顶煤弱化爆破参数的数值分析①

李雷东 李文清

(1.西安科技大学，陕西西安 710054;2.鄂尔多斯煤矿安全监察分局，内蒙古鄂尔多斯 017000)

顶煤弱化爆破参数的数值分析①

李雷东1②李文清2

(1.西安科技大学，陕西西安 710054;2.鄂尔多斯煤矿安全监察分局，内蒙古鄂尔多斯 017000)

为提高坚硬厚煤层放顶煤开采回采率，本研究借助FLAC3D数值分析手段，对采用爆破技术弱化顶煤的参数进行数值模拟，最终获得装药量与煤岩体破坏程度、对钻孔周围介质的扰动频率、在钻孔周围介质中引起的剪应力大小三方面规律，为煤矿现场顶煤弱化爆破参数选择提供依据。

破岩效果;爆破参数;煤矿开采;数值分析

1 概述

对于综采放顶煤开采来说，顶煤破碎运移和冒放性成为综放开采技术成功的关键。对于坚硬厚煤层开采工作面顶煤破碎及弱化工艺的研究，不仅对综采放顶煤高产高效有直接意义，而且对完善综放开采具有重要的理论意义。因此，需要有针对性地进行长壁坚硬厚煤层顶煤弱化措施与工艺参数的研究，以便提高顶煤回收率，降低煤炭自燃等安全威胁［1－4］。

爆破对煤岩体的破坏效果体现在爆炸冲击波对孔壁煤岩体的破坏程度、扰动频率及剪应力大小，本文应用数值分析方法，对装药量与钻孔介质的破坏程度、扰动频率及剪应力大小进行研究，以便探索规律，解决现场实际问题。

2 模型建立

煤层厚度5m，宽度20m，采用二维模型，模型假设服从摩尔库伦准则，根据实际确定边界条件如下：

(1)上部边界条件：一般情况下，数值计算的上部边界条件设定为煤层上覆岩层的重量，即

式中：γ——上覆岩层的平均体积力，kN/m3;

σ——煤层上覆岩层的重量，kN/m2;

H——煤层的埋深，m。

(2)下部边界条件：本模型的下部边界条件为底板，简化为位移边界条件，在x、y方向可以运动，z方向为固定铰支座，即v=0。

(3)两侧边界条件：本模型的两侧边界条件均为实体煤岩体，简化为位移边界条件，在z方向可以运动，其他方向为固定铰支座，即u=w=0。

模型包含2720个单元、5402个节点，如图1所示：

图1 双孔数值计算模型

3 不同爆破参数时围岩破坏情况

3.1 不同装药量破岩效果

图2中的A，B，C分别模拟分析了不同装药量爆破效果。从图中可以看出，装药量的不同，对钻孔周围煤岩体的破坏程度不同，钻孔周围的裂隙扩展及延伸长度不同。在对煤岩体弱化方案参数设计时，应根据煤岩物理力学特性、钻孔区域的约束特性，确定合理的预裂弱化钻孔及钻孔装药量。

图2 不同炸药量(作用时间)时的破岩效果

3.2 不同装药量对岩体介质的扰动破坏速度

图3中的A，B，C分别模拟分析了不同装药量爆破对钻孔周围煤岩体介质的扰动破坏速度。装药量的多少用分析模型的计算时步来表示，图A为1000steps、图B为3000steps、图C为5000steps。从图中可以看出，煤岩体介质在爆炸冲击波及爆生气体的共同作用下，图A＜图B＜图C，即装药量越大，对钻孔周围介质的扰动频率越高。但根据外力作用频率对作用介质的破坏作用机理可知，当作用频率低于某一频率时，随着作用频率的增大，破坏性增大，当作用频率超过某一值时，作用频率越大，破坏性越小，这一频率成为极限频率。在实际爆破弱化参数设计时，应研究确定给定炸药、煤岩体、钻孔参数相对应的作用频率。

3.3 不同装药量在岩体介质中引起的剪应力的大小

图4中的A，B，C分别模拟分析了不同装药量爆破在钻孔周围煤岩体介质中引起的剪应力的大小情况。装药量的多少用分析模型的计算时步来表示，图A为1000steps、图B为3000steps、图C为5000steps。从图中可以看出，煤岩体介质在爆炸冲击波及爆生气体的共同作用下，图A＜图B＜图C，即装药量越大，在钻孔周围介质中引起的剪应力越高。在实际爆破弱化参数设计时，应研究确定给定炸药、煤岩体、钻孔参数相对应的装药量，做到既不过度破坏煤岩体，又能起到提高顶煤冒放性的弱化作用。

4 爆破效果分析

从不同装药量对煤岩孔壁的破坏程度及爆破作用机理可知［5－6］，装药量为1000step时，约80%的爆炸能量都消耗在对孔壁的压缩作用，衰减后的应力波在孔壁上产生的径向压应力及切向拉应力作用很小;从装药量为3000step与5000step的爆破效果可以看出，爆炸应力波的径向压应力、切向拉应力及爆生气体的气楔预裂作用基本相当，但装药量为5000step所产生的爆破震动作用较大，对煤体预裂作用较小，弹性震动作用较大。

从不同装药量对煤体的扰动频率及破坏机理可知，装药量为1000step时，扰动频率最低，破坏作用比装药量为3000step的小，比装药量为5000step的大;装药量为3000step时，扰动破煤频率居中，破坏作用在三种装药量中最大;装药量为5000step时，扰动破煤频率最大，破坏作用在三种装药量中最小。

图3 不同炸药量(作用时间)的围岩变形速度变化曲线

图4 不同炸药量(作用时间)时的围岩剪应力变化曲线

从不同装药量爆炸在煤体中产生的剪应力大小及破坏机理可知，装药量为1000step时，最大剪应力6.1MPa;装药量为3000step时，最大剪应力7.8MPa;装药量为5000step时，最大剪应力9.3MPa。

结合煤体普遍强度及炸药爆炸效应的综合作用机理，一方面为了实现顶煤预裂效果满足冒放要求，另一方面为了降低有害震动、炸药消耗量及有毒有害气体的产生，应选择相当于3000step的装药量。

5 结论

1)装药量的不同，对钻孔周围煤岩体的破坏程度不同，钻孔周围的裂隙扩展及延伸长度不同;

2)装药量越大，对钻孔周围介质的扰动频率越高。但根据外力作用频率对作用介质的破坏作用机理可知，当作用频率低于某一频率时，随着作用频率的增大，破坏性增大，当作用频率超过某一值时，作用频率越大，破坏性越小，这一频率成为极限频率。

3)装药量越大，在钻孔周围介质中引起的剪应力越高。

综上，在顶煤爆破弱化参数设计时，应根据煤岩物理力学特性、钻孔区域的约束特性、炸药特性、钻孔参数，确定合理的预裂弱化钻孔及钻孔装药量。

［1］刘洋，何川，昌珺.坚硬厚煤层综放开采顶煤弱化技术的探讨［J］.山东煤炭科技，2011 (8)：151－152

［2］贾永勇.碱泉沟煤矿顶煤弱化技术［J］.煤矿安全，2011，42(8)：54－56

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Numerical analysis on the blasting parameters of top coal weakening

LI Leidong1，2，LI Wenqing2

(1.Xi’an science and technology university，Xi’an ShanXi710054;
2.Ordos coal mine safety supervision sub-bureau，Ordos Inner Mongolia017000)

In order to improve mining rate of top coal caving in hard thick coal seam，the blasting parameters of top coal weakening have been researched by FLAC3D numerical analysis in this paper，as the result，the three aspects laws about charge weight with degree of rock and coal damage，perturbation frequency of hole material and shear stress value have contained.The research conclusion will provide according for choosing top coal weakening blasting parameters in coal mine.

Rock breaking efficiency;blasting parameters;coal mining;numerical analysis

TD235.1+4

A

1672－7169(2011)04－0033－05

2011－08－29

李雷东(1974－)，男，山东潍坊人，大学毕业，内蒙古鄂尔多斯煤矿安全监察分局工作人员，主要从事煤矿安全生产管理工作。