不耦合爆破技術(shù)在高應(yīng)力區(qū)域卸壓效果

劉志剛，曹安業(yè)，朱廣安，王常彬，井廣成

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

沖擊地壓是一種需要采取有效措施進(jìn)行治理的巖石破壞動力現(xiàn)象。近年來隨著煤礦開采深度的增加，沖擊地壓的發(fā)生強(qiáng)度和頻度都在增加[1]。各國研究人員針對沖擊地壓災(zāi)害治理開展了大量研究工作，提出了眾多防治技術(shù)[2-3]，其中爆破卸壓技術(shù)就是一種較為有效的沖擊地壓防治技術(shù)。煤層爆破卸壓可改變煤體性質(zhì)，使其儲能性降低，起到了沖擊地壓防治作用，達(dá)到降低沖擊地壓發(fā)生概率的目的。

影響爆破效果的因素較多，其中裝藥結(jié)構(gòu)對爆破能量傳遞、破巖效果等均具有較大影響。楊仁樹等[4]利用爆炸加載數(shù)字激光動態(tài)焦散線試驗系統(tǒng)，對不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破爆生裂紋動態(tài)斷裂效應(yīng)進(jìn)行了分析。徐穎等[5]通過對爆炸產(chǎn)生應(yīng)力波破巖特征的分析，給出了更為精確的應(yīng)力波作用下裂隙區(qū)半徑計算公式。魏明堯等[6]利用數(shù)值模擬方法，分析了卸壓爆破前后圍巖應(yīng)力分布和轉(zhuǎn)移規(guī)律，并結(jié)合電磁輻射監(jiān)測技術(shù)，對采掘現(xiàn)場卸壓效果進(jìn)行了檢驗。高峰等[7]通過設(shè)計不同實驗方案，研究了誘導(dǎo)卸荷作用下巖石的力學(xué)性能弱化規(guī)律。Luo[8]通過實驗室和野外爆破實驗，對聚能爆破中爆破孔間距、爆破裂紋擴(kuò)展等參數(shù)進(jìn)行了研究。郭建卿[9]對液固耦合和不耦合爆破對孔壁的不同作用荷載進(jìn)行了實驗研究。

上述研究主要是針對爆破對巖石的破壞規(guī)律等開展研究，但現(xiàn)場沖擊地壓災(zāi)害具有多樣性特點[10-13]，針對性的防治技術(shù)更具有現(xiàn)實意義。為指導(dǎo)現(xiàn)場沖擊地壓防治工作，本文中針對不耦合裝藥爆破特點設(shè)計室內(nèi)實驗，通過應(yīng)力、聲發(fā)射(acoustic emission, AE)等信息分析爆破對承壓試件的卸壓效果；對出現(xiàn)應(yīng)力集中的掘進(jìn)巷道采取深孔不耦合裝藥爆破進(jìn)行卸壓；并運用電磁輻射、煤體應(yīng)力、數(shù)值模擬等方法對爆破效果進(jìn)行驗證。

1 不耦合裝藥結(jié)構(gòu)卸壓爆破效果實驗

為驗證不耦合爆破對承壓試樣的卸壓效果，選用水作為充填介質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)承壓試件爆破實驗。

1.1 效果驗證實驗設(shè)計

1.1.1炸藥選擇及試樣制備

實驗炸藥選用常用RDX炸藥，該炸藥的TNT當(dāng)量因數(shù)約為1.5，根據(jù)相關(guān)研究[14-15]和考慮安全因素，藥量選擇為0.3 g。

根據(jù)相似性原理，采用混凝土試件作為此次實驗的受壓材料，選用細(xì)度為100～200目的石英砂作為骨料，以熟石膏與425R水泥混合物作為膠結(jié)劑來制作試件。石英砂、水泥、石膏的質(zhì)量比為10∶1∶1.25，水膠質(zhì)量比為0.6∶1。該配比試件的單軸抗壓強(qiáng)度為2.04 MPa，容重為19.02 kN/m3，泊松比為0.2，彈性模量為1.73 GPa。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。同一方法共制作3塊試件：W1、W2、W3。

1.1.2不耦合裝藥爆破卸壓實驗程序

(1) 根據(jù)試件尺寸制備試件，并在試件成型后立即用不透水的薄膜覆蓋表面，在溫度為(20±5) ℃的環(huán)境中靜置1 d，然后拆模，拆模后應(yīng)立即放入溫度為(20±2) ℃、相對濕度為95%以上的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d，之后在試件中部預(yù)留孔內(nèi)按照圖1所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝藥，徑向不耦合系數(shù)K=2，選用水作為充填介質(zhì)。

(2) 設(shè)備安裝調(diào)試：將試件置于三軸實驗裝置內(nèi)，如圖2所示，然后將裝置安裝于SANS試驗機(jī)承壓板上，調(diào)整有球形座的承壓板，使試樣均勻受載，加載速率設(shè)定為0.8 mm/min，圍壓設(shè)定為1.5 MPa。安裝PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)[16]，記錄實驗過程的聲發(fā)射信息。

(3) 試驗機(jī)加載應(yīng)力值接近但不超過試件抗壓強(qiáng)度。

(4) 引爆內(nèi)置爆破裝置，進(jìn)行爆破。

(5) 記錄相關(guān)實驗信息并描述試樣的破壞形態(tài)。

1.2 不耦合裝藥結(jié)構(gòu)卸壓實驗數(shù)據(jù)分析

本次實驗進(jìn)行了3組爆破，并對3組實驗中軸向應(yīng)力及聲發(fā)射(AE)振鈴計數(shù)、能量進(jìn)行了歸類分析。圖3為三組試樣爆破前后“時間-應(yīng)力-累加計數(shù)-能量”曲線。從實驗的“應(yīng)力-時間”曲線來看，在達(dá)到試件抗壓強(qiáng)度之前進(jìn)行爆破，爆破后各試件均出現(xiàn)了應(yīng)力降低現(xiàn)象，最大應(yīng)力降低37.8%，這說明爆破對于應(yīng)力集中的試件具有較為明顯的卸壓作用。但之后應(yīng)力又出現(xiàn)了進(jìn)一步上升，說明爆破卸壓方法具有一定的時效性，即爆破卸壓一段時間后會出現(xiàn)應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象。從曲線上看，在試驗機(jī)加載速率不變的情況下，曲線的曲率在應(yīng)力恢復(fù)階段有一定提升，主要因為爆破后碎脹應(yīng)力的存在使應(yīng)力恢復(fù)速率有所升高。從聲發(fā)射累加振鈴計數(shù)及能量來看，由于爆破鉆孔及試件材料的離散性，所以存在一個壓密階段，在該階段出現(xiàn)了較多AE事件，壓密階段之后AE計數(shù)及能量與應(yīng)力曲線吻合度較高，在試件出現(xiàn)較明顯的受壓破裂時，應(yīng)力曲線會出現(xiàn)應(yīng)力降低現(xiàn)象，此時可以記錄到較為集中的聲發(fā)射信號，振鈴計數(shù)與能量對應(yīng)出現(xiàn)較大增長，尤其在爆破時出現(xiàn)了較為明顯的聲發(fā)射振鈴累加計數(shù)增長和能量集中現(xiàn)象。可以看出，破裂的發(fā)生與試件應(yīng)力降低、聲發(fā)射事件增多具有明顯對應(yīng)關(guān)系。

通過實驗還可以看出在爆破后試件內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的破碎現(xiàn)象，在上部軸向壓力及圍壓限制下，該破碎區(qū)域雖然已經(jīng)形成，但無法排出碎塊，進(jìn)而無法形成有效的卸壓區(qū)域，因此爆破后又出現(xiàn)了應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象。在煤層高應(yīng)力區(qū)域采取爆破卸壓措施時，應(yīng)及時進(jìn)行大直徑鉆孔將煤體內(nèi)部破碎體排出，以得到持續(xù)時間更長的卸壓效果。

2 不耦合裝藥結(jié)構(gòu)卸壓爆破工程實踐

2.1 工程實踐巷道概況

本次工程實踐選擇在山東某礦井LW5303軌道順槽，該巷道埋深在982～995 m之間，屬于典型深部開采，巷道與LW5302采空區(qū)之間僅有5 m區(qū)段煤柱，而且LW5302工作面受地面村莊壓煤問題遺留有寬度為100 m的采空區(qū)煤柱，如圖7所示。受大埋深垂直應(yīng)力、采空區(qū)側(cè)向支承壓力及采空區(qū)遺留煤柱高應(yīng)力等影響，在LW5303軌道順槽掘進(jìn)至圖4所示區(qū)域時，在巷道迎頭后方1～20 m區(qū)域，通過鉆屑法與電磁輻射法[17]發(fā)現(xiàn)有煤體應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大煤粉量達(dá)到23 kg/m，最高電磁輻射強(qiáng)度達(dá)到511 mV，而且現(xiàn)場煤炮等動壓顯現(xiàn)較為頻繁。

應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)對巷道安全造成極大影響，為了有效改善此種情況，采取了巷道近場應(yīng)力集中爆破卸壓方法進(jìn)行處理。

2.2 爆破參數(shù)

(1)爆破器材

雷管：3段毫秒延遲電雷管。炸藥：采用煤礦許用三級乳化炸藥，單支炸藥規(guī)格：直徑27 mm，長度300 mm，重量200 g，炸藥爆速2 800 m/s，炸藥密度1.1 g/cm3。起爆電源：礦用FD150-200T型發(fā)爆器。

(2)爆破孔參數(shù)

針對裂隙區(qū)的分析一直為工程爆破研究的重點，尤其在卸壓爆破時，裂隙區(qū)大小直接影響卸壓效果[18]。按照應(yīng)力波拉伸作用原理計算裂隙區(qū)半徑為：

rp=(bσd/σt)1/arc=337.23 mm

(1)

式中：rc為炸藥半徑；b=ν/(1-ν)，ν為煤體泊松比，ν=0.39；a為應(yīng)力波衰減指數(shù)，a=2-μ/(1-μ)，μ為煤體的動態(tài)泊松比,與應(yīng)變率有關(guān)，一般值取為泊松比ν的0.8 倍；σt為煤體抗拉強(qiáng)度，σt=0.67 MPa；σd為應(yīng)力波引起的初始徑向應(yīng)力，表達(dá)式為：

(2)

式中：D1為爆速；ρ0為炸藥密度；rb為爆破孔半徑；n為壓力增大系數(shù)，8

爆破孔之間的距離合理時，既能貫通裂隙，起到最佳的卸壓效果，又可以達(dá)到操作簡便并且不會對巷道圍巖結(jié)構(gòu)過度破壞。根據(jù)式(1)可得，兩爆破孔之間的裂隙區(qū)寬度為674.46 mm，考慮到驗證地點巷道圍巖支護(hù)情況，且煤巖中存在本身裂隙及中間預(yù)裂鉆孔，結(jié)合經(jīng)驗分析，爆破孔間距選擇為2 m。在巷道垂直于煤幫制造直徑為54 mm的爆破孔，高度距底板1.5 m，孔深15 m。

(3)施工排粉預(yù)裂鉆孔

為了實現(xiàn)持續(xù)更久的卸壓效果，在2個爆破孔中間采用氣動式架柱鉆機(jī)制造直徑為76 mm的排粉導(dǎo)裂鉆孔，目的有兩個：(a) 在2個爆破孔之間引導(dǎo)產(chǎn)生裂隙，增強(qiáng)爆破后的裂隙區(qū)范圍；(b) 爆破后可以及時排出破碎煤體，釋放碎脹應(yīng)力。爆破孔與導(dǎo)裂孔布置如圖5所示。

(4)裝藥

為了提高爆破孔的利用率，增高應(yīng)力波的動壓和爆轟氣體靜壓作用時間，降低炸藥消耗量并改善爆破的安全性。采用徑向不耦合反向裝藥結(jié)構(gòu)，充填介質(zhì)為水，不耦合因數(shù)K=2。現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)LW5303軌道順槽巷幫側(cè)向高應(yīng)力區(qū)域位置為12～14 m，為了改變該區(qū)域受載煤體性質(zhì)，使應(yīng)力峰值向深部進(jìn)行轉(zhuǎn)移，需要將該區(qū)域進(jìn)行裝藥爆破。裝藥長度選擇為4 m，根據(jù)煤礦許用三級乳化炸藥參數(shù)可知單孔裝藥量為2.6 kg。按圖6所示裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝藥。

(5)起爆

采用礦用FD150-200T型發(fā)爆器對爆破孔內(nèi)炸藥進(jìn)行引爆。

2.3 卸壓效果現(xiàn)場監(jiān)測驗證

在巷道迎頭實施1次卸壓爆破，巷道左幫(實體煤幫)距迎頭1～20 m范圍內(nèi)實施20次卸壓爆破。選擇電磁輻射法、煤體應(yīng)力監(jiān)測法、現(xiàn)場動態(tài)觀測法進(jìn)行效果驗證。爆破后在該區(qū)域左幫(實體煤幫)安裝了2個深度為15 m的鉆孔應(yīng)力計(初始壓力值3 MPa)，其中應(yīng)力計1距迎頭3 m，應(yīng)力計2距迎頭15 m。監(jiān)測曲線如圖7～8所示。

從校驗情況來看，經(jīng)過爆破卸壓處理的工作面其電磁輻射強(qiáng)度顯著下降，最大強(qiáng)度值下降為51 mV，小于預(yù)警值120 mV。煤體應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果顯示，在爆破后應(yīng)力有一定恢復(fù)趨勢，這與煤體重新壓實有一定關(guān)系，但應(yīng)力計最大應(yīng)力值為5 MPa左右，仍小于預(yù)警值10 MPa。同時，現(xiàn)場煤體破裂響聲、巷道圍巖變形速率等均有減少，這表明此次卸壓爆破工作起到了一定效果。

2.4 卸壓效果數(shù)值模擬驗證

結(jié)合LW5303軌道順槽實際情況，建立卸壓爆破數(shù)值模型，模擬卸壓爆破對煤體應(yīng)力分布的影響，進(jìn)一步來檢驗卸壓爆破效果。模型網(wǎng)格劃分如圖9所示，在模型中設(shè)計了一個爆破孔，設(shè)置了距爆破孔為1.0、1.5、2.0 m三個觀測點，用來監(jiān)測動載作用在該點位置的相關(guān)信息。爆破孔內(nèi)動載波形為諧波的一部分，波形中主要包含了應(yīng)力峰值和作用時間2個參數(shù)。按照式(2)可得應(yīng)力峰值為151.59 MPa，作用時間設(shè)定為2 ms。

圖10為爆破前后鉆孔附近垂直應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出：爆破前，進(jìn)行鉆孔施工后，鉆孔周圍產(chǎn)生了較為明顯的應(yīng)力分布影響，鉆孔對煤體卸壓有一定效果；爆破后，在爆破孔兩側(cè)較近區(qū)域由于爆破出現(xiàn)了小范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與現(xiàn)場破碎區(qū)碎脹應(yīng)力引起的應(yīng)力集中相對應(yīng)，但在鉆孔兩側(cè)一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力降低區(qū)域，最大應(yīng)力降幅度約為14.3%，卸壓效果明顯。

圖11為距爆破孔1.0、1.5、2.0 m處測點的垂直應(yīng)力變化曲線，從圖中可以看出：距爆破孔1.0 m測點處的垂直應(yīng)力降低點明顯超前于1.5和2.0 m處，而且各處測點均出現(xiàn)了應(yīng)力波動現(xiàn)象，這與動載的加載形式有關(guān)，1.0 m測點處波形尤為明顯；在爆破后應(yīng)力均出現(xiàn)了應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象，1.0 m測點處應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象更明顯，這也說明了爆破卸壓容易產(chǎn)生應(yīng)力恢復(fù)，同時印證了室內(nèi)實驗與現(xiàn)場監(jiān)測中出現(xiàn)的應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象，因此爆破還應(yīng)配合大直徑鉆孔加強(qiáng)卸壓持續(xù)效果。

3 結(jié) 論

(1)通過室內(nèi)承壓試件的爆破實驗，發(fā)現(xiàn)爆破后承壓試件有明顯應(yīng)力降低現(xiàn)象，聲發(fā)射信息表明爆破時會出現(xiàn)能量與振鈴計數(shù)的大幅度增加，可以看出破裂的發(fā)生與試件應(yīng)力降低、聲發(fā)射事件增多具有明顯對應(yīng)關(guān)系。同時，由于碎脹應(yīng)力的存在，爆破后試件的應(yīng)力恢復(fù)速率有所增加。

(2)在深部煤礦高應(yīng)力集中巷道中開展了深孔水介質(zhì)不耦合爆破現(xiàn)場實驗，爆破孔直徑54 mm，孔深15 m，裝藥量2.6 kg，不耦合因數(shù)K=2，爆破孔間距為2 m，2個爆破孔之間設(shè)計有排粉預(yù)裂鉆孔來增強(qiáng)卸壓效果?，F(xiàn)場爆破結(jié)束后通過電磁輻射、煤體應(yīng)力監(jiān)測、礦壓觀測與數(shù)值模擬等方法進(jìn)行了卸壓效果檢驗。爆破后電磁輻射強(qiáng)度幅值有顯著下降，煤體應(yīng)力在預(yù)警值之內(nèi)，數(shù)值模擬結(jié)果顯示爆破后一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力降低現(xiàn)象，最大應(yīng)力降幅度約為14.3%，表明本次爆破對緩解巷道應(yīng)力集中情況具有積極效果。

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