CN113914858B - 一种浅埋双硬特厚煤层基本顶与顶煤同步预裂设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿开采技术领域，涉及一种浅埋双硬特厚煤层基本顶与顶煤同步预裂设计方法，以浅埋双硬特厚煤层采矿地质条件与工作面煤岩体试样的物理力学参数为基础，采用数值分析方法，确定爆破钻孔直径、孔距、不耦合系数、延时起爆时间等钻孔与爆破关键参数。实施工作面内顶板爆破预裂钻孔、工作面超前区域煤层顶板爆破预裂钻孔和工作面超前区域两巷顶板爆破预裂钻孔三种爆破预裂钻孔，实现基本顶和煤层同步预裂；此方法可有效提高浅埋双硬特厚煤层工作面放顶煤开采过程中顶煤的冒放性，同时实现基本顶的切顶卸压，避免顶板大面积悬顶与强矿压显现。本方法适用性高、安全高效、具有广泛的实用性。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，涉及放顶煤开采中顶板与煤层预裂设计方法， 特别是一种浅埋双硬特厚煤层基本顶与顶煤同步预裂设计方法。
背景技术
目前综放面开采顶煤增冒预裂方法主要包括爆破预裂、水力预裂、二氧化碳 预裂等，其中预裂效果最好的为爆破预裂，该方法预裂效果好，技术十分成 熟，且裂纹不受地应力影响。然而该方法针对煤矿存在煤层埋深浅、煤层及顶 板同时坚硬、顶煤难冒放的采矿质特征并不具有普适性。
发明内容
本发明的目的是要提供一种适用性高、安全可靠的浅埋双硬特厚煤层基本顶 与顶煤同步预裂设计方法，解决矿区存在煤层埋深浅、煤层及顶板坚硬、顶煤难 冒放的采矿质特征和该区域可采购爆破器材规格单一的难题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种浅埋双硬特厚煤层基本顶与顶煤同步预裂设计方法，包括以下步骤：
步骤一：收集浅埋双硬特厚煤层矿井采矿工程地质条件信息，并进行煤岩体 取样；
步骤二：将取样得到的煤岩体制成标准试样，进行岩石力学实验，获取煤岩 体的强度、硬度等物理力学参数；
步骤三：根据浅埋双硬特厚煤层采矿地质条件特征与煤岩体的物理力学参数， 采用非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立浅埋双硬特厚煤层基本顶与 顶煤同步预裂数值模型；
步骤四：采用单因素分析法，模拟计算并分析得出不同的钻孔直径、孔距、 不耦合系数、延时起爆时间产生的多种爆破结果；
步骤五：以模拟计算的结果为基础，确定符合工程要求的合理爆破结果，即 确定钻孔参数和爆炸参数；
步骤六：实施工作面内顶板爆破预裂钻孔、工作面超前区域煤层顶板爆破预 裂钻孔和工作面超前区域两巷顶板爆破预裂钻孔三种爆破预裂钻孔，实现基本顶 和煤层同步预裂。
作为更进一步的优选方案，步骤二中，煤岩体的物理力学参数包括单轴抗压 强度、抗拉强度、粘聚力、内摩擦角、密度。
作为更进一步的优选方案，步骤六中，所述爆破预裂钻孔深度达基本顶中， 爆破预裂钻孔的数量有若干个。
作为更进一步的优选方案，步骤六中，工作面内顶板爆破预裂钻孔模式为在 工作面中向上部煤层钻孔，钻孔贯穿顶煤和直接顶，直至基本顶；沿工作面的长 度方向连续钻孔。
作为更进一步的优选方案，步骤六中，工作面超前区域煤层顶板爆破预裂钻 孔模式为在运输顺槽和回风顺槽中，向工作面位置的上方煤层方向钻孔，钻孔贯 穿顶煤和直接顶，直至基本顶；运输顺槽或回风顺槽中的钻孔数量为五个，五个 钻孔高度相同，内侧的钻孔与工作面的夹角最大，外侧的钻孔与工作面的夹角最 小，相邻两个钻孔之间的夹角为7°。
作为更进一步的优选方案，步骤六中，工作面超前区域两巷顶板爆破预裂钻 孔模式为在运输顺槽中，在运输顺槽的通道贯通方向的上方钻斜向孔，以及在回 风顺槽中，在回风顺槽的通道贯通方向斜上方钻孔，斜向孔朝向工作面方向倾斜， 钻孔贯穿顶煤和直接顶，直至基本顶。
有益效果：本发明的一种浅埋双硬特厚煤层基本顶与顶煤同步预裂设计方法， 确定了小直径药卷捆绑装药结构，降低了爆炸预裂器材型号标准，适用性更加广 泛；此方法可有效提高放顶煤开采过程中顶煤的冒放性，煤炭回采率提高2倍以 上，同时实现基本顶的切顶卸压，避免顶板大面积悬顶与强矿压显现。本方法操 作简单、安全高效、具有广泛的实用性。
附图说明
图1为本发明一种浅埋双硬特厚煤层基本顶与顶煤同步预裂设计方法流程 图；
图2为本发明一行浅埋双硬特厚煤层基本顶与顶煤同步预裂数值计算模型；
图3为本发明不同不耦合系数下爆炸损伤范围图；
图4为本发明4m钻孔间距下爆炸损伤范围图；
图5为本发明双孔延时起爆爆炸损伤范围图；
图6为本发明工作面内顶板爆破预裂钻孔布置方式图；
图7为本发明工作面超前区域煤层顶板爆破预裂钻孔布置方式图；
图8为本发明工作面超前区域两巷顶板爆破预裂钻孔布置方式图；
图9为本发明工作面内顶板爆破预裂钻孔装药结构图；
图10为本发明工作面超前区域煤层顶板爆破预裂钻孔装药结构图；
图11为本发明工作面超前区域两巷顶板爆破预裂钻孔装药结构图；
图中：1-小直径捆绑药卷，2-岩石，3-炮孔，4-切眼，5-运输顺槽，6-回风顺 槽，7-工作面，8-顶煤，9-直接顶，10-基本顶，11-炸药，12-雷管，13-水泥炮， 14-黏土炮泥。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作具体的描述，实施步骤如下：
(1)收集新疆某矿浅埋双硬特厚煤层矿井工程地质条件信息如下：新疆某 矿生产能力为120万吨/年，设计服务年限39年。井田区域内可采煤层5层，分 别为下5、下7煤、下8煤、下10煤、下12煤，煤层平均倾角10°，煤种主要以 45号气煤为主。矿井为斜井开拓，目前正在开采下5煤层110501首采工作面， 采用综合机械化放顶煤工艺开采。煤层平均厚度8.6m，埋深100m左右，煤层赋 存稳定，无较大构造，直接顶与基本顶以细砂岩、粉砂岩为主，抗压强度及硬度 较大，工作面开采一方面受坚硬煤层及坚硬顶板双重影响，顶煤冒放难(回收率 预计30％～40％)，严重影响矿井高产高效；另一方面，浅埋特厚煤层开采过程 中，顶板坚硬，矿压显现问题突出，需要保障矿井安全生产。为完成基本顶与顶 煤同步预裂设计，对工作面顶煤、直接顶、基本顶岩体进行了取样；
(2)将取样得到的顶煤、直接顶、基本顶岩体制成标准岩石试样，采用实 验室岩石物理力学试验，获得煤、直接顶、基本顶岩石的物理力学参数，见表1；
表1煤岩体的物理力学参数
(3)根据保护层开采矿井工程地质条件与煤岩体的物理力学参数，综合考 虑空气参数与炸药参数(表2与表3)。采用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件 埋双硬特厚煤层顶煤同步预裂数值计算模型。
将空气视为理想气体，材料类型选择MAT_NULL，以及 LINEAR_POLYNOMIAL状态方程来描述。空气材料参数见表2。
表2空气材料参数
炸药选用高能炸药材料类型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，表征炸药爆 炸过程中的物理化学变化，材料模型代码为003号材料。用EOS_JWL状态方程来描述炸药爆炸后化学能与内能之间转换情况。三级乳化炸药参数及状态方程参 数见表3。
表3三级乳化炸药参数及状态方程参数
非线性有限元数值模拟模型中，在岩体边界设置非反射边界条件，并在模型 前、后面添加Z方向的位移约束。岩体选择Lagrange算法，炸药和空气选择ALE 算法，减小在求解过程中生大变形造成误差。建立ALE多物质耦合组(ALE-MULTI-MATERIAL-GROUP)将炸药、空气与岩体进行联系，再通过设 置流固耦合将炸药空气Part与岩体Part进行连接。
在模拟单个爆破钻孔的爆破效果时采用圆形炮孔和圆形煤岩体的形式，但在 模拟两个爆破钻孔的爆破效果时采用方形网格与圆形网格混合的形式。模型及网 格划分单位制采用m-kg-s。单孔数值计算模拟如图2所示
(4)采用单因素分析法，模拟计算并分析孔距L、不耦合系数K、延时起 爆时间T等钻孔与爆破关键参数对爆破效果的影响；由于该矿钻机型号单一仅存 在一种钻机(ZDY1900S钻机)，因而其钻孔直径设置为75mm。具体模拟方 案如下，模拟结果如图3、4、5所示；
方案一：针对小直径药卷不耦合系数K对爆炸损伤的研究。模型建立为1/4 圆形准三维模型即厚度方向上仅为一个厚度，模型半径设置为5m，小直径药卷 半径为31.25mm，通过改变钻孔半径从而调整不耦合系数。模型边界条件材料本 构参数等均设置为一样。共设置不耦合系数1、1.1、1.2、1.3共四组，分析该因 素对岩石爆炸损伤及裂隙区粉碎区形成情况；方案二：在小直径药卷不耦合系数 因素对爆炸损伤研究的基础上，根据确定获得的最合适的组数，采用该组的爆炸粉碎区裂隙区数据，设置该条件下双炮孔同时起爆，从而研究小直径药卷钻孔间 距L对爆炸损伤的影响情况，模型建立为长方形准三维模型，模型宽度为10m、 高度10m，钻孔布置在左右两侧，上下中间；方案三：针对小直径药卷延时起爆 时间T对岩石爆炸损伤的研究。在实地考察榆树岭矿的工程实际情况下结合经验 数据设置延时起爆25ms的研究组，该组与方案二所获得的同时起爆数据形成对 照，进而可分析小直径药卷起爆顺序因素对岩石爆炸损伤的具体情况。
(5)以模拟计算的结果为基础，确定符合工程要求，钻孔参数和爆炸参数 确定如下：钻孔直径75mm、间距4m、不耦合系数1.2和延时起爆时间为0。
(6)实施工作面内顶板爆破预裂钻孔、工作面超前区域煤层顶板爆破预裂 钻孔和工作面超前区域两巷顶板爆破预裂钻孔三种爆破预裂钻孔，实现基本顶和 煤层同步预裂。三种钻孔布置参数如表4所示。
表4钻孔布置参数
工作面推进过程中，对工作面基本顶进行爆破预裂，减小顶板悬顶面积与顶板来压对工作面的冲击和影响，工作面内顶板爆破预裂钻孔布置方式如图6所示，对 应的装药结构如图9所示。工作面正常回采期间继续执行顶板爆破预裂，包括工 作面超前区域煤层顶板爆破预裂钻孔钻孔布置方式如图7所示，对应装药结构如 图10所示；工作面超前区域两巷顶板爆破预裂钻孔布置方式如图8所示，对应 装药结构如图11所示。
煤矿开采工程中，工作面7位于煤层一组对边的一侧，运输顺槽5和回风顺 槽6位于煤层的另一组对边，在工作面7或运输顺槽5和回风顺槽6进行单次爆 破欲裂，然后工作面7横向移动贯穿整个煤层进行多次爆破欲裂。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明 的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之 内。
Claims (2)
1.一种浅埋双硬特厚煤层基本顶与顶煤同步预裂设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：收集浅埋双硬特厚煤层矿井煤层赋存特征、工作面采矿地质条件信息，并进行实验用煤岩体取样；
步骤二：将取样得到的煤岩体制成标准试样，进行岩石物理力学实验，获取物理力学参数；
步骤三：根据浅埋双硬特厚煤层采矿地质条件特征与煤岩体的物理力学参数，采用非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立浅埋双硬特厚煤层基本顶与顶煤同步预裂数值模型；
步骤四：采用单因素分析法，模拟计算并分析得出不同的钻孔直径、孔距、不耦合系数、延时起爆时间产生的多种爆破结果；
步骤五：以模拟计算的结果为基础，确定符合工程要求的合理爆破结果，即确定钻孔参数和爆炸参数；
步骤六：实施工作面内顶板爆破预裂钻孔、工作面超前区域煤层顶板爆破预裂钻孔和工作面超前区域两巷顶板爆破预裂钻孔三种爆破预裂钻孔，实现基本顶和煤层同步预裂；
步骤六中，工作面内顶板爆破预裂钻孔模式为在工作面中向上部煤层钻孔，钻孔贯穿顶煤和直接顶，直至基本顶；沿工作面的长度方向连续钻孔；
步骤六中，工作面超前区域煤层顶板爆破预裂钻孔模式为在运输顺槽和回风顺槽中，向工作面位置的上方煤层方向钻孔，钻孔贯穿顶煤和直接顶，直至基本顶；运输顺槽或回风顺槽中的钻孔数量为五个，五个钻孔高度相同，内侧的钻孔与工作面的夹角最大，外侧的钻孔与工作面的夹角最小，相邻两个钻孔之间的夹角为7°；
步骤六中，工作面超前区域两巷顶板爆破预裂钻孔模式为在运输顺槽中，在运输顺槽的通道贯通方向的上方钻斜向孔，以及在回风顺槽中，在回风顺槽的通道贯通方向斜上方钻孔，斜向孔朝向工作面方向倾斜，钻孔贯穿顶煤和直接顶，直至基本顶。
2.根据权利要求1所述的一种浅埋双硬特厚煤层基本顶与顶煤同步预裂设计方法，其特征在于：步骤二中，煤岩体的物理力学参数包括单轴抗压强度、抗拉强度、粘聚力、内摩擦角、密度。
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