专题-超前预爆破在综采工作面的应用研究.doc

1、专题部分 第30页超前预爆破在综采工作面的应用研究摘要 首先，基于综放开采预爆破弱化坚硬顶煤工艺。利用分形理论建立岩石断裂耗散能量与块度分维值之间的理论关系，推导出岩石爆破块度分数维与炸药单耗之间关系。进行了室内相似材料模型爆破实验。验证了上述理论关系。利用爆破岩石表面裂晾分布的分形维数值作为衡量指标，优化爆破孔网参数。为预爆破在实践中的应用提供理论依据，然后通过介绍三种不同环境下的应用，表明该技术有效的提高了回采的安全性，降低了冲击来压强度，资源回收率大幅提高。关键词 回采率；综采放顶煤；超前预爆破；处理坚硬顶板；爆破能量；The applied research of the ahead

2、of the pre-blastingin the working faceAbstract Firstly, based on the blasting softening technalogy for hard top coal in long-wall top coal caving, a simple fractal model of rock fracture is established to deal with dissipated energy of rork fracture and frartal dimension of rock fragmentation and to

3、 obtain the theoretical relation between the fractal dimension of rock fragmentation and explosive spectfic charge. The blasting experiment of simulation maternal model is conducted to verify theoretical results. Taking the fractal dimension of crack distribution on the surface of top coal as an ind

4、ex after blasting top coal, some blasting parameters are optimized and the best blasting plan is finally determined in on-the-spot mining. Its conclusion provides a theoretic basic for the practical applications of the blasting softening technology.Then, by introducing the practical applications of

5、the blasting softening technology in three different environments; it shows the technology improves the mining safety and recovery rate effectively.Key word recovery rate; blasting energy; fully mechanized caving; preliminary demolition; hard roof processing;1 引言本文首先通过分形几何学研究综采放顶煤爆破能量的传递，推导出岩石爆破块度分数

6、维与炸药单耗之间关系，优化爆破孔网参数，为爆破在综采工作面中的应用提供理论依据。影响综放开采顶煤冒放性主要有以下三个因素:煤层厚度、开采深度、煤体硬度。一般如果煤体较硬，顶煤在支承压力作用下难于有效压裂、从而最终影响了顶煤回收率。因此人为地改变顶煤力学性态是实现坚硬厚煤层综放开采的唯一途径。在实体煤中实施深孔挤压爆破是弱化坚硬煤层的一种有效方法。通过爆破弱化在顶煤中产生足够多的裂隙，然后随着工作面的推进在支承压力作用下进行二次破碎、最终形成合理的块度，达到提高综放开采顶煤回收率的目的。在处理特厚煤层开采后，坚硬顶板大面积暴露面积，回收岛主保护煤柱，提高回采的安全性，降低工作面冲击地压强度，也均

7、有很大现实意义。在乌鲁木齐矿区碱沟煤矿+564B3+6综放工作面，超前预爆破就成功的解决了因煤层厚度大顶煤放不下来的问题，增加了块煤量，提高了回收率。在大同矿务局忻州窑矿西二盘区11-12#合层8919综放工作面，超前预爆破就成功的解决了因煤层坚硬顶煤放不下来的问题，减少了炸药消耗量，改善了顶煤的破碎效果。在新疆托克逊县煤矿东翼采区综放工作面，成功解决了顶板坚硬难冒，采空区悬顶面积大的问题，提高了回采的安全性，顶板基本随采随冒，工作面无明显冲击来压现象，支架载荷变化平缓，资源回收率大幅提高。但是在实践中，超前预爆破技术仍然存在着许多问题，虽然有理论依据的支持，可对于超前预爆破效果在实践中影响因

8、素很多，如煤层厚度、硬度、倾角、爆破孔距离工作面的位置、装药长度、封孔长度等等，难以建立一个严密的物理模型，因此，爆破参数的确定大部分来自生产经验，不是非常可靠，也很难找到最优方案。随着煤炭科学技术的发展，超前爆破技术一定会逐渐完善，在实践中发挥更大作用！ 2 综放顶煤能量的分形研究近年来，分形几何在岩石力学中的应用为人们开辟了一个研究岩石破碎机理及效果的新途径。本文针对坚硬煤层综放开采过程中的爆破弱化顶煤工艺，研究岩石爆破块度分数维与炸药单耗之间关系.室内相似材料模型爆破实验验证了这个理论关系.最后利用分形维数值作为衡量爆破效果的指标，优化爆破孔网参数.2.1爆破能量释放的分形研究煤体爆破破

9、裂时，裂隙每扩展一步.就增加了新的断裂表面，从而需要耗散更多的能量、应力波能量转化为应力波破岩区形成新表面所需的表面能。爆生气体破岩过程可以认为是一个准静态过程。从而我们提出一个爆破分形破碎模型，其主要过程是这样的: 取原始立方体的边长为R0。包含的应变能为E.首先将原始立方体均匀破裂成k个子级立方体，小立方体的边长为R1=R0k-1/3然后随机选择p个小立方体、每个小立方体再细分成k个小立方体，边长为R2=R0k-2/3.以此类推.重复这个过程得到第n步子立方体的边长为Rn=R0k-n/3每一步破碎能量均耗散在p个破碎的子立方体上，与未破碎的(k-p)个立方体无关。这样爆破破碎过程中分形维数

10、的碎块构成一个分形体。分形维数的定义为：D=3logp/logk (1)根据上述正方体的分形划分模型，在边长为R的立方体中具有边长为T的小立方体数目为: N=(R/r)3 (2)而在N个小立方体引起能量耗散的立方体个数为： Nr=(R/r)D (3)尺寸为r的碎块耗散能量的子立方体体积为(R/r)Dr3。总体碎块体积为R3。耗散体与总体积之比为：=Vr/V=(R/r)Dr3/R3=(R/r)D-3=(R/r)-u (4)因此u=3-D.设Er为单位体积的平均耗散能，那么 EV=ErVr (5)边长为r碎块中，平均耗散能量Er为： Er=E-1r-u (6)将式(5)代入式(6) ,得到分形能量

11、关系E=CrD-3 (7)式中C为材料性质有关的一个常数，在煤体破碎一特定尺度(r=r0)下，对式(7)两边取对数，并变换可得D=logEr/logr0+(3-logC/logr0)=AlogEr+B (8)式中A、B是两个常数，上式表明破碎块度分形维数与耗散能量密度对数成正比。 大量的实验表明:块度分布具有分形特征.由爆破和冲击荷载作用形成的破碎块度在很大尺寸范围内满足分形分布特征。为了验证和确定耗散能量与破碎块度分形之间的关系，作者进行了相似材料模型室内爆破研究。 考虑到煤体存在明显的层理性，在模型中加入了聚碳酸脂材料模拟层理，分别将44cm44cm5cm块体粘结成40 cm 44 cm

12、34 cm的整体模型，炸药采用常用的3号抗水煤矿按梯炸药， 首先在模型中进行单孔和双孔饱眼的爆破实验，利用分形维数值计算爆破后的块度分布。其块度分布分维值的计算公式为： D=-(logN/N0)/(logR/Rmax) (9) 式中R是块度的特征尺度，N是尺寸大于或等于R的碎块数,N0是具有最大特征尺度Rmax的碎块数。图1、图2分别表示两种爆破方案分维值的计算结果，在双对数坐标内块度分布较好地符合线性特征。这也说明了爆破块度分布符合自相似分形分布特征单孔爆破块度分布的分维值为1.4490，而双孔爆破块度分布的分维值为1.27818。爆破块度维数越大.表明块度分布越均匀、大块率小在相同炸药单耗

13、条件下近距离的双孔爆破获得的块度维数小于单孔维数。这是由于双孔爆破时，应力波的能量集中在双孔之间的狭长的条带上，容易产生一条大的裂隙、能量过于耗散在大裂晾上，相对于单孔来说能量耗散反而不均匀，造成块度分布也不均匀，大块率增加。在实验中用不同炸药量下对同一材料模型进行爆破侧量分析。统计计算结果如图3(图中横坐标中的能量是通过炸药单耗换算而得)，图中显示随着炸药单耗对数值的增加，即耗散能量的增加，块度的分数维随之线性增加，它和理论推导结果相吻台。同时从实验结果看出，模型爆破后炮孔周围的裂隙随着炸药单耗的增加而逐渐增多。分布也越来越复杂、如图4炸药量分别为:a=2.1 g，b=3.6 g，c=48g

14、，d = 5.9 g(因实验照片效果不理想，这里只给出了模型表面裂晾的素描图)、实验爆破后的块度分布随着炸药单耗的增加显得越来越均匀，而破裂的特征尺度逐渐减小，也就是破碎效果越理想。2.2现场测试结果大同矿务局忻州窑矿8911面是一个典型的坚硬厚煤层工作面，采用顶煤预爆破弱化后的综放采煤方法。预爆破位置通常在煤壁前方的20 m30 m。在现场共实验了3种爆破孔网方案，具体为三角形布孔、方形布孔、五孔(方形布孔加空孔)。由于预爆破顶煤为深孔挤压爆破，那么量化爆破方案的优劣可以通过测量煤壁裂隙分布的变化。由于前两种测量方式在现场操作起来十分困难。因此对上面三种布孔预爆破方案测量采用第三种方式显然裂隙分布的量化也采用裂除分布的分形维数来表示。在爆破前后分别侧量裂隙分布的分数维。虽然测量的裂隙只局限于煤壁两侧，并没有涉及顶煤内部。但从一定的程度上也反映了爆破方案的优劣。测定裂除分数维的方法采用网格尺度裂隙条数法。测定的结果如下表： 表1 爆破前后分维值的比较布孔方式方形孔三角形五孔爆破前裂隙分布维数1.40471.40741.4074爆破后裂隙分布维数1.54821.60731.4352表1结果只涉及布孔方式对裂隙分布的影晌，并没有关注孔间距、孔排距、装药结构、起爆方式及封孔因素对