掏底槽拉架炮眼角度优化设计

马行生，朱德福，李向阳

(中国矿业大学 矿业工程学院 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)

综采工作面压架事故在神府矿区浅埋煤层、采空区下极近距离煤层、房式与集中煤柱下工作面开采过程中时常发生。其中，神东乌兰木伦矿31401工作面、神东石圪台煤矿22301综采工作面[1]、大柳塔22103工作面、活鸡兔井12304，12305，12306工作面[2]、凯达煤矿6-2305工作面[3]等发生多起压架事故，严重影响工作面正常生产作业，威胁工作面生产人员生命及生产设备安全，造成巨大的经济损失。

压架事故的预防方法主要有：地面钻孔爆破强制放顶；适当调整采高；降低支架工作阻力；顶板来压及时预测预报；快速推进技术等[4-5]。但现有的研究方法多以预防压架为主，对于已发生的压架事故及支架压死情况处理方法的研究较少。本文根据现有研究的不足，对掏底槽拉架技术进行优化，结合数值模拟，分析了炮眼角度对爆破效果的影响，并提出了相应的优化方案。

1 工程背景

乌兰集团石圪台煤矿回采的131201工作面位于3-1-2号煤层，上层为3-1-1号房柱式采空区。131201综采工作面推进长度为1200m，工作面倾向长度150m，采高2.7m，工作面布置情况如图1所示[6-7]。工作面有支架83架，支架型号为ZY6800/17/35。当工作面推进至168 m时，基本顶周期来压，发生切顶事故，同时叠加工作面上覆房式采空区煤柱失稳而形成的冲击载荷，由于支架使用年限过长，支架实际工作阻力下降，导致工作面中部支架整体下沉，支柱行程变为0～0.2m，支架被压死，压架地点如图1中所标注位置。采煤机无法从支架下方通过，工作面被迫停产。

图1 石圪台井田内房式采空区分布及131201工作面布置

2 炮眼角度优化

掏底槽拉架技术用于处理坚硬底板条件下支架被压死的情况。该方法是在受压支架底座前方向底板打浅眼，装适量炸药进行放炮，放炮后掏出底座下方的碎岩块，使底座下降，立柱有少量行程，从而将受压支架拉出。由于现有的挖底方法在实施上多凭借经验，主观影响大，因此本文结合石圪台煤矿工作面出现支架压死的实际情况，利用ANSYS/LS-DYNA建立在支架底座压力下底板的简化模型，研究不同打眼角度下炸药的破岩效果，从而确定一种最佳的打眼角度。

LS-DYNA适合去求解各种二维和三维的非线性结构的高速碰撞、爆炸等问题，在岩石爆破问题中应用广泛。

2.1 高能应力波传播简化模型

在掏底槽拉架过程中，较好爆破效果是靠近炮眼附近碎岩块度小，易于工作人员掏出。在远离炮孔的支座下部，岩石发生一定的破碎，从而在拉架过程中，支架底座与底板岩石之间由滑动摩擦变为滚动摩擦，使支架能在较小作用力下从压死状态下拉出[8]。

根据杨年华[9-10]的研究，条形药包起爆后，产生的波阵面在药包径向范围内基本平行于药包，在药包两端为半球形。药包端部岩石质点速度小于药包中部质点速度，同时靠近端部的柱面波峰值传播速度衰减比中部快，在平行于条形药包径向方向的破坏效果明显好于药包端部。因此，要使炸药爆炸产生的应力波有足够的能量对支架底座下部岩石产生较好效果的破坏，未经反射的高能柱面波在传播过程中应能覆盖整个支架底座，这样应力波在自由面处发生反射拉伸作用时才能保证足够的能量。

本文在杨年华研究员研究成果的基础上，选择平行于装药方向并且与装药长度相等的高能柱面波作为主要研究对象。根据条形装药产生柱面波传播特点，建立高能应力波传播简化模型，见图2。

图2 条形药包高能应力波传播模型

要使得高能应力波覆盖整个支架底座，最大炮眼角度为：

φmax=arcsin(H/L)

(1)

2.2 模型建立

石圪台煤矿131201工作面支架底座长度为2.5m，炮眼长度为1m，代入公式(1)，计算得出最大炮眼的角度为24°。

根据该工作面的实际情况，所建模型尺寸为2.5m×2m，炮孔位于模型右上部，炮眼直径0.01m，长度1m。根据公式(1)的计算结果，分别建立炮眼角度为0°，12°，24°，30°的4个模型，以对比不同炮眼角度对爆破效果的影响。炮眼的装药长度0.9m，炮泥填塞长度0.1m[11-12]，各物质之间公用节点，采用拉格朗日算法进行爆破的模拟计算。在模型的左右和下部设置无反射边界条件，模拟无限岩体。在模型上部设置均布载荷，以模拟支架对底板的作用力，同时由于支架底座的影响，底座下部岩石在竖直方向的运动受到限制，因此在支架底座所在范围内限制岩体竖直方向的位移。模型尺寸及示意如图3所示。

图3 数值模型

ANSYS/LS-DYNA一般采用JWL状态方程计算爆炸所产生的压力[13]。JWL状态方程表示为：

(2)

式中，P为爆轰压力；V为相对体积；Ev为单位体积内能；ω，A，B，R1，R2为材料常数。

炸药材料参数见表1。岩石使用PLASTIC_KINEMATIC材料模型建立，材料参数见表2。

表1 炸药材料及其状态方程参数

表2 岩石材料参数

2.3 炮眼角度对爆破效果的影响

对所建的4个模型进行数值模拟，模拟结果如图4所示。

根据模拟结果，当炮眼角度为0°时，如图4(a)，支架下存在大块岩石未被破碎，破坏情况较差；当炮眼角度增大到12°时，如图4(b)，支架底座下岩石在爆破后块度较小且较均匀，岩石破碎的范围大；当炮眼角度增大到24°时，根据图4(c)，在炮眼附近的岩石破碎情况较好，但支架最左侧底板岩石的破碎多集中在表层，爆破效果一般；

图4 不同炮眼倾角爆破效果

当炮眼角度增大到30°时，如图4(d)，岩石的破碎主要集中在炮眼附近，支架最左侧底板岩石有大块未被破碎，爆破效果差。

根据公式(1)计算得到的24°最大炮眼角度，通过分析可知当炮眼角度超过24°时，支架最左侧底板岩石破碎量随着炮眼角度的增加逐渐较少，大块率越来越高，条形装药对底板岩石的破坏趋于集中于炮孔附近。这是由于随着炮眼角度的增加，爆炸产生的高能应力波所覆盖支架底座下岩石的范围越来越小，支架左侧底板所无法覆盖的范围越来越大，拉伸应力波的产生范围也逐渐减小，使岩石破碎越来越向炮眼附近集中。说明炮眼角度为24°是支架底座最左端底板岩石产生破碎的最大倾角。

虽然当炮眼角度为24°时，支架底座最左端底板岩石有破碎，但是破碎深度和块度不足以在拉架时使支架和底板之间产生滚动摩擦，而且随着炮眼角度的增加，打眼的难度也越来越大，因此24°并非最优的炮眼角度。

当炮眼角度从24°降到12°时，支架底座下的岩石破碎的整体块度逐渐减小，最左端破碎情况逐渐增加，爆破效果也越来越好。这是由于在12～24°的范围内，随着炮眼角度的减小，高能应力波所覆盖的范围逐渐增大，并且高能应力波在发生反射时仍能产生足够能量的拉伸应力波对岩石进行反射拉伸破坏，使支架下底板岩石有较好效果的破坏。当炮眼角度从12°继续减小至0°时，支架底座下岩石的大块率随炮眼角度的减小而增加，岩石破碎程度越来越差。这是由于炮眼角度从12°继续减小时，虽然高能应力波传播范围增大，但产生的拉伸应力波的能量越来越小，导致反射拉伸作用减弱，岩石的拉伸破坏量减少。虽然高能应力波传播范围广，但其对岩石的作用主要是压应力，而岩石的抗压强度较高，高能应力波所引起的破坏量较少，因此爆破效果逐渐变差。

通过以上分析可以发现，炮眼角度在0°增加到30°的过程中，支架底座下岩石的爆破效果先增加后减小，而爆破效果出现变化的转折点是炮眼角度为12°，因此12°即为最佳炮眼角度。同时12°又是使高能应力波覆盖整个支架底座的最大炮眼角度的1/2，由此推出最佳炮眼角度的计算公式为：

φ=arcsin(H/L)/2

(3)

3 现场应用

根据石圪台煤矿131201工作面现场概况，由于工作面底板较为坚硬，采用掏底槽拉架技术处理死架。该支架底座长2.5 m，欲打炮眼深度1m，根据公式(3)算得炮眼倾角为12°左右。利用钻机向支架底座前方底板钻倾角为12°的炮眼，少量装药以松动底板岩石。然后工人利用钢钎、镐、锹等作业工具把支架碎石掏出，使支架有部分下沉，减少支架的工作阻力。当支架有一定程度下沉后，多次扳动升柱扳手，增加死架周围支架升起高度，并带压对压死的支架进行移架，进而救活死架。

从实际操作看，选用炮眼角度为12°的方向打炮眼，岩石破碎后块度较小，岩块易于掏出，工人的工作强度小，拉架过程顺畅，工作效率高。

4 结 论

(1)以石圪台煤矿131201综采工作面压架为例，分析了工作面出现支架压死情况的原因，并对现有掏底槽拉架技术进行了优化。

(2)根据柱面波的传播特点，建立了高能应力波传播的简化模型，利用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件建立了不同炮眼角度的数值模型，并计算了不同炮眼角度下支架底座下岩石的破碎效果，分析了岩石破碎效果随炮眼角度变化的规律，得出炮眼角度为高能应力波覆盖整个支架底座的最大炮眼角度的1/2时爆破效果最好的结论。

(3)在石圪台煤矿131201综采工作面，通过对掏底槽拉架技术进行优化，采用炮眼角度为12°，在死架处理过程中，操作方便，工作效率高，为相似工程背景的压架事故处理提供参考。

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