余吾矿S1203工作面开切眼处顶板深孔预裂爆破研究.pdf

172017 年第 8 期 收稿日期 2017-04-05 作者简介 高慧奇（1987-），男，山西长子人。本科学历，助理 工程师，现在山西潞安集团余吾煤业有限公司从事巷道掘进技术 工作。 余吾矿 S1203 工作面开切眼处 顶板深孔预裂爆破研究 高慧奇 潞安集团 余吾煤业有限公司，山西 长治 046103 摘 要 以余吾矿 S1203 工作面上覆顶板岩层中存在坚硬且较厚的粉砂岩层为工程背景，提出了采用深孔预裂爆破技术 对开切眼和工作面两侧顺槽实施深孔爆破。通过理论计算确定了深孔预裂爆破炮孔的垂直高度和炮眼布置方案，并通过有 限元非线性动力学软件 LS-DYNA 对爆破效果进行了模拟研究，结果表明顶板预裂效果良好，为后续工作面采空区顶板垮 落及安全高效开采起到了很好的指导意义。 关键词 坚硬 顶板 预裂 模拟 中图分类号 TD235；TD327.2 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2017.08.010 Study on roof deep hole pre splitting blasting in open cut of S1203 working face Gao Hui-qi Yuwu Mining Co.Ltd.,Luan Group,Shanxi Changzhi 046103 Abstract Based on the engineering background of the hard and thick silt sand stratum in the overlying strata of the S1203 working face in the mine, the deep hole pre splitting blasting technique is used to carry out the deep hole blasting in the open cut and the two sides of the working face. The vertical height and hole layout of deep hole presplitting blasting through theoretical calculation, and the blasting effect is simulated by nonlinear finite element dynamics software LS-DYNA, results show that the roof pre splitting effect is good, for the subsequent working face goaf roof caving and safe and efficient mining played a very good guide meaning. Key words hard roof pre splitting simulation 目前针对坚硬较厚顶板的弱化处理方法有顶板 致裂技术、顶板静压注水、顶板高压注水及爆破弱 化坚硬顶板等技术。考虑到各种技术对顶板结构的 弱化程度，选用爆破弱化坚硬顶板技术能够充分的 对坚硬顶板结构弱化处理。由于余吾矿为高瓦斯矿 井，因此在应用爆破弱化顶板技术时，采用深孔预 裂爆坚硬顶板能够有效防范高瓦斯带来的安全隐患 威胁 [3]。 1 地质概况 1.1 工作面基本概况 余吾矿 S1203 工作面布置在 3煤层中，煤层 倾角 -20，平均厚度 6.4 m。S1203 工作面高抽 巷布置于煤层顶板距离 3煤层垂直距离 30m、距离 S1203 回风顺槽水平距离 26m 位置处。S1203 工作 面由回风顺槽、高抽巷、胶带顺槽和开切眼组成， 其工作面平面布置图如图 1 所示。 图 1 S1203 工作面平面布置图 1.2 顶板概况 根据地测勘探，S1203 工作面煤层顶板岩性情 况如表 1。 由表 1 可知，S1203 工作面顶板上覆岩层中存 在一厚度为 11.5614.0m 的坚硬粉砂岩层，为了使 S1203 工作面回采过程中顶板能够及时充分垮落充 填采空区，防止因顶板不能及时垮落或者垮落困难 182017 年第 8 期 而造成的工作面大面积来压事故，需要对煤层上覆 岩层中的坚硬厚粉砂岩层进行预处理。 表 1 S1203 顶板岩性特征 岩石名称 平均厚度 m 岩 性 特 征 砂质泥岩4.45.7灰黑色，巨厚层状，平坦状断口 细粒砂岩4.16.7 灰黑色，巨厚层状，含云母，参差状断 口 粉砂岩11.5614.0灰黑色，薄层状，以平行层理为主 砂质泥岩1.64.7灰黑色，块状，局部含砂质 泥岩00.55灰黑色，薄层状，参差状断口 2 顶板深孔预裂爆破 深孔预裂爆破能够以爆破孔为中心依次向外形 成扩腔区、压碎区和裂隙区，通过并排合理间距布 置多个炮孔，能够有效的在坚硬顶板中形成一弱结 构面，从而破坏坚硬顶板的完整性，致使顶板在工 作面回采过程中更容易及时垮落充填采空区，深孔 预裂爆破后炮孔周围形成的分区结构如图 2 所示。 图 2 顶板深孔预裂爆破分区结构 根据顶板粉砂岩力学性质可知粉砂岩抗压 强度取 50.0MPa，抗拉强度为 2.90MPa，静态泊松 比取 0.24；砂岩抗压强度取 78.0MPa；抗拉强度 5.5MPa，静态泊松比取 0.23；3 号乳化炸药参数为 炸药的密度 1194.265kg/m3，炸药爆速 2800m/s，不 耦合系数 1.25；在不耦合装药的情况下可以初步估 算出其压碎区半径为 0.570.69m，裂隙区半径为 2.553.46m。 为使 S1203 工作面顶板垮落矸石充分填充采空 区，放顶最小高度 H 可根据下式初步计算 1 P M H K − （1） 式中 M- 煤层采高，机采平均厚度 3.2m，初采期间 不放顶煤； Kp-顶板岩 （煤） 层初始碎胀系数， 取1.251.3。 根据以上计算，初采期间不放顶煤，顶煤和顶 板矸石完全充满采空区垮落高度为 10.712.8m，结 合工作面顶板岩层分布情况，本次顶板炮孔的垂直 高度确定为切眼中部顶板处理高度 13.0m，靠近两 端开切眼顶板处理高度 14.0m，端头最大垂直高度 15.0m。顶板深孔预裂爆破对开切眼顶板进行预处 理如图 3 所示。 图 3 深孔预裂爆破后基本顶断裂模型 3 主要参数设计 根据理论计算和实践经验，结合工作面开采情 况，确定 S1203 工作面初采前顶板预裂主要参数 （1）顶板处理高度切眼中部顶板垂直处理 高度 13.0m，靠近两端开切眼顶板垂直处理高度 14.0m，端头最大垂直处理高度 15.0m。 （2）大孔孔径75mm。 （3）炸药密度1194.265kg/m3。 （4）炸药爆速2800m/s。 （5）径向装药不耦合系数1.25。 （6）破碎区半径为 0.570.69m。 （7）裂隙区半径为 2.553.46m。 （8）孔距3.06.0m。 （9）炮孔角度（水平仰角）3770。 （10）封泥长度不小于炮孔长度的 2030。 （11）抵抗线大于 3.5m（煤层），大于 2.0m （岩层）。 （12） 大孔药卷规格Φ60500mm， 1.5kg/卷； （13） 导爆索规格煤矿许用Φ6.50.3mm （或 Φ5.25.5mm），爆速≥ 6000m/s。 （14）孔炮泥Φ60200mm。 192017 年第 8 期 本次深孔预裂爆破共设计炮孔 59 个，其中切 眼 55 个（有 2 个孔未打设，实际布置 53 个），胶 带顺槽端头 2 个，回风顺槽端头 2 个，施工炮眼总 长 980.2m。 炮孔编号分别用数字1、2、3、4、5、6、 9、1053、54、55 表示。切眼 53 个炮孔总长 909.5m。炮孔轴线方向与切眼轴线方向平行。炮孔 距开切眼外帮0.51.0m。 胶带顺槽布置炮孔2个 （胶 1、胶 2）。胶 1 和胶 2 均位于开切眼胶带顺端头顶 板上，孔口距胶带顺槽外帮约 1.7m，胶 1 和胶 2 距 切眼外帮的 55 号炮孔距离分别为 2.5 和 4.5m。炮 孔轴线方向均与开切眼方向平行， 仰角均为65 （炮 孔仰角指炮孔与顶板之间的夹角，指向切眼内）， 炮孔长均为 16.6m。回风顺槽布置炮孔 2 个（风 1、 风 2）。风 1 和风 2 均位于开切眼回顺端头顶板上， 孔口距回风顺槽外帮约 1.7m，风 1 和风 2 距切眼外 帮的 1 号炮孔距离分别为 2.5 和 4.5m。炮孔轴线方 向均与开切眼方向平行，仰角均为 60，炮孔长均 为 14.2m。 顶板深孔预裂爆破起爆药卷、炮棍及装药结构 如图 4 所示。 a 起爆药卷示意图 b 炮棍示意图 1- 导爆索；2- 炸药卷；3- 炮泥；4- 水炮泥；5- 雷管；6- 脚线 c 装药结构示意图 图 4 深孔预裂爆破技术示意图 4 爆破效果数值模拟 针对开切眼位置顶板按照设计方案实施深孔卸 压爆破后的致裂效果，可以应用有限元非线性动力 学软件 LS-DYNA 对爆破后不同时间内的应力演化 规律进行模拟研究，模拟结果如图 5 所示。由图 5 可知，深孔预裂爆破后，在爆破后瞬间 3.0ms 内就 能形成大范围的卸压区域，当爆破发生后 7.5ms 后 顶板已经完全实现致裂需求，顶板致裂效果良好， 为后续工作面回采过程中顶板的垮落起到了很好的 引导作用。 图 5 深孔预裂爆破顶板剖面应力演化规律 5 结论 （1）潞安矿区余吾 S1203 工作面顶板存在坚 硬较厚的粉砂岩层，为了使该层顶板容易垮落，在 S1203 切眼位置处和两侧胶带顺槽中对顶板实施了 深孔预裂爆破。 （2）本次顶板深孔预裂爆破炮孔的垂直高度 确定为切眼中部顶板处理高度 13.0m，靠近两端 开切眼顶板处理高度 14.0m，端头最大垂直高度 15.0m。 （3）数值模拟结果表明在爆破后瞬间 3.0ms 内 就能形成大范围的卸压区域，当爆破发生后 7.5ms 后顶板已经完全实现致裂需求，顶板致裂效果良好。 【参考书目】 ［1］ 杨增强．煤体高压射流钻割卸压原理及其防冲研 究 [D]．徐州中国矿业大学，2014． ［2］ 左建平，孙运江，姜广辉 , 等．浅埋工作面顶板 预裂分形爆破力学与模拟分析[J]． 煤炭科学技术， 2016，44（6）33-37． （上接第 16 页） ［1］ 刘建辉 . 综采工作面刮板输送机“上窜下滑”机 理及其控制 [J]. 煤炭工程，2013，S163-65. ［2］ 赵启安，李亚军 . 激光定位在综采工作面刮板 输送机防滑的应用 [J]. 煤炭科学技术，2009， 593-94. ［3］ 张超 . 大倾角采煤工作面设备的防倒防滑措施 [J]. 煤矿机械，2011，3171-173.