基于RS2 软件深部矿井爆破断顶预卸压设计优化研究

张建阳，宋奕铖，陈曦鹏

（1.兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东 邹城 273500；2.兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿，山东 济宁 272100；3.兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿，山东 济宁 272102）

0 引 言

冲击地压是积聚在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发生强烈响声，造成煤岩体震动和破坏、支架与设备损坏、人员伤亡、部分巷道垮落破坏等[1]。随着采掘深度的增加和采掘强度的增大，煤矿冲击地压事故的发生呈上升趋势，冲击地压发生的频度和强度明显增加[2-3]。防治冲击地压发生，一是可以通过加强支护和合理的开采设计来避免应力集中；二是可以通过改变煤岩体的物理性质，使应力集中向煤岩体的深部移动[4]。

爆破卸压断顶可以使工作面及巷道围岩的应力集中区向煤岩深部转移，使煤岩体内的弹性能释放，从而减缓或消除发生冲击地压的危险。影响爆破卸压断顶效果的因素主要有3 点：①岩体自身的性质；②炸药的类型及使用方式；③爆破卸压断顶参数的设定。在前2 个因素相近的条件下，爆破卸压断顶参数设置可以直接决定爆破卸压断顶的效果[2]，以往学者们侧重研究爆破卸压断顶的机理，但在煤层埋深较大情况下，对爆破卸压断顶钻孔参数方面的研究相对较少。为此本文将研究爆破卸压断顶钻孔的孔深和倾角是如何影响爆破卸压断顶效果的，为类似的爆破卸压断顶钻孔设计提供了一定的理论依据。

图1 爆炸后煤岩体破坏面积

爆破断顶预卸压是通过深孔爆破降低煤岩体应力集中的有效方法，它不仅广泛应用于煤矿，也广泛应用于其它地质工程[5]。如图1 所示.深孔爆破后会形成以爆炸点为中心顺次向外的破碎带、裂隙带、弹性带[2]。一方面，爆破产生的一系列裂隙区域将成为释放煤体上多余弹性能量的空间，从而起到稳定应力和能量再分布的作用；另一方面，爆破产生破碎带和裂隙带降低了煤体的弹性模量和强度，破坏了冲击地压发生的强度和能量条件[6]，从而降低了冲击地压发生的可能性。

破碎带半径RC 和裂隙带半径RP 与装药半径rb 有一定的关系，即破碎带半径和裂隙带半径分别是装药半径的2～3 倍和10～15 倍[7]，戴军对不同类型的岩石进行了实验，通过对比实验数据（见表1），可以发现不同类型岩石的破碎带半径和裂隙带半径之间的差异并不显著[8]。

表1 不同岩石爆破试验数据的比较

在裂隙带区域之外，还有有一层岩石因爆破而产生微裂缝，因此实际裂缝带半径应大于装药半径的15 倍[7]。除实验研究外，还有根据理论计算得到的破碎带和裂隙带的半径分别是装药半径的1.8～6.5 倍和35～75 倍[10-11]。表2 展示了不同研究者得出的结论。

表2 不同研究人员爆破数据的比较

通过对比上述结论可以发现，破碎带半径与装药半径之间的关系是基本一致的，但裂隙带半径与装药半径的比值在不同的研究方中差异很大：实验得到的比值数值大多较低（10～15 倍左右），而理论计算得到的数值较高。这主要是因为，一些研究人员在进行爆破试验时只考虑肉眼可见的宏观裂隙，而在宏观裂隙区域之外还有爆炸冲击波引起的微观裂隙区并未考虑，因此爆破引起的裂隙区范围应大于宏观裂隙带半径[7]；另一方面，一些研究人员仅通过理论计算而获得较大的裂隙带半径，然而在实际条件下，爆炸冲击波会由于各种原因过早衰减，不能达到理论影响范围[13]。结合以往不同研究的结论，在本文的数值模拟中，设定爆破产生的破碎带半径是装药半径的2.5 倍，裂隙带半径是装药半径的25 倍。在数值模型中，破碎带和裂隙带的模拟是通过在岩体中设定特定形状的空腔来实现的，由于软件的技术限制和对建模简易性的考虑，装药设计将使用耦合装药(装药半径等于钻孔半径)，并且仅在钻孔末端装药，忽略炸药长度和直径的差异，以及钻孔本身对岩层的影响也被忽略；因此，爆炸产生的破碎带和裂隙带可视为同心球体。在二维横截面模型中，破碎带可简化为圆形空腔，裂隙带由围绕破碎带中心的8 个等距径向线性空腔模拟。在该模型中，假设该模型中的装药半径为50 mm，破碎带和裂隙带的半径分别为125 mm 和1 250 mm。

1 数值模型建立

本文在W.Keilich 等[14]所建立的地层模型数据基础上（见表3），利用RS2 软件建立地质力学数字模型，设定的开挖区域长10 m，高3 m，位于煤层1之中，其直接顶为砂岩层4，直接底为砂岩层5（如图 2 所示）。

表3 数值模型的地层列表

图2 地质力学数字模型

在未施工爆破断顶预卸压时，数字模型垂直应力分布云图如图3 所示，峰值垂直应力为17.16 MPa，距离工作面的垂直距离为2.38 m（如图4 所示）。

图3 未施工爆破断顶预卸压数字模型垂直应力分布云图

图4 未施工爆破断顶预卸压时钻孔垂直应力分布曲线

2 数值计算结果分析

本文讨论爆破断顶预卸压钻孔长度d和倾角θ对垂直应力场的影响。首先固定钻孔倾角为0°，模拟不同钻孔长度下垂直应力场的再分布情况，根据试验结果，选择最佳钻孔长度，在此基础上，将模拟不同倾角θ的爆破孔对垂直应力场再分布的影响。

本文选择了7 种不同长度的爆破断顶预卸压钻孔，借助RS2 软件分别得到其对数值模型应力场再分布的影响（见表4）。

表4 钻孔长度对数值模型应力场影响

由图5 和图6 可知，爆破钻孔长度d为5 m时，即钻孔长度约为峰值应力区域到工作面垂直距离的2 倍，爆破卸压后的峰值应力最小为14.75 MPa，且距工作面的垂直距离最大为8.47 m。爆破钻孔长度d 为5 m 时，在距工作面垂直距离5 m 左右的区域形成了应力为0 MPa 的低应力区，并将垂直应力分布曲线由单峰变为2 个均匀的峰，2 个峰的垂直应力均约为15 MPa，低于未实施爆破卸压的应力17.16 MPa。 次峰垂直应力位置与爆破前峰值应力位置重叠，位于工作面后2.5 m 处，峰值应力位于工作面后8.5 m 处。

图5 钻孔长度与峰值应力与次峰值应力的关系曲线

图6 钻孔长度与应力距工作面垂直距离的关系曲线

当爆破钻孔长度小于5m 时，峰值应力随着钻孔长度的增加而降低，其距工作面的垂直距离随着钻孔长度的增加而增加；次峰值应力和其距工作面的垂直距离随着钻孔长度的增加而增加。当爆破钻孔长度大于5m 时，峰值应力随着钻孔长度的增加而增加，其距工作面的垂直距离随着钻孔长度的增加而降低。

爆破钻孔长度d为5m 时，即钻孔长度约为峰值应力区域到工作面垂直距离的2 倍，爆破卸压效果最佳，本此基础上，本文又分别模拟了7 种不同钻孔倾角对数值模型应力场再分布的影响（见表5）。

表5 钻孔倾角对数值模型应力场影响

由图7 和图8 可知，钻孔倾角变化对峰值垂直应力基本无影响，但是随着钻孔倾角变大，峰值应力距工作面的垂直距离不断减小，卸压爆破对工作面卸压效果明显减小，钻孔倾角度超过30°后，爆破卸压不会将垂直应力分布曲线由单峰变为双峰，说明其对工作面前的垂直应力再分布无明显效果。

图7 钻孔倾角与峰值应力与次峰值应力的关系曲线

图8 钻孔倾角与应力距工作面垂直距离的关系曲线

根据地质力学数字模型（如图9 和图10 所示），当爆破钻孔长度d为峰值应力区与工作面垂直距离的2 倍，钻孔倾角θ为0°时，即爆破卸压应在直接顶与煤层的交界处进行，产生最佳的卸压效果。

图9 爆破钻孔长度d=5m，倾角θ=0°时，爆破断顶预卸压数字模型垂直应力分布云图

图10 爆破钻孔长度d=5m，倾角θ=0°时，距工作面应力分布曲线

3 结 论

本文提出了几种不同钻孔长度和倾角的爆破断顶预卸压钻孔方案。在RS2 软件中的数值模拟结果表明，在特定的钻孔长度和倾角下可以产生最佳爆破卸压结果，从而将高度集中的应力区域转移到相邻的煤岩体上。虽然本次数值模拟结果仅针对本次设定的地质力学模型，但是本文提供了利用RS2软件数值模拟，再结合现场实际情况，可以为类似的深部矿井爆破断顶预卸压参数优化设计提供一定的参考和理论依据。