1、翻 译 部 分 pillars edge, Washington D.C.: US Bureau of Mines; 1983. 中文译文深孔预裂爆破机理和其在浅埋煤层中控制顶板垮落中的应用关键词：浅埋煤层、深孔预裂爆破、顶板垮落控制、LS-DYNA3D技术、房式采空区作者：王方田、屠世浩、袁永、冯玉凤、陈方、屠洪生1. 中国，221116，江苏省徐州市，中国矿业大学，中国教育部，深部煤炭资源开采，重点实验室，矿业工程学院2. 中国，221008，江苏，徐州，中国矿业大学，研究煤炭资源和煤矿安全的国家重点实验室摘要：在神东地区，由于煤层厚度大，受主要顶板的高拉伸强度和小的上覆荷载的影响，浅埋煤
2、层开采导致频繁的大面积顶板来压。由于这个原因，许多事故有发生，比如液压支架坍塌，突水through the penetrating cracks along coal wall事故，可能引起大面积的煤柱不稳定instability，甚至风冲击的伤害尤其是在此条件下可能对整个采空区造成破坏。 深孔预裂爆破机理和其在浅埋煤层中控制顶板垮落中的应用技术是一种行之有效的的技术，可以有效应对大面积顶板来压，能够广泛应用于矿产开采，并且，在实验室也取得了很好的验证。按照浅埋煤层的井田条件本文采用圆柱形的空腔膨胀理论计算包括休息区、断裂带和弹性振动区在内的三爆破区。应用LS-DYNA3D软件技术可以建立深孔
3、预裂爆破模型并由此提出了岩石应力场理论和高能量爆炸应力波对休息的影响理论。仿真结果可以模拟出爆破controlled roof caving mechanism and also optimized the blasting parameters控制顶板冒落机理和优化爆破参数。现场观测显示，在神东石格泰采区，第一次顶板来压高度为17.4m，应用深孔预裂爆破技术，液压支架并未破断，在发生了第一次周期来压时，开采也未形成严重的顶板下沉happened，应用深孔预裂爆破控制来顶板采动的技术也取得预期效果。1.介绍浅埋煤层广泛分布于中国西北地区神东矿区。神东矿区浅埋煤层有三大类型： 浅埋薄层岩、 厚松
4、散第四纪覆盖层。由于主要顶板大厚度、高拉伸强度和低覆负荷的原因，相比普通煤层，地层结构和地面压力运动有一些特殊性。比如，浅埋煤层的长壁工作面顶板储有很大的能量，且在大多数情况下，其长度大于35米。因此，各类事故频繁发生：包括液压支架铁绑定和突水通过穿透裂缝沿煤壁，和有可能诱使大面积残余支柱不稳定，甚至风爆炸损坏特别是在室矿山采空区下的条件。如上文所述这些严重威胁到安全开采，深孔预裂爆破机理及其技术就是用来阻止事故的发生.主要方式，通过更改其机械状况削弱顶板岩体强度从而防止大面积顶板垮落。目前，主要的控制技术是深孔爆破、注水软化岩体和采空区充填。许多报告显示深孔爆破技术是预防冒顶和顶板来压的一项
5、有效方式，并且已经广泛应用在中国其他非煤开采中。在实验室中对数值模拟和物理模拟的爆破钻孔深度和顶板冒落的长度的进行了优化，并取得了一些显著的成就。但是到目前为止，深孔爆破技术控制放顶的机制对矿山采空区下的浅埋煤层煤的应用仍然处于系统研究阶段。本文结合圪矿、 神东矿区浅埋煤层地质条件，使用中国先进的蒂卡尔分析和软件的LS DYNA3D 数值模拟来揭露控制的顶板冒落的深孔预裂爆破机制，以此提出了顶板冒落的设计的方案，使得在浅埋煤层可以安全开采。2.大面积顶板来压分析大面积顶板来压一般发生在高拉伸强度岩石层中，如泥灰岩和砾岩。在这些地层中，由于高拉伸强度形成的整体厚板结构，层理、 连接和断裂较为发育
6、。随着长壁工作面推进长度的增加，采空区的坚硬顶板面积会相应增加，由于上覆岩层负载和重力作用，如果岩层弯曲和下沉直到弯曲应力大于其抗拉强度极限的影响，断裂扩展和新的断裂将会出现，并继续发展，断裂将经过顶板岩层达到完全断裂，即主要顶板岩层已经破裂和发生首次顶板来压。此外，大面积顶板破裂和采动运动将导致动态冲击和甚至矿压冲击爆炸伤害。3为控制的顶板采动爆破的力学分析可以应用钻孔爆破技术切断顶板岩层，这将在首次顶板来压之前改变其所带来的损害，主要顶板的夹紧的状态即从这两个末端夹岩梁结构的顶板中断类型更改为悬臂梁断裂结构，类似于顶板地层中重力的计算。岩石采动与破坏介质上的过程通常分为两个阶段： 冲击波和
7、爆轰气体准静态压力的动态移动。根据岩石爆破特性，可以在爆炸致弹性和塑料地区应用圆柱空腔膨胀理论来分析应力分布17. 条形药包爆破产生高压爆轰气体，虽然强大冲击波传播到岩体中产生有孔壁冲击行动，由于爆炸位置之间的距离变化，岩石破坏的规模性有明显的分区特征。基于岩体断裂程度，爆破诱导的分区可以被划分成三个分区：休息区、二断裂带和弹性振动区。爆破的子区域特征如图所示。爆破诱导子区域的主要特征是，如下所示 19:休息区： 休息区也叫压碎的区或受压区，有很小的半径。条件的纵栏式解耦充电、 休息区半径是：和 0、 大体积分别炸药和岩石的密度，kg/m3 ；Cp，D 是在岩石中的声速质量和爆炸速度分别，m/
8、s ；scd 是岩石动态单轴抗压强度，MPa，并且它与静态单轴抗压强度、 scd 1 的以下关系 = 3 sc， 是应变速率，10 s 1 ； 是负载传输衰减指数 ；b 是侧向应力 coefcient ；md 是岩石动态泊松比，这等同于0.8米的装载率范围的工程爆破 ；K rb/rc 是径向解耦 coefcient ；(rb、 rc) 为爆破孔半径和炸药包半径，毫米 ；le 是轴向充电 coefcient ；n 是不断增加的压力 coefcient 时detonation 产品肿胀和与井壁从实验室实验中，n 10 ； 碰撞 是爆轰产物，在大多数情况下， 的肿胀的绝热索引 3。断裂带：此区是断裂
9、带之外的区域。电荷耦状况的断裂区半径是弹性振动区： 外断裂带，岩石大众已没有破裂的激波与残爆轰气体运动但粒子振动存在，和弹性振动区域半径可表示为以下估计公式 20： Rs 1:5 2:0p3爆炸每单位体积岩石2.93 kg/m3，因而弹性振动区域的半径是约 2.12.9 米。4. 数值模拟爆破数值模拟过程在爆破力学分析扮演着越来越重要的角色。LS DYNA3D动态分析软件是明确分析非线性影响的动态问题，用来模拟爆炸过程和爆破参数，优化，以及提高爆破效果的最有效工具之一4.1. 爆炸状态方程和仿真模型LS DYNA3D 使用琼斯威尔肯斯李（JWL） 状态方程来描述压力和高能炸药爆轰产品的容量之间
10、的关系。要说明的炸药起爆过程中的压力和特定关系的函数是：其中 P 是爆轰产品单位压力；V 是 detona 扬天产品相对量 ；E0 是爆轰产品初始内部能量密度 ；和 A、B、R1、R2和是的材料常数确定的爆破实验根据的专业领域的条件和一些相关的研究结果，实验采用煤炭矿井可允许的乳化炸药。并在表1中列出了充电参数和JWL状态方程参数.岩石大规模污点是高爆轰中心，附近是恰当的使用一种塑料硬化材料模型，包括应变率效应。因此，通过在仿真中的岩石材料模型是运动学硬化塑料模型 (垫-塑料-运动学），这是各向异性运动学硬化和热带运动学硬化混合模型，与应变速率相关，并且也认为材料失效影响。硬化段米可以是各不相
11、同 （ 0 意味着只有运动学硬化、0oo1手段混合硬化和 1手段只有各向同性硬化），调整各向同性硬化程度和运动学硬化程度。因而可以由库柏 西蒙兹模型，分析对强度的应变率影响和屈服应力 应变率的关系是有效应力波的行动范围增加至1.43米，这一领域包括休息区和局部断裂区. 正如岩石的抗拉强度远小于抗压强度，岩石质量将产生和损坏时爆破诱导有效应力超过其拉伸强度限制，然后断裂形成开发区域。后引爆639.8ms，有效应力波行动范围约2.29米，并且直到到2528.6ms的行动范围是达3.55米，邻近爆破应力波有叠加，然后岩石大众有相反方向的振动响应。这种效果使岩石产生和将生成一些倾斜产生的弱界面和断裂，
12、主要有助于顶板松动，使其容易垮落。LS DYNA3D仿真结果不仅说明了在高能炸药下爆破岩石体积和应力场变化的规律，还揭示了顶板产量和损坏的时空特征。同时，结果也表明6.0米的有效钻孔间距是一个优化的设计的，并提提供现场的臆测实验的一个合理参数。4.2为控制冒顶的离散元分析UDEC 已被用来建立和分析的两个模型的离散元程序来比较控制顶板综放模型和无方式进行模型之间的控制效果。由现场勘测地质条件和实验室保守机械测试确定煤层和岩层的属性. 假如是要消除边界效应，留在这两个边界的长度为40 m煤柱设计的的长壁工作面开挖长度是170米、 煤层在此模型中是典型的浅埋煤层，所以上限-叉应到达表面。因此，该模
13、型尺寸是长度 高度 250 米100 米。左和右边框限制水平位移和较低的限制垂直在此模型中通过本构方程是莫尔-库仑准则。UDEC 模拟结果表明应用深孔预裂爆破技术控制冒顶，其主要顶板预裂面积减少，其预裂长度明显减少。它有助于顶板控制，避免大面积冒顶和其他相关的事故，这是很重要的安全开采。5. 井田应用计算顶板和控制的顶板冒落的长度模拟如上文所述，在进行 131203 长壁工作面圪矿井应用深孔预裂爆破控制顶板采动技术可以有效减少地面压力活动强度，以防止止事故的巨大冲击负载影响。根据 131203 长壁工作面现场的勘测观察，如图11所示主要顶板在应用深孔预裂爆破技术后控制冒顶长度约 17.4 米。
14、此值是远远低于没有爆破方式的长度。在相邻131201长壁工作面现场的勘测之前，还进行了观测表明其长度约38.6 m，不用深孔预裂爆破技术的应用. 主要的屋顶已断塌了爆破损伤区的范围内和上覆岩层已破碎和下沉直到到表面，在相应的开切的表面形成了9.2 米宽度和 0.6 m 的深度，类似于一个矩形、 一个凹陷坑。地表沉陷后应用的深孔预裂爆破的照片如图 12 所示.6. 结论为了避免大面积顶板和其他相关的意外事故，提出了深孔预裂爆破技术控制冒顶。本文使用圆柱腔广阔理论来分析的爆破的诱导的岩石损伤区域，包括休息区、 断裂带和弹性振动区，同时计算力学的三个维度。计算结果表明优化的钻孔间距8.0m。LS DYNA3D 的软件可在同一时间用来建立深孔预裂爆破模型的控制冒顶、仿真分析应力现场的勘测和爆破冲击波，所致的损害范围和揭示控制冒顶的机制和优化的爆破参数。力学分析和数值对爆破程序的应用提提供了合理的基础，。应用深孔预裂爆破技术控制冒顶，其主要顶板首次采动长度约 17.4 米。此值是远远低于没有应用爆破方式的长度的，预裂采动和地面压力强度相对较小，沿煤壁既不发生液压支架倾倒，也不发生严重沉陷，因而长壁工作面进展顺利。现场勘测的意见表明深孔预裂爆破技术已成功应用于控制冒顶，这将在浅埋煤层中使长壁工作面有效安全地开采。
