CN104389637A - 一种确定冲击地压煤层爆破松动解危范围的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种确定冲击地压煤层爆破松动解危范围的方法，所述方法包括如下步骤：(1)理论计算：根据现场资料和经验公式，计算具体钻孔直径、具体炸药参数情况下的裂隙区半径，初步确定爆破卸压半径r；(2)数值模拟方法：采用LS-DYNA动态模拟软件模拟与理论计算相同的钻孔直径、炸药参数条件下的裂隙区分布半径，并且研究两个钻孔爆破时裂隙区的影响及分布半径r；(3)现场超声波测试爆破裂隙区进行验证。
Description
技术领域
本发明用于冲击地压危险的煤层采用爆破卸压方式进行冲击危险解危时，爆破卸压范围的确定。
冲击地压是煤矿井下的一种典型的矿井动力灾害，主要表现为煤岩体中所积聚的弹性应变能突然、剧烈的释放过程，巷道两帮、顶底板的煤体动力抛出，造成巷道或工作面瞬间破坏、其发生的突然性和剧烈的破坏特征对煤矿安全构成很大的威胁，特别是随着煤矿开采深度的增加，冲击地压问题越来越突出。
目前对冲击地压危险的煤层进行开采时，往往进行预测预报和解危措施，而采用爆破的方法是冲击危险煤层防治的重要手段，但爆破松动范围的确定是指导爆破解危措施的重要参数，也是评定解危效果的依据。
本方法就是一种在煤体中爆破时确定煤体松动破坏范围，从而确定煤层冲击危险解危范围的方法。
背景技术
冲击地压发生的原因很多，包括煤层的埋藏深度、煤岩的冲击倾向性、煤层顶板性质、地质构造、煤层厚度等原因。其中煤岩的冲击倾向性是发生冲击的主要因素，煤岩的冲击倾向性包括冲击能量指数、弹性能质数、动态破坏时间、煤的单轴抗压强度等，简单的说就是煤层的强度高、硬度大就容易发生冲击地压灾害。
对于冲击地压危险的煤层进行回采前需要采取防治冲击的预测预报和解除危险的措施。对冲击危险区采取的解危措施包括钻孔卸压、煤层注水、爆破卸压等，主要目的是破坏煤层的完整性使煤层软化、强度降低，降低或消除冲击倾向性。
爆破卸压解危措施是普遍推广的一种解危措施，爆破卸压方式就是在煤层中用打眼设备打深度10m左右的钻孔，钻孔直径42-70mm，然后在钻孔内装入一定的炸药，然后进行封孔，采用电力起爆引爆炸药，由于炸药爆炸产生的应力波和高压气体，使煤体周围产生破碎区、裂隙区和震动区。破碎区范围很小，而裂隙区范围较大，这个区域范围对冲击危险的防治起主要作用。通过爆破的方式使冲击危险区的煤层产生裂隙等破碎带，使煤的力学性质发生变化，强度减低、弹性能减少，并使冲击危险的高应力区向深部完整的煤体转移，在巷道两帮和前方产生一个5-10m的保护带，能防止冲击地压的发生。
爆破卸压解除冲击地压危险自1962年，前联邦德国就开始进行相关试验，1965年获得成功，后来被其他国家包括中国冲击危险矿井使用。但采用这种方法最重要的一个问题就是爆破卸压范围的问题，也就是爆破后能在钻孔周围产生多大范围的裂隙区，相邻钻孔之间的间距多大能产生最佳的防冲效果。目前的经验数据是3-10m，也就是沿着巷道长轴线方向，每间隔3-10m打一个钻孔进行爆破卸压，但每个钻空的卸压范围到底是多大，不同的矿井也不一样，现场一般根据一些理论计算公式或现场施工经验，往往达不到理想效果，需要有一种较精确且直观的确定方法。
目前关于爆破卸压范围的确定有两种主要方法：一种是理论的经验公式进行计算，但理论计算方法比较抽象，而且很难根据现场的实际情况进行精确计算，只能作为一种定性参考。另一种是数值模拟的方法，关于数值模拟方法目前有一些研究，采用的软件包括FLAC、RFPA等软件，采用这种软件不能真正模拟炸药的爆破效果，只能近似用应力波代替炸药，通过应力分布反演爆破效果，也有部分成果采用了LS-DYNA动态软件，能模拟炸药的爆破效果，但相关成果没有针对钻孔、炸药相关参数不同时系统的研究成果，也没有分析相邻钻孔同时爆破或微差爆破时裂纹扩展的影响。单纯采用理论分析和数值的方法很难精确确定爆破卸压范围。
发明内容
本发明主要针对以上问题，研发一种适合冲击危险煤层爆破松动解危范围的确定方法。
本方法分三个部分：
(1)理论计算。根据现场资料和经验公式，计算具体钻孔直径、具体炸药参数情况下的裂隙区半径，初步确定爆破卸压半径r；
(2)数值模拟方法。采用LS-DYNA动态模拟软件模拟与理论计算相同的钻孔直径、炸药参数条件下的裂隙区分布半径，并且定量分析两个钻孔爆破时裂隙区的影响及分布半径r；
(3)现场超声波测试爆破裂隙区进行试验修正。利用不同岩体介质中超声波的传播速度不同，岩体越完整波速越大，岩体越破碎波速就越小。该方法在煤矿中普遍用来监测巷道开挖后的松动圈范围，从而指导巷道支护参数。
以上分析方法可总结为冲击地压煤层爆破松动解危范围的“三位一体”确定方法，即理论计算为定性指导，以数值模拟为定量分析，以现场超声波测试进行现场修正，从而准确确定爆破松动解危范围。
附图说明
通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中：
图1松动爆破钻孔示意图；
图2为松动爆破钻孔双孔爆破示意图；
图3为超声波测试钻孔布置图。
图3中的附图标记如下：1-回采工作面；2-巷道；3-煤层；4-爆破钻孔；5-超声波测试钻孔。
具体实施方式
在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。
以钻孔直径42mm、钻孔长15m、炸药采用煤矿硝铵炸药，具体的“三位一体”爆破松动解围范围确定三个部分：
(1)理论计算。参考一些研究成果中的理论计算公式进行计算爆破裂隙分布半径。如段克信发表的文章：用巷帮松裂爆破卸压维护软岩巷道。煤炭学报，1995，20(3)：312-316.
(2)采用LS-DYNA动态模拟软件分析。采用该动态模拟软件，建立数值模拟模型，将钻孔炸药等参数代入模型进行单孔和双孔爆破仿真计算，直观定量的分析爆破松动半径。具体见图1单孔和双孔爆破效果图。
(3)现场试验修正。现场在距离工作面20的位置进行爆破试验，钻孔直径42mm，钻孔深15m，装入炸药10m，孔口5m采用炮泥封孔，进行爆破。至少30min后，在垂直于爆破钻孔方向上打钻孔，钻孔直径42mm，钻孔深度20m，钻孔向下有5°的俯角，钻孔距离巷道的煤壁10m，钻孔完毕后，两个钻孔内都需注满水(因测试波速需要水)，采用超声波测试仪测量不同深度处煤体中的波速，修正数值计算和理论计算的爆破松动半径，具体见图2松动爆破钻孔和超声波测试钻孔布置图，最终确定精确的爆破松动解危半径用于指导该矿的冲击地压防治工作。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种确定冲击地压煤层爆破松动解危范围的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
(1)理论计算：根据现场资料和经验公式，计算具体钻孔直径、具体炸药参数情况下的裂隙区半径，初步确定爆破卸压半径r；
(2)数值模拟方法：采用LS-DYNA动态模拟软件模拟与理论计算相同的钻孔直径、炸药参数条件下的裂隙区分布半径，并且定量分析两个钻孔爆破时裂隙区的影响及分布半径r；
(3)现场超声波测试爆破裂隙区进行试验修正。
2.如权利要求1所述的一种确定冲击地压煤层爆破松动解危范围的方法，其特征在于：
所述步骤(3)具体包括如下步骤：现场在距离工作面20的位置进行爆破试验，钻孔直径42mm，钻孔深15m，装入炸药10m，孔口5m采用炮泥封孔，进行爆破；至少30min后，在垂直于爆破钻孔方向上打钻孔，钻孔直径42mm，钻孔深度20m，钻孔向下有5°的俯角，钻孔距离巷道的煤壁10m，钻孔完毕后，两个钻孔内都需注满水，采用超声波测试仪测量不同深度处煤体中的波速，修正数值计算和理论计算的爆破松动半径，最终确定精确的爆破松动解危半径。
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