董亞東,魏曉虎,高昊銳,王 團(tuán),李梓豪

(鄂爾多斯市伊化礦業(yè)資源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300)

0 引言

沖擊地壓是世界范圍內(nèi)煤礦礦井中最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。在我國,隨著煤炭資源開采深度和開采強(qiáng)度的增加,礦井沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害日益加劇,嚴(yán)重威脅著煤礦開采的安全[1-4]。在眾多沖擊地壓災(zāi)害事故中,頂板災(zāi)害事故所占比例越來越大。預(yù)裂爆破作為一種在頂板巖層內(nèi)部且無爆破自由面的爆破方式,是通過在上下順槽內(nèi)向煤體上方堅(jiān)硬頂板高應(yīng)力集中區(qū)打孔并實(shí)施爆破的技術(shù)[5-7],通過爆炸的作用破壞工作面前方頂板的完整度,降低承載能力,減小應(yīng)力集中程度,將工作面前方一定范圍內(nèi)的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。在對(duì)預(yù)裂爆破孔間距的研究方面,許多學(xué)者做了大量的工作。李漢坤[8]針對(duì)耦合系數(shù)參數(shù)和爆破孔間距參數(shù),通過采用數(shù)值模擬研究手段和實(shí)驗(yàn)室研究手段,得到了可以實(shí)現(xiàn)最佳卸壓效果的耦合系數(shù)取值及孔間距取值范圍,徐向宇等[9]為了研究不同裝藥量、不同孔間距對(duì)巖體內(nèi)波傳播規(guī)律及裂紋擴(kuò)展的影響,利用LS-DYNA數(shù)值模擬軟件,研究不同的裝藥量、孔間距2組參數(shù)對(duì)預(yù)裂煤巖體增強(qiáng)透水、透氣性效果的影響,楊林兵等[10]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)爆破孔間距進(jìn)行研究,得出11～13倍炮孔直徑作為爆破孔間距是較為合理的距離;王玉杰[11]通過對(duì)單個(gè)藥包爆破作用分析,認(rèn)為有3個(gè)分區(qū)即壓碎區(qū)、裂隙區(qū)、彈性振動(dòng)區(qū)會(huì)在爆炸發(fā)生后在炮孔周圍形成,炮孔間距可作為切入點(diǎn)來優(yōu)化炮孔布置參數(shù)。因此,以伊化礦業(yè)煤礦厚硬頂板型沖擊地壓災(zāi)害為背景,在對(duì)超前頂板爆破防沖機(jī)制及影響因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,通過對(duì)頂板強(qiáng)度及相關(guān)爆破參數(shù)實(shí)測(cè),采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬研究不同孔間距對(duì)其防沖效果的影響并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)防沖實(shí)踐,對(duì)比爆破前后煤巖體應(yīng)力及微震事件分布變化,并驗(yàn)證其防沖效果。

1 工程背景

伊化礦業(yè)礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗境內(nèi),礦井平面形態(tài)為一規(guī)則的多邊形,東西長(zhǎng)度7.8 km,南北寬10.2 km,面積55.29 km2。井田3-1煤層屬于全區(qū)可采煤,煤層層位穩(wěn)定,煤層厚度3.09～7.00 m,平均5.51 m,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不含夾矸或局部含1～2層夾矸,頂板巖性主要為砂巖,局部為粉砂巖。圖1為煤層柱狀圖,圖2為煤層采掘工程平面圖。現(xiàn)采30209工作面頂板以硬厚砂巖為主,工作面回采期間厚硬頂板破斷運(yùn)動(dòng)所形成的動(dòng)載擾動(dòng)直接影響工作面礦壓顯現(xiàn)情況,尤其是30209工作面回風(fēng)順槽,在工作面回采所形成的二次擾動(dòng)疊加影響下,煤炮頻繁、巷道變形量較大。原采用的頂板水力壓裂方案達(dá)不到卸壓要求,后采用頂板深孔預(yù)裂爆破進(jìn)行卸壓,為了達(dá)到預(yù)期卸壓效果,針對(duì)孔間距設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步研究。

圖1 煤層柱狀圖Fig.1 Histogram of coal seam

2 頂板預(yù)裂爆破防沖原理

2.1 爆破原理

爆破是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程。當(dāng)爆破孔中的炸藥全起爆之后,爆轟波就以一定的速度向各個(gè)方向傳播,爆轟后的瞬間,爆炸氣體已經(jīng)充滿整個(gè)爆破孔,爆炸氣體的超壓開始同時(shí)作用在孔壁上,壓力將達(dá)到幾千到上萬MPa。由于爆破的過程是瞬間完成的,爆炸氣體的壓力以沖擊荷載的形式作用在孔壁周圍,因此,在煤體內(nèi)必將產(chǎn)生沖擊波。隨著波陣面離開藥包距離的增加,其能量擴(kuò)散到越來越大的區(qū)域中,直到某一區(qū)域(約2～5r0,r0為藥卷半徑)沖擊波衰減為應(yīng)力波。隨著傳播距離的增加,應(yīng)力波的能量降低,最后衰減為爆炸地震波。

圖2 采掘工程平面示意Fig.2 Plane of mining engineering

2.2 頂板裂隙產(chǎn)生原理

炸藥在爆破孔中爆炸后,爆源附近的煤體因受高溫高壓的作用而壓實(shí),強(qiáng)大的壓力作用,使爆破孔周圍形成壓力場(chǎng)。壓應(yīng)力作用的結(jié)果必然引起壓縮應(yīng)變(壓應(yīng)變),使壓應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的煤巖體產(chǎn)生徑向位移;在切向方向上將受到拉應(yīng)力作用,產(chǎn)生拉伸變形(拉應(yīng)力)。由于煤巖體的抗拉伸能力遠(yuǎn)低于抗壓能力,故當(dāng)拉應(yīng)變超過破壞應(yīng)變時(shí),就會(huì)在徑向上產(chǎn)生裂隙。在不同方向上,由于質(zhì)點(diǎn)位移不同,各個(gè)方向的阻力也不同,因此,必然產(chǎn)生剪切應(yīng)力。如果剪切應(yīng)力超過該處煤巖體的抗剪強(qiáng)度,煤巖體則產(chǎn)生剪切破壞,形成徑向剪切裂隙。以上徑向裂隙、切向裂隙、剪切裂隙相互交叉、貫通,并在爆炸氣體的膨脹壓力作用下,向爆破孔周圍擴(kuò)展,形成一定的裂隙區(qū)域,分為破碎區(qū)(壓碎區(qū))、裂隙區(qū)(破裂區(qū))及非破壞擾動(dòng)區(qū)(彈性區(qū)),他們依次遠(yuǎn)離爆腔,如圖3所示。

2.3 頂板爆破孔間距確定原理

從圖3可以看出預(yù)裂爆破防治沖擊地壓的核心是通過爆破的動(dòng)力作用及靜力作用使爆破孔附近一定范圍的煤體裂隙,其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞并形成卸載帶便于應(yīng)力和能量的釋放,消除發(fā)生沖擊地壓的條件,避免沖擊地壓的發(fā)生。炮孔間距的確定需確保爆破后所形成的破壞區(qū)(破碎區(qū)和裂隙區(qū))相互貫通,以便使兩者連接形成完全的卸壓帶,如圖4所示。爆破孔間距過大則不能實(shí)現(xiàn)裂隙區(qū)的貫通,達(dá)不到理想的卸壓效果;爆破孔間距較小,會(huì)出現(xiàn)過度卸壓,造成施工成本的浪費(fèi)。

圖3 爆破孔卸壓區(qū)分布Fig.3 Pressure relief zone distribution of blasting hole

圖4 卸壓帶示意Fig.4 Diagram of pressure relief zone

當(dāng)炮孔炸藥起爆后,在沖擊波作用下,煤巖體被破壞粉碎,從而產(chǎn)生了破碎區(qū),其半徑計(jì)算公式為

(1)

式中,Rc為粉碎區(qū)半徑,mm;ρm為巖石初始密度,kg/m3;Cp為縱波波速,m/s;σc為巖體單軸抗壓強(qiáng)度,MPa;P1為炸藥平均爆速,m/s;rb為炮孔直徑,mm。

炮孔孔間距和炮孔的角度及炮孔的深度等因素有關(guān)系,與切眼長(zhǎng)度有很大關(guān)系,目前爆破的計(jì)算公式比較多,其中最常用的公式為

(2)

α=2-b

(3)

式中,Rp為裂隙圈半徑,mm;b為徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力的比值;α為應(yīng)力波衰減指數(shù);D為炸藥爆速,m/s;ρ0為炸藥密度,kg/m3;n為壓力增大系數(shù),取值8～11;db為裝藥半徑,mm;dc為炮孔半徑,mm;St為巖石單軸抗拉強(qiáng)度,MPa。

3 不同孔間距預(yù)裂爆破數(shù)值模擬分析

為了研究不同空間距對(duì)于卸壓效果的影響,以伊化礦業(yè)煤礦30209工作面回風(fēng)順槽生產(chǎn)幫為背景進(jìn)行建模分析,建立模型以300 m×80 m×58 m進(jìn)行模擬,模型的網(wǎng)格數(shù)為361 920個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)為379 783個(gè),模型采用理想彈塑性模型,服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。模擬爆破孔施工角度按仰角60°,單排孔施工,孔徑φ75 mm,孔深60 m,裝藥量96 kg(煤礦許用二級(jí)乳化炸藥,φ50 mm×460 mm×1 000 g),研究孔間距8 m、10 m、15 m對(duì)卸壓效果的影響。模型各層巖石的物理力學(xué)參數(shù)見表1,模擬效果如圖5所示。

表1 模型參數(shù)

圖5 不同孔間距模擬效果Fig.5 Simulating effect at different hole spacing

在96 kg炸藥量、75 mm爆破孔直徑條件下3組孔間距模擬,當(dāng)爆破孔間距為8 m和10 m的時(shí)候,爆破形成的裂隙區(qū)實(shí)現(xiàn)貫通并形成了有效的卸壓區(qū)域。

4 現(xiàn)場(chǎng)防沖實(shí)踐

為了驗(yàn)證孔間距參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性,在井下施工試驗(yàn)對(duì)比組,分別統(tǒng)計(jì)孔間距為8 m、10 m的時(shí)候,預(yù)裂爆破之后微震事件的分布對(duì)2種孔間距預(yù)裂爆破之后的效果。

4.1 孔間距8 m爆破效果分析

圖6為孔間距8 m時(shí)微震事件頻次統(tǒng)計(jì),微震能量統(tǒng)計(jì)見表2。

圖6 孔間距8 m時(shí)微震事件頻次統(tǒng)計(jì)Fig.6 Frequency statistics of microseismic events at the hole spacing of 8 m

表2 孔間距8 m時(shí)微震能量統(tǒng)計(jì)

可以看出,工作面采用8 m孔間距參數(shù)設(shè)計(jì)方案時(shí)工作面監(jiān)測(cè)到微震事件60個(gè),總釋放能量約2.86×105J,平均能量4 774.28 J。其中,能量在0～1×102J微震事件8個(gè),占總數(shù)的13.33%,釋放能量367 J,占總釋放能量的0.13%;能量在1×102～1×103J微震事件9個(gè),占總數(shù)的15%,釋放能量3 230 J,占總釋放能量的1.1%;能量在1×103～1×104J微震事件37個(gè),占總數(shù)的61.67%,釋放能量約1.8×105J,占總釋放能量的63.14%;能量大于1×104J微震事件9個(gè),占總數(shù)的15%,釋放能量1.02×105J,占總釋放能量的35.6%。

4.2 孔間距10 m爆破效果分析

圖7為孔間距10 m時(shí)微震事件頻次統(tǒng)計(jì),微震能量統(tǒng)計(jì)見表3。

圖7 孔間距10 m時(shí)微震事件頻次統(tǒng)計(jì)Fig.7 Frequency statistics of microseismic events at the hole spacing of 10 m

表3 孔間距10 m時(shí)微震事件能量統(tǒng)計(jì)

工作面采用10 m孔間距參數(shù)設(shè)計(jì)方案時(shí)工作面監(jiān)測(cè)到微震事件59個(gè),總釋放能量約4.8×105J,平均能量8 219.22 J。其中,能量在1×102～1×103J微震事件17個(gè),占總數(shù)的28.8%,釋放能量5 810 J,占總釋放能量的1.1%;能量在1×103～1×104J微震事件19個(gè),占總數(shù)的32.2%,釋放能量73 200 J,占總釋放能量的15.09%;能量大于1×104J微震事件23個(gè),占總數(shù)的38.9%,釋放能量約4.01×105J,占總釋放能量的83.7%。

使用孔間距為8 m的參數(shù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行頂板預(yù)裂后的微震事件主要集中分布在1×103～1×104J,相比于10 m孔間距參數(shù)設(shè)計(jì)方案預(yù)裂爆破提高48%,大于1×104J的微震事件降低60.87%,可以看出該工作面回采巷采用8 m爆破孔間距參數(shù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行預(yù)裂爆破卸壓,可以有效的降低工作面大能量事件的發(fā)生,證明了預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)論

(1)頂板預(yù)裂爆破防治沖擊地壓的核心就是通過爆破的動(dòng)靜載作用,實(shí)現(xiàn)爆破之后使相鄰爆破孔間距的貫通,形成一條卸壓帶,破壞頂板的承載結(jié)構(gòu)。

(2)炸藥量為96 kg、炮孔直徑為75 mm的時(shí)候,爆破孔間距為8 m及爆破孔間距為10 m都能實(shí)現(xiàn)裂隙區(qū)的貫通,對(duì)厚硬頂板承載結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)有效的破壞。

(3)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工作面應(yīng)力變化的監(jiān)測(cè),通過微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證爆破孔間距參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。