預裂爆破孔間距設計在沖擊地壓防治中的應用

董亞東,魏曉虎,高昊銳,王 團,李梓豪

(鄂爾多斯市伊化礦業資源有限責任公司,內蒙古 鄂爾多斯 017300)

0 引言

沖擊地壓是世界范圍內煤礦礦井中最嚴重的自然災害之一。在我國,隨著煤炭資源開采深度和開采強度的增加,礦井沖擊地壓等動力災害日益加劇,嚴重威脅著煤礦開采的安全[1-4]。在眾多沖擊地壓災害事故中,頂板災害事故所占比例越來越大。預裂爆破作為一種在頂板巖層內部且無爆破自由面的爆破方式,是通過在上下順槽內向煤體上方堅硬頂板高應力集中區打孔并實施爆破的技術[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,減小應力集中程度,將工作面前方一定范圍內的高應力向深部轉移。在對預裂爆破孔間距的研究方面,許多學者做了大量的工作。李漢坤[8]針對耦合系數參數和爆破孔間距參數,通過采用數值模擬研究手段和實驗室研究手段,得到了可以實現最佳卸壓效果的耦合系數取值及孔間距取值范圍,徐向宇等[9]為了研究不同裝藥量、不同孔間距對巖體內波傳播規律及裂紋擴展的影響,利用LS-DYNA數值模擬軟件,研究不同的裝藥量、孔間距2組參數對預裂煤巖體增強透水、透氣性效果的影響,楊林兵等[10]通過實驗和數值模擬對爆破孔間距進行研究,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]通過對單個藥包爆破作用分析,認為有3個分區即壓碎區、裂隙區、彈性振動區會在爆炸發生后在炮孔周圍形成,炮孔間距可作為切入點來優化炮孔布置參數。因此,以伊化礦業煤礦厚硬頂板型沖擊地壓災害為背景,在對超前頂板爆破防沖機制及影響因素進行分析的基礎上,通過對頂板強度及相關爆破參數實測,采用FLAC3D數值模擬軟件模擬研究不同孔間距對其防沖效果的影響并進行現場防沖實踐,對比爆破前后煤巖體應力及微震事件分布變化,并驗證其防沖效果。

1 工程背景

伊化礦業礦井位于內蒙古自治區鄂爾多斯市烏審旗境內,礦井平面形態為一規則的多邊形,東西長度7.8 km,南北寬10.2 km,面積55.29 km2。井田3-1煤層屬于全區可采煤,煤層層位穩定,煤層厚度3.09～7.00 m,平均5.51 m,煤層結構簡單,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動所形成的動載擾動直接影響工作面礦壓顯現情況,尤其是30209工作面回風順槽,在工作面回采所形成的二次擾動疊加影響下,煤炮頻繁、巷道變形量較大。原采用的頂板水力壓裂方案達不到卸壓要求,后采用頂板深孔預裂爆破進行卸壓,為了達到預期卸壓效果,針對孔間距設計需要進一步研究。

圖1 煤層柱狀圖Fig.1 Histogram of coal seam

2 頂板預裂爆破防沖原理

2.1 爆破原理

爆破是一個極其復雜的動態過程。當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方向傳播,爆轟后的瞬間,爆炸氣體已經充滿整個爆破孔,爆炸氣體的超壓開始同時作用在孔壁上,壓力將達到幾千到上萬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,在煤體內必將產生沖擊波。隨著波陣面離開藥包距離的增加,其能量擴散到越來越大的區域中,直到某一區域(約2～5r0,r0為藥卷半徑)沖擊波衰減為應力波。隨著傳播距離的增加,應力波的能量降低,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,強大的壓力作用,使爆破孔周圍形成壓力場。壓應力作用的結果必然引起壓縮應變(壓應變),使壓應力場內的煤巖體產生徑向位移;在切向方向上將受到拉應力作用,產生拉伸變形(拉應力)。由于煤巖體的抗拉伸能力遠低于抗壓能力,故當拉應變超過破壞應變時,就會在徑向上產生裂隙。在不同方向上,由于質點位移不同,各個方向的阻力也不同,因此,必然產生剪切應力。如果剪切應力超過該處煤巖體的抗剪強度,煤巖體則產生剪切破壞,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,向爆破孔周圍擴展,形成一定的裂隙區域,分為破碎區(壓碎區)、裂隙區(破裂區)及非破壞擾動區(彈性區),他們依次遠離爆腔,如圖3所示。

2.3 頂板爆破孔間距確定原理

從圖3可以看出預裂爆破防治沖擊地壓的核心是通過爆破的動力作用及靜力作用使爆破孔附近一定范圍的煤體裂隙,其結構發生破壞并形成卸載帶便于應力和能量的釋放,消除發生沖擊地壓的條件,避免沖擊地壓的發生。炮孔間距的確定需確保爆破后所形成的破壞區(破碎區和裂隙區)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現裂隙區的貫通,達不到理想的卸壓效果;爆破孔間距較小,會出現過度卸壓,造成施工成本的浪費。

圖3 爆破孔卸壓區分布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,從而產生了破碎區,其半徑計算公式為

(1)

式中,Rc為粉碎區半徑,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系,與切眼長度有很大關系,目前爆破的計算公式比較多,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為徑向應力與切向應力的比值;α為應力波衰減指數;D為炸藥爆速,m/s;ρ0為炸藥密度,kg/m3;n為壓力增大系數,取值8～11;db為裝藥半徑,mm;dc為炮孔半徑,mm;St為巖石單軸抗拉強度,MPa。

3 不同孔間距預裂爆破數值模擬分析

為了研究不同空間距對于卸壓效果的影響,以伊化礦業煤礦30209工作面回風順槽生產幫為背景進行建模分析,建立模型以300 m×80 m×58 m進行模擬,模型的網格數為361 920個,節點數為379 783個,模型采用理想彈塑性模型,服從Mohr-Coulomb屈服準則。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(煤礦許用二級乳化炸藥,φ50 mm×460 mm×1 000 g),研究孔間距8 m、10 m、15 m對卸壓效果的影響。模型各層巖石的物理力學參數見表1,模擬效果如圖5所示。

表1 模型參數

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,當爆破孔間距為8 m和10 m的時候,爆破形成的裂隙區實現貫通并形成了有效的卸壓區域。

4 現場防沖實踐

為了驗證孔間距參數設計的合理性,在井下施工試驗對比組,分別統計孔間距為8 m、10 m的時候,預裂爆破之后微震事件的分布對2種孔間距預裂爆破之后的效果。

4.1 孔間距8 m爆破效果分析

圖6為孔間距8 m時微震事件頻次統計,微震能量統計見表2。

圖6 孔間距8 m時微震事件頻次統計Fig.6 Frequency statistics of microseismic events at the hole spacing of 8 m

表2 孔間距8 m時微震能量統計

可以看出,工作面采用8 m孔間距參數設計方案時工作面監測到微震事件60個,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,占總數的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,占總數的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,占總數的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,占總數的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時微震事件頻次統計,微震能量統計見表3。

圖7 孔間距10 m時微震事件頻次統計Fig.7 Frequency statistics of microseismic events at the hole spacing of 10 m

表3 孔間距10 m時微震事件能量統計

工作面采用10 m孔間距參數設計方案時工作面監測到微震事件59個,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,占總數的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,占總數的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,占總數的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的參數設計方案進行頂板預裂后的微震事件主要集中分布在1×103～1×104J,相比于10 m孔間距參數設計方案預裂爆破提高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爆破孔間距參數設計方案進行預裂爆破卸壓,可以有效的降低工作面大能量事件的發生,證明了預裂爆破參數設計的合理性。

5 結論

(1)頂板預裂爆破防治沖擊地壓的核心就是通過爆破的動靜載作用,實現爆破之后使相鄰爆破孔間距的貫通,形成一條卸壓帶,破壞頂板的承載結構。

(2)炸藥量為96 kg、炮孔直徑為75 mm的時候,爆破孔間距為8 m及爆破孔間距為10 m都能實現裂隙區的貫通,對厚硬頂板承載結構實現有效的破壞。

(3)微震監測系統能夠實現對工作面應力變化的監測,通過微震監測數據驗證爆破孔間距參數設計的合理性。