深孔预裂爆破提高综放初采顶煤回采率的研究*

2017-10-23沈玉旭赵国飞张哲瑞许海涛

采矿技术 2017年5期

关键词：步距综放炮孔

沈玉旭，赵国飞，张哲瑞，许海涛

(山西能源学院，山西晋中市 030600)

深孔预裂爆破提高综放初采顶煤回采率的研究*

沈玉旭，赵国飞，张哲瑞，许海涛

(山西能源学院，山西晋中市 030600)

针对某矿3407工作面坚硬顶板难以垮落的现象，通过对其顶底板物理力学性质的分析，确定深孔预裂爆破参数，使用ANSYS/LS-DYNA2D软件模拟爆破过程，以及使用UDEC软件模拟切顶后顶板垮落破坏情况。研究结果表明：采用深孔预裂爆破的方法弱化坚硬顶板，初次来压步距缩短了9.6 m，顶煤采出率提高了14.38个百分点，实现了综放初采的安全高效开采。

综放初采；采出率；预裂爆破

坚硬顶板是指厚度大、强度高、节理裂隙不发育、完整性较好的顶板[1-3]。如果顶板不能及时垮落，容易造成冲击矿压、工作面瓦斯超限、压架等煤矿灾害[4]。如果顶板及时垮落可以大大避免这些灾害，同时还可以提高放顶煤初采期间的顶煤采出率，确保初采期间的安全生产。

坚硬顶板一般透水性差，注水后效果不明显，而且范围有限，采用深孔预裂爆破的方法处理坚硬顶板的相关研究很少。本文通过理论分析和数值模拟，对某矿3407工作面综放初采期间深孔预裂爆破进行了设计，并做了现场工业性试验。

1 工程条件分析

(1) 工作面概况。某矿3407工作面位于七五二水平四盘区，属于孤岛面开采，和已采的两个工作面中间各留有20 m保安煤柱。工作面开采的3号煤层厚度为5.8～6.2 m，平均厚6 m。工作面长度174.5 m，推进长度1360 m，采用放顶煤顶板全部垮落的采煤方法。

(2)顶底板特性。3407工作面3号煤与顶底板岩层的主要力学特性见表1。

使用D/MAX-2400型X-射线衍射光谱仪对3407工作面基本顶细砂岩进行测定，并对细砂岩的矿物组成进行了定性分析和相对定量分析，分析结果见表2，其中石英占绝大部分，高达68.3%。

在3407工作面端头和端尾的位置钻孔取芯，分别对这两个钻孔所取到的基本顶细砂岩试样做饱水-风干4个循环的崩解实验。实验结果表明：细砂岩岩芯在经过4个饱水-风干循环后，几乎没有破损现象，保持完整。

因此，采用注水弱化3407工作面顶板的方法不可行，必须采用深孔预裂爆破的方法才可以破坏工作面顶板。

表1 煤与顶底板主要力学参数

表2 试样的矿物成分

2 爆破参数及方案

(1) 炮孔长度及直径。炮孔的垂直高度应该以顶板垮落后充满采空区为宜，因此炮孔的垂直高度为12 m，炮孔直径为75 mm。

(2) 炮孔间距。深孔预裂爆破主要是利用爆破产生的裂隙和弱面破坏顶板，在顶板形成贯通裂缝。根据Mises准则，在不耦合装药条件下，经计算得到裂隙区半径Rp为1790 mm，因此炮孔间距定为3.5 m。

(3) 封孔方式。封孔是为了防止爆炸冲孔，为了保证爆破效果和安全，本次封孔采用刚-塑-刚结构，封孔长度为炮孔总长的1/2。炮孔装药结构如图1所示。

图1 装药结构

(4) 联线方式。采用正向起爆，使用煤矿许用导爆索，每个导爆索捆绑了两个瞬发雷管。爆破网络联线方式采用“局部并联，总体串联”，即一根导爆索的两个雷管并联连接，炮孔与炮孔之间串联连接。

(5) 一次起爆的药量。根据《爆破安全规程》中爆破允许安全距离的萨道夫斯基公式计算，一次起爆的最大药量为35 kg。

(6) 炮孔布置。在开切眼内以及两个端头都布置炮孔(见图2)，一共50个，并且要在工作面液压支架安装之前打好炮孔。

(7) 放炮顺序。50个炮孔，端头端尾各两个，分别为一个组；开切眼内46个，3个炮孔为一组，每组内3个炮孔分别依次使用Ⅰ段、Ⅲ段和Ⅴ段毫秒延期电雷管，组与组之间留一个空孔。

图2 炮眼布置

3 爆破过程模拟

3.1 单个炮孔爆破模拟

使用ANSYS/LS-DYNA2D软件模拟单个炮孔爆破的过程，LS-PREPOST后处理器输出了不同时刻爆破裂隙的发展情况(见图3)。分析爆破裂隙发展过程可知：粉碎区形成时间很短，大概0.1 ms；1.2 ms后裂隙区基本形成，半径大约为1.86 m，比理论计算值稍大。因此3.5 m的炮眼间距基本合理。