爆破切顶卸压合理参数模拟研究.pdf
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1、爆破切顶卸压合理参数模拟研究张秀忠(山西亚美大宁能源有限公司,山西晋城048000)摘要:为解决厚坚硬顶板难垮难落的问题,利用数值模拟软件对某矿井爆破切顶卸压情况进行分析,发现爆破后岩体内部可以分为压碎区、破裂区和震动区三个部分。对不同切顶参数下切顶效果进行模拟分析,确定最佳切顶角度为 15,最佳卸压高度为 8 m;同时对切顶前后护巷煤柱应力情况进行分析,发现切顶后煤柱应力峰值为13.60 MPa,未切顶的煤柱应力峰值为 37.48 MPa,切顶后巷道围岩稳定性得到了有效的控制,为坚硬顶板治理作出了贡献。关键词:数值模拟;切顶卸压;切顶参数;切顶高度中图分类号:TD323文献标识码:A文章编号
2、:1672-1152(2023)09-0106-030引言煤炭资源作为我国重要的能源形式,在我国国民生产生活中占据着主导地位,随着多年来对煤炭资源的不断开采,目前我国煤炭开采的重点逐步向着覆存较为复杂的煤层转移。厚硬顶板是矿井开采中遇到的重要问题,由于厚坚硬顶板的存在使得在矿井开采中极易形成大面积的悬顶,悬顶的存在使得巷道的维护成本大幅度升高,同时悬顶面积过大会出现瞬时断裂的情况,悬顶一旦发生垮落则会造成严重的冲击载荷,严重威胁着矿井的正常开采。针对坚硬顶板问题,目前主要的解决方式为切顶卸压,通过对厚坚硬顶板进行预裂,使得覆岩整体性降低,达到随垮随落的目的。切顶又可分为水力切顶、静力切顶、爆破
3、切顶1-2,在我国目前最为常见的切顶方式为爆破切顶,在爆破切顶应用过程中,不同切顶参数对切顶效果的影响也不同,合理的切顶参数对于切顶效果有着事半功倍的作用3-4,因此本文基于前人的研究,利用数值模拟软件对切顶参数进行模拟分析,旨在得出合理切顶参数,为矿井厚坚硬顶板的治理作出一定的贡献。1单孔爆破分析对单孔下的爆破效果进行分析,首先进行单孔模型的建立,模型由炸药、岩石、空气三部分构成,通过ALE 流固耦合算法进行三部分间的处理,模拟采用cm-g-s 单位制。模型尺寸为半径为 5 m 的圆形,炮孔直径为 75 mm,装药直径为 60 mm,不耦合装药,不耦合系数为 1.25,模拟结果如图 1 所示
4、。从图 1 可以看出,爆破后岩体内部可以分为三个部分,分别为压碎区、破裂区和震动区,炸药开始起爆时会对压碎区内部的岩石进行破碎,此时压碎区半径为 1 m,冲击波继续扩展,破裂区半径为 3 m 左右,此时爆破能量会继续扩展但无法破碎岩石,所以形成了一定的震动区。对于爆破切顶来说,孔间裂隙能否贯通十分重要,所以合理的孔间距对于后续的裂缝贯通十分重要,所以应将合理的炮孔间距控制在 6 m 以内,以满足裂缝贯通要求。2爆破卸压参数研究建立切顶卸压模型,本次模拟主要针对不同切顶角度及高度参数方案,选用 3DEC 软件进行模拟,首先利用 CAD 绘制三维模型,再利用 3DEC 的外接模块进行导入,在 CA
5、D 中绘制尺寸为长高宽为 120 m45 m30 m 的模型,利用 Griddle 对模型进行网格划分,网格划分不能太稀或者太密,合理的网格划分尺寸对于整体模拟效果影响较大,划分完成后输出为3DEC 支持的网格文件。设置煤层厚度为 4 m,顶板为8 m 厚的硬岩基本顶。顺槽尺寸为 5 m4 m,保护煤柱宽度为 20 m。固定模型左右 X 方向,前后 Y 方向及下部位移,在模型上部施加覆岩等效应力 7 MPa,采用摩尔-库伦屈服准则完成模型的建立。对不同切顶角度下的切顶效果进行分析,选定切顶角度分别为 0、15、30、45四种情况,不同切顶卸压角度下应力云图如 2 所示。从图 2 可以看出,切顶
6、卸压后围岩的应力集中范围有了一定的变化,应力集中主要位于切顶卸压损伤区两侧和损伤区的延长线方向,采空区覆岩层载荷由基本顶向相邻巷道转移,此时巷道位置处于低应力区中。切顶角度从 45降低至 0时,应力集中区域远收稿日期:2022-10-20作者简介:张秀忠(1973),男,山西晋城人,毕业于东北大学采矿工程专业,中级工程师,主要从事通风、防突管理工作。总第 212 期2023 年第 9 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 212No.9,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.09.040图 1爆破效果示意图理论研究压碎区破裂区震动区2023 年第
7、9 期2-4切顶角度 45图 2不同切顶角度下应力(Pa)分布云图离巷道一侧,应力集中向着采空区靠拢。根据断裂力学理论可知,下部岩层破坏,上部岩层依旧完整,由于总载荷量不变,所以极易在卸压损伤区的尖端位置产生应力集中,顶板存在下一步垮落的趋势,大量载荷向损伤区转移,所以导致巷道远离载荷集中区,切顶有效。同时随着切顶角度的减小,巷道煤柱内垂直应力峰值逐步减小,但切顶角度过小会使得巷道顶板完整性存在一定破坏风险,威胁矿井正常生产。因此,经综合考虑确定最佳切顶角度为 15。对不同切顶高度下切顶效果进行分析,选定切顶高度分别为 4 m、8 m、12 m 三种情况,不同切顶卸压高度下应力云图如 3 所示
8、。从图 3 可以看出,切顶卸压高度为 8 m、12 m 时,围岩整体应力分布情况类似,围岩在切顶卸压损伤区延长线及两侧形成一定的应力集中,此时应力集中有向上发育趋势,差异较小,同时软弱岩层应力情况也类似,软岩较厚岩来说自身承载能力较低,所以在承载上覆载荷后难以自稳,所以形成一定的应力集中。巷道围岩大多处于低应力范围内,而保护煤柱的应力升高区靠近采空区煤壁,影响较小。切顶高度为 4 m时,卸压区域两侧岩体相对滑动较小,大量载荷分布于损伤区两侧,同时远离工作面一侧的煤柱垂直应力较大,此时采空区上覆岩层的载荷转移并未切断,所以无法得到切顶卸压目的。综合成本等因素,确定最佳卸压高度值为 8 m。分别对
9、切顶角度 15、高度 8 m 和未切顶情况下的保护煤柱应力分布情况进行对比,结果如图 4 所示。从图 4 可以看出,未切顶情况下的煤柱内部应力明显高于切顶后应力。经过爆破切顶后,煤柱内部应力整体呈中间高两侧低的趋势,在切顶角度 15、高度 8 m 条件下,煤柱应力峰值为 13.60 MPa,相邻工作面巷道处于低应力区域,稳定性较好;而未切顶卸压时,采空区上覆岩层载荷沿着坚硬顶板向邻近工作面转移,使得煤柱内应力呈上升态势,在靠近采空区位置应力达到最大,为 37.48 MPa,由此可以看出,经2-1 切顶角度 02-2切顶角度 152-3切顶角度 303-3切顶高度 12 m图 3不同切顶高度下应
10、力(Pa)分布云图3-1切顶高度 4 m3-2切顶高度 8 m张秀忠:爆破切顶卸压合理参数模拟研究2.593 0E+050.000 0E+00-2.000 0E+06-4.000 0E+06-6.000 0E+06-8.000 0E+06-1.000 0E+07-1.200 0E+07-1.400 0E+07-1.600 0E+07-1.800 0E+07-2.000 0E+072.593 6E+050.000 0E+00-2.000 0E+06-4.000 0E+06-6.000 0E+06-8.000 0E+06-1.000 0E+07-1.200 0E+07-1.400 0E+07-1.
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