沿空留巷切顶卸压预裂爆破关键参数优化研究

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现阶段我国对煤炭资源的需求量依然很大,煤层的开采正在由浅部向深部转移,伴随着煤层深度的增加,出现了综采工作面增大、采空区顶板坚硬但又不能及时垮落的现象,这些现象的出现将会造成冲击地压、巷道大变形、瓦斯爆炸、人员伤亡等一系列问题。为了解决这些问题,通过切顶爆破技术来切断采空区顶板与巷道间的应力传递,使顶板能够及时垮落,这样便可维护巷道稳定安全,提高煤炭开采经济效益,避免出现人员伤亡等事故。而切顶爆破技术的关键就在于爆破参数的选取,合理的爆破参数可以达到事半功倍的效果。因此,本文以山西唐安煤矿3307工作面的轨道顺槽为依托,通过理论分析、试验分析、数值模拟分析等方法对爆破关键参数展开了详细的分析研究,最终取得了如下成果:(1)通过对唐安煤矿3307工作面巷道顶板来压当量的分析,判断出顶板属于矿压显现强烈的一类,确定出切顶卸压的必要性;为了实现切顶卸压的目的以及确定出爆破参数的合理范围,通过对前期切顶爆破试验结果进行分析,从顶底板变形量、底鼓变形量等角度展开详细研究,最终得出炮孔长度大于22m、装药长度大于12m,才能使主关键层被完全切断;封孔长度小于6m,才能使亚关键层被有效切断,降低顶底板的变形;线装药密度小于2.29kg/m,单孔装药量小于13.7kg,炮孔直径小于75mm,装药直径小于55mm,这样才能使得炸药资源被有效利用,在达到预期爆破效果的前提下,可降低成本,提高经济效益。(2)通过理论分析并计算出合理的爆破参数,即炮孔长度为25m时,主关键层被完全切断,顶煤和顶板矸石完全充满采空区,这样可有效支撑上覆岩层,维护巷道稳定安全;封孔长度为5m、装药长度为20m时,亚关键层被完全切断,从而满足沿空留巷切顶卸压的目的;线装药密度为0.45kg/m,单孔装药量为9kg时,在达到爆破效果目的的同时节约了成本;炮孔间距为880mm时,在形成贯通预裂面的同时对围岩损伤小,可维护围岩稳定安全;因理论分析炮孔壁初始压力峰值与准静态压力远大于岩石的抗压强度,孔壁被压碎破坏时,会导致能量损失,所以最优的炮孔间距应比理论值较小。(3)应用数值模拟软件ANSYS/LS-DYNA研究分析了炮孔间距对切顶爆破效果的影响,确定出最优的炮孔间距。通过模拟不同炮孔间距500mm、600mm、700mm、800mm的爆破效果,再从压应力云图、单元有效应力随时间的变化规律、裂隙发育扩展情况等三个方面展开详细的分析,最终确定出炮孔间距为700mm时,与理论计算结果比较相接近,证明了理论计算参数的可靠,同时切顶爆破效果达到了最理想状态,即裂纹对支护体系无影响,爆破对周围岩石损伤小,裂缝贯通形成预裂面,实现切顶卸压目的的同时节约了成本,提高了经济效益,维护了巷道稳定安全。(4)通过现场爆破试验结果的分析可知,在最优爆破参数的前提下,顶底板移近量约190mm,两帮移近量约50mm,与未切顶相比,此次爆破参数的选取使得顶底板移近量减少了约71.2%,两帮移近量减少了约64.3%,沿空留巷预裂爆破效果明显。由此可知此研究解决了该矿顶板压力大、矿压显现强烈、冲击地压、煤与瓦斯突出、巷道大变形、人员伤亡等问题,所形成的预裂爆破关键参数优化研究成果不仅为该矿提供了技术支撑,还为类似条件矿井提供了一定的参考价值。
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