DYNA 建立數值模型,巖石的本構模型選用RHT 模型,RHT 模型中包含較多的參數,本次模擬的巖石為近30 m 厚的砂巖頂板,巖石整體性較好,其物理參數見表1。

表1 頂板巖石物理參數

根據淮南某回采工作面切頂留巷深孔預裂爆破技術方案,建立有、無地應力條件下和有地應力條件下雙孔的頂板爆破預裂模型。

在劃分網格的過程中,要注意網格劃分的均勻性,全部劃分為規則的六面體,并且巖石單元的網格劃分大小要盡量與空氣單元的網格劃分大小近似。 為了方便網格劃分,先在ANSYS 軟件中利用工作面對巖石、空氣和炸藥分開建模,這樣進行網格劃分時,單元上的線可較為容易地選擇。 分別進行網格劃分后,利用ANSYS 中的移動功能把空氣和炸藥移動到巖石上設定的位置,進行文件的輸出,在LS-PrePost 中對模型進行邊界條件的施加,雙孔預裂爆破模型中巖石單元的尺寸設置為280 cm×200 cm×0.1 cm,空氣單元的尺寸設置為240 cm×160 cm×0.1 cm,炮孔直徑為50 mm,采用不耦合裝藥,不耦合系數為1.43,裝藥直徑為35 mm。為了研究切頂炮孔的最優間距,模型分別設置間距為10、12、14、16 倍炮孔直徑。

1.2 網格劃分

1)雙孔模型

圖1 為雙孔模型的部分示意圖,圖中紅色部分為巖石,藍色部分為空氣,綠色部分為炸藥。

圖1 雙孔模型

2)巖石、空氣和炸藥網格劃分

巖石、空氣和炸藥的網格劃分如圖2 所示。 其中,巖石劃分單元數為40 000 個,空氣劃分單元數為39 656 個,炸藥劃分單元數為128 個,單元總數為79 784 個。

圖2 模型網格劃分

2 模擬結果分析

從模型的有效應力云圖、有效應力時程曲線和炮孔間裂紋擴展等角度來分析不同炮孔間距條件下最優的炮孔間距;從有效應力云圖、巖石單元質點振動速度時程曲線擬合和炮孔裂紋擴展等角度綜合判斷深孔預裂爆破對巖石頂板的影響范圍。

2.1 無地應力

當炮孔間距為炮孔直徑10～16 倍時,其不同時刻的炮孔裂隙圖如圖3 所示。

圖3 不同炮孔間距200 μs 炮孔裂隙圖

由圖3 可知,當炮孔間距為50 cm 時,炮孔連線中點垂直方向上的損傷較大,造成了炮孔周圍無關巖體的損傷,形成了貫穿裂縫;當炮孔間距為60 cm 時,兩炮孔間也形成了貫穿裂縫,但是比炮孔間距為50 cm 時的裂縫密度低;當炮孔間距為70 cm 時,兩炮孔間的裂縫剛剛貫穿,只造成了連線方向上的損傷;當炮孔間距為80 cm 時,裂縫向炮孔連線中心點處發育但裂縫并未貫穿。 綜上可知,在無應力條件下,炮孔間距為70 cm 時,炮孔間距為炮孔直徑14 倍,爆破切頂的效果最好。

2.2 有地應力

在實際的工程背景下存在地應力,淮南某礦區埋深-900 m,經過理論推導與現場應力實測,豎直方向應力與水平應力近似相等,達到26.5 MPa,由于軌順巷道已經掘進完成,導致地應力進行了重新分布,水平應力減小。 建立深雙孔模型,分別在其垂直方向上施加26.5 MPa 的地應力,在其水平方向上施加10 MPa 的地應力。 開展同樣的模擬試驗,當炮孔間距為12 倍時,其200 μs 階段裂隙發育云圖如圖4 所示。

圖4 炮孔間距12 倍200 μs 裂隙圖

通過對比圖3 可知,有地應力時,當炮孔間距為12 倍炮孔直徑時,200 μs 裂隙圖顯示炮孔裂隙并未完全貫通,說明同一時刻下有地應力的存在,會抑制爆破裂紋的發育,地應力大的區域裂隙較少。 因此,在這個應力狀態下,當炮孔間距為12 倍炮孔直徑時,裂縫并未明顯貫通,實際進行爆破設計時,要適當縮短炮孔間距,以削弱地應力對爆破效果的約束作用,才能形成貫穿裂紋。

3 現場應用

結合淮南礦區某礦切頂留巷,采用深孔預裂爆破技術,因開采深度達到-800 m,頂板為堅硬砂巖,綜合模擬與現場實際情況,切縫炮孔直徑選擇50 mm,切縫炮孔深度13.5 m,切縫孔炮間距選擇9～11 倍炮孔直徑,即(500±50)mm。 巷道斷面切縫剖面如圖5 所示。 炸藥選用淮南舜泰化工有限公司生產的高威力三級煤礦許用水膠炸藥,規格為?35 mm×330 mm×330 g/卷。 采用聚能切縫管的規格為?40 mm×1 500 mm/根,每孔共裝7 根聚能切縫管,長度為10.5 m,封孔材料采用雙囊袋和快速封孔材料。 炮泥封孔長度為3 m。 每個炮孔裝藥數量為23 卷,共計7.59 kg,7 根聚能切縫管從孔底到孔口的裝藥卷數量分別為4.5+4.5+3+3+3+3+2,每根聚能切縫管1 發電雷管正向起爆,共7 發雷管全部并聯,一次起爆6 個炮孔。 深孔預裂爆破切頂炮孔內間隔裝藥結構如圖6 所示。

圖5 切頂炮孔水平布置圖

圖6 切頂炮孔間隔裝藥示意圖

爆破后,用窺視儀探測孔內切縫效果如圖7 與圖8 所示,從圖中可以看出,兩炮孔間距為500 mm時,炮孔間能夠形成貫穿裂紋,且裂紋方向基本與孔間距平行,裂紋沿炮孔深度貫穿深度較深,且對圍巖的破壞較小,驗證了數值模擬的準確性。 能夠有效阻斷相鄰頂板來壓時的荷載傳遞,同時,切縫面較平整,能夠在回采后,隨著頂板垮落成為較好的巖墻,便于對沿空留巷進行支護,從而保證沿空留巷的成功。

圖7 切頂留巷深孔預裂爆破孔內成縫效果

圖8 切頂留巷深孔預裂爆破孔外成縫效果

4 結論

通過對不同間距的雙孔爆破進行模擬,從有效應力云圖、有效應力時程曲線和爆炸后巖石的裂隙發育和現場爆破裂紋的擴展情況,得出以下結論:

1)針對該煤層頂板的巖石特性,無地應力時,當炮孔間距為炮孔直徑的10～14 倍時,炮孔間的裂縫成縫較好,并且對周圍巖體的損傷較小。

2)現場應用結果表明,地應力對炮孔裂紋有抑制作用,有地應力狀態下兩炮孔裂紋貫穿距離為9～11 倍炮孔直徑,并且對周圍巖體的損傷較小。