基于RS2 軟件深部礦井爆破斷頂預卸壓設計優化研究

張建陽，宋奕鋮，陳曦鵬

（1.兗州煤業股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273500；2.兗州煤業股份有限公司濟寧三號煤礦，山東 濟寧 272100；3.兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦，山東 濟寧 272102）

0 引 言

沖擊地壓是積聚在礦井巷道和采場周圍煤巖體中的能量突然釋放，在井巷發生爆炸性事故，產生的動力將煤巖拋向巷道，同時發生強烈響聲，造成煤巖體震動和破壞、支架與設備損壞、人員傷亡、部分巷道垮落破壞等[1]。隨著采掘深度的增加和采掘強度的增大，煤礦沖擊地壓事故的發生呈上升趨勢，沖擊地壓發生的頻度和強度明顯增加[2-3]。防治沖擊地壓發生，一是可以通過加強支護和合理的開采設計來避免應力集中；二是可以通過改變煤巖體的物理性質，使應力集中向煤巖體的深部移動[4]。

爆破卸壓斷頂可以使工作面及巷道圍巖的應力集中區向煤巖深部轉移，使煤巖體內的彈性能釋放，從而減緩或消除發生沖擊地壓的危險。影響爆破卸壓斷頂效果的因素主要有3 點：①巖體自身的性質；②炸藥的類型及使用方式；③爆破卸壓斷頂參數的設定。在前2 個因素相近的條件下，爆破卸壓斷頂參數設置可以直接決定爆破卸壓斷頂的效果[2]，以往學者們側重研究爆破卸壓斷頂的機理，但在煤層埋深較大情況下，對爆破卸壓斷頂鉆孔參數方面的研究相對較少。為此本文將研究爆破卸壓斷頂鉆孔的孔深和傾角是如何影響爆破卸壓斷頂效果的，為類似的爆破卸壓斷頂鉆孔設計提供了一定的理論依據。

圖1 爆炸后煤巖體破壞面積

爆破斷頂預卸壓是通過深孔爆破降低煤巖體應力集中的有效方法，它不僅廣泛應用于煤礦，也廣泛應用于其它地質工程[5]。如圖1 所示.深孔爆破后會形成以爆炸點為中心順次向外的破碎帶、裂隙帶、彈性帶[2]。一方面，爆破產生的一系列裂隙區域將成為釋放煤體上多余彈性能量的空間，從而起到穩定應力和能量再分布的作用；另一方面，爆破產生破碎帶和裂隙帶降低了煤體的彈性模量和強度，破壞了沖擊地壓發生的強度和能量條件[6]，從而降低了沖擊地壓發生的可能性。

破碎帶半徑RC 和裂隙帶半徑RP 與裝藥半徑rb 有一定的關系，即破碎帶半徑和裂隙帶半徑分別是裝藥半徑的2～3 倍和10～15 倍[7]，戴軍對不同類型的巖石進行了實驗，通過對比實驗數據（見表1），可以發現不同類型巖石的破碎帶半徑和裂隙帶半徑之間的差異并不顯著[8]。

表1 不同巖石爆破試驗數據的比較

在裂隙帶區域之外，還有有一層巖石因爆破而產生微裂縫，因此實際裂縫帶半徑應大于裝藥半徑的15 倍[7]。除實驗研究外，還有根據理論計算得到的破碎帶和裂隙帶的半徑分別是裝藥半徑的1.8～6.5 倍和35～75 倍[10-11]。表2 展示了不同研究者得出的結論。

表2 不同研究人員爆破數據的比較

通過對比上述結論可以發現，破碎帶半徑與裝藥半徑之間的關系是基本一致的，但裂隙帶半徑與裝藥半徑的比值在不同的研究方中差異很大：實驗得到的比值數值大多較低（10～15 倍左右），而理論計算得到的數值較高。這主要是因為，一些研究人員在進行爆破試驗時只考慮肉眼可見的宏觀裂隙，而在宏觀裂隙區域之外還有爆炸沖擊波引起的微觀裂隙區并未考慮，因此爆破引起的裂隙區范圍應大于宏觀裂隙帶半徑[7]；另一方面，一些研究人員僅通過理論計算而獲得較大的裂隙帶半徑，然而在實際條件下，爆炸沖擊波會由于各種原因過早衰減，不能達到理論影響范圍[13]。結合以往不同研究的結論，在本文的數值模擬中，設定爆破產生的破碎帶半徑是裝藥半徑的2.5 倍，裂隙帶半徑是裝藥半徑的25 倍。在數值模型中，破碎帶和裂隙帶的模擬是通過在巖體中設定特定形狀的空腔來實現的，由于軟件的技術限制和對建模簡易性的考慮，裝藥設計將使用耦合裝藥(裝藥半徑等于鉆孔半徑)，并且僅在鉆孔末端裝藥，忽略炸藥長度和直徑的差異，以及鉆孔本身對巖層的影響也被忽略；因此，爆炸產生的破碎帶和裂隙帶可視為同心球體。在二維橫截面模型中，破碎帶可簡化為圓形空腔，裂隙帶由圍繞破碎帶中心的8 個等距徑向線性空腔模擬。在該模型中，假設該模型中的裝藥半徑為50 mm，破碎帶和裂隙帶的半徑分別為125 mm 和1 250 mm。

1 數值模型建立

本文在W.Keilich 等[14]所建立的地層模型數據基礎上（見表3），利用RS2 軟件建立地質力學數字模型，設定的開挖區域長10 m，高3 m，位于煤層1之中，其直接頂為砂巖層4，直接底為砂巖層5（如圖 2 所示）。

表3 數值模型的地層列表

圖2 地質力學數字模型

在未施工爆破斷頂預卸壓時，數字模型垂直應力分布云圖如圖3 所示，峰值垂直應力為17.16 MPa，距離工作面的垂直距離為2.38 m（如圖4 所示）。

圖3 未施工爆破斷頂預卸壓數字模型垂直應力分布云圖

圖4 未施工爆破斷頂預卸壓時鉆孔垂直應力分布曲線

2 數值計算結果分析

本文討論爆破斷頂預卸壓鉆孔長度d和傾角θ對垂直應力場的影響。首先固定鉆孔傾角為0°，模擬不同鉆孔長度下垂直應力場的再分布情況，根據試驗結果，選擇最佳鉆孔長度，在此基礎上，將模擬不同傾角θ的爆破孔對垂直應力場再分布的影響。

本文選擇了7 種不同長度的爆破斷頂預卸壓鉆孔，借助RS2 軟件分別得到其對數值模型應力場再分布的影響（見表4）。

表4 鉆孔長度對數值模型應力場影響

由圖5 和圖6 可知，爆破鉆孔長度d為5 m時，即鉆孔長度約為峰值應力區域到工作面垂直距離的2 倍，爆破卸壓后的峰值應力最小為14.75 MPa，且距工作面的垂直距離最大為8.47 m。爆破鉆孔長度d 為5 m 時，在距工作面垂直距離5 m 左右的區域形成了應力為0 MPa 的低應力區，并將垂直應力分布曲線由單峰變為2 個均勻的峰，2 個峰的垂直應力均約為15 MPa，低于未實施爆破卸壓的應力17.16 MPa。 次峰垂直應力位置與爆破前峰值應力位置重疊，位于工作面后2.5 m 處，峰值應力位于工作面后8.5 m 處。

圖5 鉆孔長度與峰值應力與次峰值應力的關系曲線

圖6 鉆孔長度與應力距工作面垂直距離的關系曲線

當爆破鉆孔長度小于5m 時，峰值應力隨著鉆孔長度的增加而降低，其距工作面的垂直距離隨著鉆孔長度的增加而增加；次峰值應力和其距工作面的垂直距離隨著鉆孔長度的增加而增加。當爆破鉆孔長度大于5m 時，峰值應力隨著鉆孔長度的增加而增加，其距工作面的垂直距離隨著鉆孔長度的增加而降低。

爆破鉆孔長度d為5m 時，即鉆孔長度約為峰值應力區域到工作面垂直距離的2 倍，爆破卸壓效果最佳，本此基礎上，本文又分別模擬了7 種不同鉆孔傾角對數值模型應力場再分布的影響（見表5）。

表5 鉆孔傾角對數值模型應力場影響

由圖7 和圖8 可知，鉆孔傾角變化對峰值垂直應力基本無影響，但是隨著鉆孔傾角變大，峰值應力距工作面的垂直距離不斷減小，卸壓爆破對工作面卸壓效果明顯減小，鉆孔傾角度超過30°后，爆破卸壓不會將垂直應力分布曲線由單峰變為雙峰，說明其對工作面前的垂直應力再分布無明顯效果。

圖7 鉆孔傾角與峰值應力與次峰值應力的關系曲線

圖8 鉆孔傾角與應力距工作面垂直距離的關系曲線

根據地質力學數字模型（如圖9 和圖10 所示），當爆破鉆孔長度d為峰值應力區與工作面垂直距離的2 倍，鉆孔傾角θ為0°時，即爆破卸壓應在直接頂與煤層的交界處進行，產生最佳的卸壓效果。

圖9 爆破鉆孔長度d=5m，傾角θ=0°時，爆破斷頂預卸壓數字模型垂直應力分布云圖

圖10 爆破鉆孔長度d=5m，傾角θ=0°時，距工作面應力分布曲線

3 結 論

本文提出了幾種不同鉆孔長度和傾角的爆破斷頂預卸壓鉆孔方案。在RS2 軟件中的數值模擬結果表明，在特定的鉆孔長度和傾角下可以產生最佳爆破卸壓結果，從而將高度集中的應力區域轉移到相鄰的煤巖體上。雖然本次數值模擬結果僅針對本次設定的地質力學模型，但是本文提供了利用RS2軟件數值模擬，再結合現場實際情況，可以為類似的深部礦井爆破斷頂預卸壓參數優化設計提供一定的參考和理論依據。