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中煤内蒙乌审旗伊化矿业预裂爆破设计优化确保冲击地压安全治理

摘 要:伊化矿业30209工作面在回采期间出现强矿压显现现象。为解决强矿压显现,引入顶板深孔预裂爆破手段进行卸压。本文将以理论推导为基础,分析96Kg炸药爆破时裂隙区的范围,结合数值模拟手段对孔间距为5m、8m及10m分别进行模拟,研究不同孔间距下的塑性区发育范围,并将新的参数设计方案在现场进行试验,通过微震监测数据统计结果,对比10m孔间距时的卸压效果,验证设计的参数方案是否具有更好的卸压的效果。

关键词:预裂爆破;孔间距;参数设计;微震监测

Application of parameter design of hole spacing of roof presplitting blasting in prevention and control of rockburst

Abstract: Strong ore pressure appeared in Bayan Gaole 30209 working face during stoping. this paper analyzes the range of fracture zone in 96Kg explosive blasting, and simulates the hole spacing of 5m, 8m and 10m respectively with numerical simulation means, to study the development range of plastic zone under different hole spacing. The new parameter design scheme is tested in the field, and the statistical results of microseismic monitoring data are obtained.The pressure relief effect at 10m hole spacing is compared to verify whether the designed parameter scheme has better pressure relief effect.

Key words:Pre – splitting blasting;Hole spacing;Parameter design;Microseismic monitoring[1]

冲击地压是世界范围内煤矿矿井中最严重的自然灾害之一。在我国随着煤炭资源开采深度和开采强度的增加,矿井冲击地压等动力灾害日益加剧,严重地威胁着煤矿开采的安全[1-4]。在众多冲击地压灾害事故中,顶板灾害事故占得比例越来多大。预裂爆破作为一种在顶板岩层内部且无爆破自由面的爆破方式,是通过在上下顺槽内向煤体上方坚硬顶板高应力集中区打孔并实施爆破的技术[5-7],通过爆炸的作用破坏工作面前方顶板的完整度,降低承载能力,减小应力集中程度,将工作面前方一定范围内的高应力向深部转移。在对预裂爆破孔间距的研究方面,许多学者做了大量的工作。李汉坤[8] 针对耦合系数参数和爆破孔间距参数,通过采用数值模拟研究手段和实验室研究手段,得到了可以实现最佳卸压效果的耦合系数取值及孔间距取值范围,徐向宇、姚邦华、魏建平等[9]为了研究不同装药量、不同孔间距对岩体内波传播规律及裂纹扩展的影响,利用LS-DYNA数值模拟软件,研究不同的装药量、孔间距两组参数对预裂煤岩体增强透水、透气性效果的影响,杨林兵、李玉能[10]等通过实验和数值模拟对爆破孔间距进行研究,得出11-13倍炮孔直径作为爆破孔间距是较为合理的距离;王玉杰[11]通过对单个药包爆破作用分析,认为有3个分区即压碎区、裂隙区、弹性振动区会在爆炸发生 后在炮孔周围形成,炮孔间距可作为切入点来优化炮孔布置参数。因此,本文以伊化矿业煤矿厚硬顶板型冲击地压灾害为背景,在对超前顶板爆破防冲机制及影响因素分析的基础上,通过对顶板强度及相关爆破参数实测,采用FLAC3D数值模拟软件模拟研究不同孔间距对其防冲效果的影响并进行现场防冲实践,对比爆破前后煤岩体应力及微震事件分布变化,验证其防冲效果。

1 工程背景

伊化矿业矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗境内,矿井平面形态为一规则的多边形,东西长度7.8km,南北宽10.2km,面积55.29km2。井田3-1煤层属于全区可采煤,煤层层位稳定,煤层厚度3.09m~7.00m,平均5.51m,煤层结构简单,不含夹矸或局部含1~2层夹矸,顶板岩性主要为(粉)砂质泥岩,局部为粉砂岩和(中)细粒砂岩;底板岩性以砂质泥岩为主(柱状图见图1, 煤层采掘工程平面图见图2)。现采30209工作面顶板以厚硬厚砂岩为主,工作面回采期间厚硬顶板破断运动所形成的动载扰动直接影响工作面矿压显现情况,尤其是30209工作面回风顺槽,在工作面回采所形成的二次扰动叠加影响下,煤炮频繁、巷道变形量较大。原采用的顶板水力压裂方案达不到卸压要求,后采用顶板深孔预裂爆破进行卸压,为了达到预期卸压效果,针对孔间距设计需要进一步详细研究。

2顶板预裂爆破防冲原理

2.1 爆破卸压的防冲机制

爆破是一个极其复杂的动态过程。当爆破孔中的要全起爆之后,爆轰波就以一定的速度向各个方向传播,爆轰后的瞬间,爆炸气体已经充满整个爆破孔,爆炸气体的超压开始同时作用在孔壁上,压力将达到几千到上万MPa。由于爆破的过程是瞬间完成的,爆炸气体的压力是以冲击荷载的形式作用在孔壁周围的,因此,在煤体内必将产生冲击波。随着波阵面离开药包距离的增加,其能量扩散到越来越大的区域中,直到某一区域(约2~5r0,r0为药卷半径)冲击波衰减为应力波。随着传播距离的增加,应力波的能量降低,最后衰减为爆炸地震波。

炸药在爆破孔中爆炸后,爆源附近的煤体因受高温高压的作用而压实,强大的压力作用,是爆破孔周围形成压力场。压应力作用的结果必然引起压缩应变(压应变),使压应力场内的煤岩体产生径向位移;在切向方向上将受到拉应力作用,产生拉伸变形(拉应力)。由于煤岩体的抗拉伸能力远低于抗压能力,故当拉应变超过破坏应变时,就会在径向上产生裂隙。

在不同方向上,由于质点位移不同,各个方向的阻力也不同,因此,必然产生剪切应力。如果剪切应力超过该处煤岩体的抗剪强度,煤岩体则产生剪切破坏,形成径向剪切裂隙。以上径向裂隙、切向裂隙、剪切裂隙相互交叉、贯通,并在爆炸气体的膨胀压力作用下,向爆破孔周围扩展,形成一定的裂隙区域,分为破碎区(压碎区)、裂隙区(破裂区)及非破坏扰动区(弹性区),他们依次远离爆腔。

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图3 爆破孔卸压区分布

Fig. 3 Distribution of pressure relief zones in blasting holes

因此,可以看出预裂爆破防治冲击地压的核心是,通过爆破的动力作用及静力作用使爆破孔附近一定范围的煤体裂隙,其结构发生破坏并形成卸载带便于应力和能量的释放,消除发生冲击地压的条件,避免冲击地压的发生。

炮孔间距的确定原则为:爆破后所形成的破坏区(破碎区和裂隙区)应相互贯通,以便使两者连接形成完全的卸压带如图3.12所示。爆破孔间距过大不能实现裂隙区的贯通,达不到理想的卸压效果;爆破孔间距较小,会实现过度卸压,造成施工成本的浪费。

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图 4 卸压带示意图

Fig. 4 Schematic diagram of relief zone

当炮孔炸药起爆后,在冲击波作用下,煤岩体被破坏粉碎,从而产生了破碎区,其半径计算。

3 不同孔间距预裂爆破数值模拟分析

为了研究不同空间距对于卸压效果的影响,以伊化矿业30209工作面回风顺槽生产帮为背景进行建模分析,建立模型为300×80×58m进行模拟,模型的网格数为361920个节点数为379783个,模型采用理想弹塑性模型,服从Mohr-Coulomb屈服准则。模拟爆破孔施工角度按仰角45°,单排孔施工,孔径Φ75mm,孔深60m,装药量96Kg(煤矿许用二级乳化炸药,Φ50mm×460mm×1000g),研究孔间距5m、8m、10m对卸压效果的影响。模型各层岩石的物理力学参数见表:

表 1 模型参数

Table 1 Model parameters

序号

岩性

密度/kg.m-3

剪切模量/GPa

体积模量/GPa

内聚力/MPa

内摩擦角/o

1

中粒砂岩

2550.00

18.96

9.71

10.30

31.40

3

细粒砂岩

2306.00

22.65

19.17

1.80

37.67

4

砂质泥岩

2516.00

6.13

5.36

11.60

28.58

5

3-1煤

1300.00

1.3

0.83

13.62

19.23

6

砂质泥岩

2516.00

6.13

5.36

11.60

28.58

7

粉砂岩

2500

13.10

8.75

2.34

35.00

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(a)5m孔间距

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(b)8m孔间距

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(c)10m孔间距

图 6 不同孔间距模拟效果图

Fig. 6 Simulation renderings of different hole spacing

在96Kg炸药量、75mm爆破孔直径条件下三组孔间距模拟,当爆破孔间距为5m和8m的时候,爆破形成的裂隙区实现贯通形成了有效的卸压区域。

4 现场防冲实践

考虑现场实际施工效益及成本,选择爆破孔间距为8m,为了验证孔间距参数设计的合理性,在井下施工试验对比组,分别统计孔间距为8m、10m的时候,预裂爆破之后微震事件的分布对两种孔间距预裂爆破之后的效果。微震监测数据统计如下:

表 2 孔间距10m时微震事件能量统计

Table2 Microseismic events before pre-splitting blasting

能量范围/J

频次

总能量/J

平均能量/J

102-103

17

5810

341.76

103-104

19

73200

3852.63

>104

23

405924

17648.87

累计

59

484934

8219.22

工作面采用原10m孔间距参数设计方案时工作面监测到微震事件59个,总释放能量约4.8×105J,平均能量8219.22J。其中,能量在102-103J微震事件17个,占总数的28.8%,释放能量5810J,占总释放能量的1.1%;能量在103-104J微震事件19个,占总数的32.2%,释放能量73200J,占总释放能量的15.09%;能量大于104J微震事件23个,占总数的38.9%,释放能量约4.01×105J,占总释放能量的83.7%。

表3 孔间距8m时微震能量统计

Table 3 Microseismic energy statistics when hole spacing is 8m

能量范围/J

频次

总能量/J

平均能量/J

0-102

8

367

45.875

102-103

9

3230

358.89

103-104

37

180860

4888.11

>104

9

102000

358.89

累计

60

286457

4774.28

工作面采用8m孔间距参数设计方案时工作面监测到微震事件60个,总释放能量约2.86×105J,平均能量4774.28J。其中,能量在0-102J微震事件8个,占总数的13.33%,释放能量367J,占总释放能量的0.13% ;能量在102-103J微震事件9个,占总数的15%,释放能量3230J,占总释放能量的1.1%;能量在103-104J微震事件37个,占总数的61.67%,释放能量约1.8×105J,占总释放能量的63.14%;能量大于104J微震事件9个,占总数的15%,释放能量1.02×105J,占总释放能量的35.6%。

使用孔间距为8m的参数设计方案进行顶板预裂后微震事件主要集中分布在103-104J之间,相比于10m孔间距参数设计方案预裂爆破提高48%,微震事件大于104J降低60.87%,可以看出该工作面回采巷采用8m爆破孔间距参数设计方案进行预裂爆破卸压,总体来说可以有效的降低了工作面大能量事件的发生,证明了预裂爆破参数设计的合理性。

5 结论

1)顶板预裂爆破防治冲击地压的核心就是通过爆破的动静载作用,实现爆破之后相邻爆破孔间距的贯通,形成一条卸压带,破坏顶板的承载结构。

2)炸药量为96Kg、炮孔直径为75mm的时候,爆破孔间距为5m及爆破孔间距为8m都能实现裂隙区的贯通,对厚硬顶板承载结构实现有效的破坏。

3)微震监测系统能够实现对工作面应力变化的监测,通过微震监测数据验证爆破孔间距参数设计的合理性。

参考文献:

[1] 齐庆新,李晓璐,赵善坤.煤矿冲击地压应力控制理论与实践[J].煤炭科学技术,2013,41(06):1,5.

[2] 李宏艳,莫云龙,孙中学,李磊.煤矿冲击地压灾害防控技术研究现状及展望[J].煤炭科学技术,2019,47(01):62,68.

[3] 齐庆新,李一哲,赵善坤,等.我国煤矿冲击地压发展70年:理论与技术体系的建立与思考[J].煤炭科学技术,2019(09):1,41.

[4] 齐庆新,李宏艳,邓志刚,等.我国冲击地压理论、技术与标准体系研究[J].煤矿开采,2017,22 (1): 1-5,26.

[5]赵善坤.深孔顶板预裂爆破力构协同防冲机理及工程实践[J].煤炭学报,doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2020.1218.

[6]赵善坤,欧阳振华,刘军,张国华,王永仁,李晓璐.超前深孔顶板爆破防治冲击地压原理分析及实践研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(S2):3768,3775.

[7]苏振国,邓志刚,李国营,马斌文,李少刚.顶板深孔爆破防治小煤柱冲击地压研究[J].矿业安全与环保,2019,46(04):21-25+29.

[8] 李汉坤.不同耦合系数及孔间距对煤层爆生裂隙扩展影响的试验研究[D].安徽:安徽理工大学,2018.

[9] 徐向宇,姚邦华,魏建平, 等.煤层预裂爆破应力波传播规律及增透机理模拟研究[J].爆破,2016,33(2):32,38.

[10]杨林兵,李玉能,张少秋,朱杰超,蒲恒强.预裂孔间距的试验研究及数值模拟[J].采矿技术,2017,17(05):106-109.

[11] 王玉杰.爆破工程[M].武汉理工大学出版社, 2018.

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