常村煤矿聚能预裂爆破弱化顶板技术研究

杨泽进

(1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030001)

我国煤矿开采主要为厚煤层开釆，开采方法主要是放顶煤开釆，其技术关键是减少煤炭损失进而提高煤炭采出率[1]。综放面初采损失是一个重要损失，当综放面顶板较硬时，若开采前期顶板能及时垮落，既可提高煤炭初采采出率，还可防止顶板垮落形成冲击矿压，进而保证了初釆期的安全[2]。目前国内多采用预爆破和预注水方法弱化顶板，取得了一定的成果，但采用聚能爆破弱化顶板的研究较少[3-10]。通过对常村煤矿S2采区S206综放面地质条件和直接装药预裂爆破参数分析，研究出一种简易的聚能装药结构，并进行ANSYS/LS-DYNA数值模拟，对比分析直接装药和聚能装药的裂爆破效果，优化爆破方案，从而缩短S208综放面的初次来压步距，具有一定的工程应用价值。

1 工程概况

1.1 综放面基本情况

常村煤矿目前开采+470m水平的S2采区，S206综放面于2018年底回采完毕，现正回采S208综放面。S208面与S206面相邻，工作面参数基本一致，切眼长度300m，走向可采长度约680m。主要回采3号煤层，煤层平均厚5.8m；综放开采，割煤高3.2m，放煤高2.6m，采放比1∶0.82，采用垮落法管理顶板。煤层直接顶为炭质泥岩，厚1.2m；基本顶为砂岩，厚7.5m。

1.2 S206面顶板爆破参数

为缩短顶板的初次来压步距，S2采区综放面之前一直采用直接装药预裂爆破来弱化顶板，沿综放面开切眼液压支架后方布置一排炮孔，开采前先进行顶板预裂爆破。S206面顶板预裂爆破在开切眼中设有45个炮孔，为增加预裂效果在开切眼两端的顺槽中各增设3个炮孔，共计51个炮孔。装药时每3个炮孔为一起爆组，组与组的间距为10m，共17个起爆组。炮孔内采用直接装药结构，即将药卷直接放置于炮孔中，利用毫秒延期电雷管和导爆索引爆。联线方式采用“组内并联、总体串联”，从工作面回风巷至工作面进风巷一次起爆。S206面预裂爆破主要参数见表1，炮孔布置方案如图1所示。

表1 S206面预裂爆破主要参数表

图1 S206面预裂爆破炮孔布置(m)

2 聚能预裂爆破弱化顶板技术

S206面采用直接装药预裂爆破后，基本顶初次来压步距为17.6m，为进一步缩短来压步距，分析决定在邻近的S208面采用聚能预裂爆破弱化顶板技术。

2.1 破碎区半径分析

预裂爆破弱化的工作面顶板主要是基本顶砂岩，其力学参数见表2。

表2 基本顶力学参数表

为使综放面开采前顶板形成贯通裂隙，预裂爆破的炮孔间距等于破碎区直径最为理想，根据强度准则[2]，对于柱状不耦合装药爆破，破碎区半径R计算公式为：

P=0.5P0K-2ηln

(2)

P0=0.25ρV2

(3)

式中，σc、σt分别为岩体单轴抗压和抗拉强度；α、β、λ为泊松比参数；r为炮孔半径；P为冲击波初始压力； P0、n分别为炸药爆轰压力与压力增大系数；η为膨胀绝热指数；l、K为装药轴向系数与不耦合系数；ρ、V为炸药密度与爆速。

将各参数代入式(1)—(3)，求得R=2.38m。可知基本顶破碎区直径为4.76m，小于现场设置的炮孔间距，导致S206面顶板预裂效果不佳。

2.2 聚能预裂爆破方案

由于在该聚能预裂爆破方案实施前，S208面钻孔布置已参照S206面形式施工完毕，并已准备好相关爆破器材。在爆破主要参数、炮孔布置、起爆方式等均不变的前提下，拟提高其预裂爆破效果，研究决定采用聚能爆破。简易的聚能装药结构如图2所示，将炸药装于聚能管中，管外径为Φ63mm，管内对称设置两根外径Φ20mm的空管，不耦合系数为1.45；再将聚能管放置于炮孔中，施工时两空管连线方向与开切眼方向一致。根据安全规定，聚能管加工或选购时必须具有抗静电性与阻燃性[11]，才能入井使用。

图2 聚能装药结构示意图(mm)

2.3 聚能爆破机理分析

聚能爆破时释放的能量将沿着几乎垂直于聚能穴表面的方向射出形成高速穿透力很强的聚能流[12]，聚能流在交点处将获得最小的剖面和最大的能量密度和速度，其能量密度高于爆轰波的能量密度，最终在聚能穴上产生超高速、高压、高温的能量流，具有极强的切割和穿透能力[13]。

该聚能爆破方案的聚能管内设两根对称的空管，轴对称设置，空管可起到聚能穴作用，爆破后在两空管中心位置的两股聚能流作用于孔壁，在两空管连线方向上的孔壁将形成最大的破碎区。

3 聚能预裂爆破效果模拟分析

为验证直接装药和聚能装药两种方式爆破的预裂效果，进行ANSYS/LS-DYNA数值模拟[14]，采用ALE算法模拟爆轰传播过程，分析爆炸后裂隙发育和应力分布情况。建模时定义岩石、炸药、空气及聚能管4种材料单元，其中岩石参数采用基本顶力学参数。采用准二维模型，模型尺寸为长×宽×厚=14m×10m×5m；两孔连线中点为坐标原点，炮孔连线为X轴，聚能装药空管布置在X轴向上。

3.1 应力云图和裂隙半径分析

图3 爆破等效应力云图(100MPa)

直接装药和聚能装药爆破后的等效应力云图(t=1209us)如图3所示。从图3分析，在1209us时刻，两个炮孔炸药起爆后的冲击波已叠加，并在炮孔连线中点附近相互作用，压缩岩石，释放能量。图3(a)中冲击波向四周均匀传播，裂缝向四周扩张，在两孔间没形成贯通裂隙。图3(b)中冲击波主要朝X轴向传播，裂缝主要朝X轴向扩张，两波叠加后，在两孔间形成贯通裂隙。

通过后处理器分析爆破过程的裂隙发育，可得出直接装药的裂隙半径为2.3m，聚能装药X轴和Y轴向上的裂隙半径为2.8m和2.1m。再次证实了聚能装药在两孔中点2.5m位置能形成贯通裂隙，而直接装药不能。

3.2 压力-时间历程分析

为分析爆炸后炮孔连线上压力分布情况，在X轴向上0m、1m、2m位置选取A、B、C三个测点，各测点对应单元181546、单元210184、单元236491，如图4所示。直接装药和聚能装药爆破后的压力-时间历程曲线如图5所示。

图4 A、B、C测点位置

图5 压力-时间历程曲线

从图5(a)可知，测点压力峰值依次为11MPa、22MPa、114MPa，其中A测点(两孔连线中点)的压力峰值低于岩石的抗拉强度14.5MPa，能量不足以破坏岩石产生裂隙[15]。从图5(b)可知，测点压力峰值依次为22MPa、33MPa、312MPa，均大于岩石的抗拉强度，能量可以在A测点形成贯穿裂隙。对比分析，聚能装药爆破后在炮孔连线上相同测点位置的压力均大于直接装药爆破，说明聚能装药能明显的提高预裂爆破效果，能达到预期的聚能效应。

4 聚能预裂爆破现场应用

常村煤矿井下S208综放面成功实施聚能装药预裂爆破，与邻近的S206面采用的直接装药爆破形成对比，主要体现在以下几方面：

1)常村煤矿S2采区S208面实施聚能预裂爆破后，对工作面回采过程中的矿压进行观测，通过记录的顶板垮落和来压步距情况得出：基本顶垮落进尺为15.2m，即初次来压步距为15.2m，相较于S206面缩短了2.4m。

2)在爆破主要参数基本一致的前提下，将装药结构由原来的直接装药调整为聚能装药，只需新增聚能管，基本顶就能提前2.4m垮落，初采采出率提高16%。其经济效益为：工作面长度300m，放顶煤长度280m，放煤高2.6m ，提前垮落2.4m对应的煤量为280m×2.4m×2.6m×1.4t/m3=2446t，原煤价格约600元/t，则经济价值为146.76万元。

3)在爆破有害效应方面，直接装药的单孔装药量为18.0kg，51个装药孔，共需炸药量918kg；而聚能装药的单孔装药量为15.5kg，51个装药孔，共需炸药量790.5kg，减少了127.5kg。既减少了炸药成本，又减少了炸药起爆产生的振动、有害气体、烟尘等有害效应。

5 结 论

1)聚能装药爆破的冲击波主要朝两空管方向传播，具有聚能效应，利于爆破裂缝的形成，预裂效果更佳。

2)聚能装药比直接装药更能弱化工作面顶板，使工作面顶板提前垮落，提高初采采出率，并保障初采期安全。

3)在爆破主要参数基本一致的情况下，采用聚能装药能达到直接装药的预裂效果，还能减少炸药量和爆破的有害效应。

4)目前该聚能爆破技术方案正在常村煤矿S2采区其他综放面推广实施，后期还可推广至其他矿井类似条件工作面顶板预裂爆破以及采空区强制爆破放顶工艺中，具有良好的应用价值和社会效益。