突出礦井爆破振動測試與分析

突出礦井爆破振動測試與分析

煤炭和磚瓦的突出是煤礦開采過程中產生的極其復雜的能源現象。我國是世界上瓦斯突出最嚴重的國家,突出礦井數占世界突出礦井總數的25%,全國有40多個國有礦務局約250個礦井和數量眾多的地方國有和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦共發(fā)生了約1.4萬次煤與瓦斯突出,占世界總突出次數的35%,煤與瓦斯突出事故位居全國每年各類煤礦事故死亡總人數和事故總次數的前列。隨著我國礦井開采深度加大和礦井地質條件復雜化,發(fā)生煤與瓦斯動力現象的突出礦井也將日益增多。目前,國內外學者側重研究瓦斯壓力、地應力和煤層物理力學性質等內在因素的作用,提出了瓦斯主導作用說、綜合作用說、流變假說、固流耦合失穩(wěn)等煤與瓦斯突出機理,產生了開采保護層、瓦斯抽放、超前鉆孔等區(qū)域性和局部性防治突出措施。但是,上述突出機理忽略了作業(yè)爆破等外在因素的激發(fā)作用,因而未能有效遏止煤與瓦斯突出事故。打眼放炮是我國煤礦采掘工作面最常用的破煤方式,我國煤與瓦斯突出分布規(guī)律和大量瓦斯突出事故都說明了作業(yè)爆破最能激發(fā)瓦斯突出事故。目前,作業(yè)爆破激發(fā)煤與瓦斯突出的機理尚未成熟,研究爆破地震效應對煤與瓦斯突出的影響具有非常重要意義。1爆破地震效應分析根據工程爆破地震效應對地面建筑物等結構體的影響研究,本文將主要監(jiān)測分析爆破震動波在煤礦井下采掘工作面前方卸壓區(qū)和應力集中區(qū)的傳播規(guī)律和振動能量,采用質點峰值振動速度和主振頻率兩個指標定量分析爆破地震效應對該區(qū)煤與瓦斯突出危險性的激發(fā)程度。在此,本文對煤礦井下采掘爆破對工作面突出煤層的下列主導作用不作討論:(1)破壞原始地層中的應力平衡狀態(tài)后形成較高的集中應力;(2)對破碎區(qū)和粉碎區(qū)突出煤層的能量釋放和直接破壞作用。1.1爆破振動區(qū)地震響應突出危險工作面采掘爆破時,爆破產生的能量大部分消耗在粉碎和破裂煤體,一部分能量用于向工作面拋擲煤體,一部分轉化成空氣沖擊波和噪音,剩余能量在爆破遠區(qū)轉化為爆破地震波。采掘工作面前方卸壓區(qū)和應力集中區(qū)處于爆破震動區(qū),該區(qū)域的能量僅占爆炸總能量的很小部分,但該區(qū)一定振幅的小振動仍會導致突出煤體介質發(fā)生不同程度的損傷破壞。近年來爆破振動激發(fā)煤與瓦斯突出事故頻發(fā),使得對突出危險工作面爆破振動區(qū)的地震效應不能忽視。例如,在平頂山煤業(yè)集團發(fā)生的強度大于100t的突出中,近80%為爆破作業(yè)后發(fā)生。爆破作業(yè)突出強度最大,爆破作業(yè)突出次數最多。1.2突出煤層爆破損傷的機制爆炸應力波在突出危險工作面前方卸壓區(qū)和應力集中區(qū)的突出煤層介質傳播過程中嚴重衰減,爆炸峰值壓力很小,無法對該區(qū)的突出煤層產生直接破壞。但由于突出煤層中的節(jié)理、裂隙等弱面發(fā)育且強度非常低,爆破地震波向該區(qū)傳播時將產生波的反射、透射及折射現象,使這些弱面受到拉、壓、剪等應力的混合作用發(fā)生擴展和延伸而產生爆破損傷。隨著爆破損傷的增大,可能會導致相鄰裂紋貫穿形成大的裂縫,將嚴重削弱突出煤層的力學承載能力和降低瓦斯突出過程中需要消耗的阻礙能量。1.3煤與瓦斯突出的能量平衡式根據煤與瓦斯突出機理和大量的工程實踐,煤與瓦斯突出的動力源主要由煤體骨架受地應力作用而產生的彈性應變能Ep和貯存在煤體及裂隙內的瓦斯內能En組成。突出發(fā)動過程需要消耗的能量主要有:聲能Es、內表面滑移產生的熱量Q、新表面生成所需的表面能Eb、突出路徑中的局部阻力hf、摩擦阻力h1、突出路徑中撕裂和拋擲煤體所需動能Ek1、突出瓦斯進入空氣時所需最小速度對應的剩余動能Ek2等。突出能否發(fā)生主要取決于動力源與突出過程中消耗的能量之間的動態(tài)平衡,由此得出煤與瓦斯突出的能量平衡式為通過爆破震動信號的小波包特征分析:爆破震動的能量分布很廣泛,其能量以某一頻率段為主。該區(qū)突出煤層獲得爆破振動能量后,增加了煤與瓦斯突出的動力源,根據以上1.1~1.2節(jié)的分析,促使式(1)隨著時間進程向非穩(wěn)態(tài)發(fā)展,增加了煤與瓦斯突出的危險性。2振動速度、振動頻率和能量的概念通過某礦井采煤工作面爆破振動實地監(jiān)測,掌握工作面前方卸壓區(qū)和應力集中區(qū)爆破地震波的振動速度、振動頻率和振動能量。根據該采煤工作面條件,監(jiān)測分析打眼爆破后煤與瓦斯突出危險性。2.1工作面分布及開采條件湖南省某國有煤礦核定生產能力21萬t/a,礦井內6煤層為主采煤層,其直接頂為條帶狀粉砂巖,底板為灰白色細粒砂巖和粉砂巖。1261回采工作面為該礦12采區(qū)的一個區(qū)段,該工作面走向長120m,傾向長60m,傾角17~19°,工作面煤層厚度不穩(wěn)定,平均厚度約2.4m。工作面采用走向長壁后退式采煤方法。礦井多次發(fā)生煤與瓦斯突出事故,屬于煤與瓦斯突出礦井。礦井采用淺孔松動爆破和小直孔密集排放鉆孔的防突措施。其中,松動爆破孔孔深3m,孔徑ue78842mm。小直孔密集排放鉆孔孔深不小于5m,孔徑ue78842mm。2.2頂眼藥物布置根據工作面采煤工藝和6煤層特征,采用小進尺分3次放炮的爆破技術?？咨頛=1.2m,水平傾角β=60~80°,孔徑40mm,三花眼布孔方式,炮孔間距a=1.5m,排距b=0.8m。使用煤礦許用安全炸藥和毫秒延期電雷管,腰眼每孔裝藥2卷,頂眼每孔裝藥1卷,采用雷管段別為1、2段。1261采煤工作面總裝藥量為13.5kg,分3次進行爆破,最大段裝藥量為4.5kg。2.3號自記儀儀采用成都電子技術研究所研制的TOPBOX振動信號自記儀。爆破地震波在工作面前方卸壓帶和應力集中帶突出煤層中所產生的爆破地震效應將可能觸發(fā)煤與瓦斯突出,因此,將3組測點按照如圖1進行布置。3測試結果分析3.1爆破振動測試結果大量觀測表明:爆破地震破壞程度與振動速度密切相關,垂直振速為垂直、徑向和切向3個速度分量中最大的,故本次測試采用質點垂直振動速度作為爆破震動的測試量。采用比較公認的前蘇聯學者薩道夫斯基提出的經驗公式計算爆破振動速度。薩道夫斯基爆破振動速度計算經驗公式為式中,v為測點最大質點垂直振動速度,m/s;K、α分別為與爆破點至測點間的地形地質條件有關的數和衰減指數;Q為炸藥量,kg,齊發(fā)爆破取總藥量,延時爆破為最大段藥量;R為測點至爆源的距離,m。1261采煤工作面爆破振動測試結果見表1,其爆破振動信號如圖2(a)、(b)所示。根據現場測試數據和裝藥量,通過回歸分析和數理統(tǒng)計,得出K、α值,見表1。由表1可知,煤層組a~j各測點所產生的垂直振動速度和爆破振動能量較小,而風巷組k~o各測點所產生的垂直振動速度和爆破振動能量相對較大。從圖2可以看出,隨著炮眼水平角β變小,相同條件下第Ⅲ次放炮(β=60°)f測點振動速度vf明顯大于第Ⅰ次放炮(β=80°)時a測點振動速度va;風巷中k測點振動速度vk明顯大于第Ⅲ次放炮煤層中f測點振動速度vf。3.2爆破振動分量的確定采用db7小波基對該3組信號進行尺度為8的小波分解,可獲得9個頻帶的小波分解系數。由于爆破振動監(jiān)測時,信號的采樣率設置為4000Hz,根據小波分解原理,9個頻帶寬度分別為0~7.8125Hz(D1),7.8125~15.625Hz(D2),15.625~31.25Hz(D3),31.25~62.5Hz(D4),62.5~125Hz(D5),125~250Hz(D6),250~500Hz(D7),500~1000Hz(D8),1000~2000Hz(A8)。將9個頻帶的小波分解系數重構后,便可獲得上述3個爆破振動信號9個頻帶的爆破振動分量的時程曲線,如圖3所示。從表2可以看出爆破振動信號振動頻譜和能量分布。4下允許安全藥量和爆破振動速度采煤工作面爆破地震效應產生的能量增加了突出動力能量,促使式(1)向非平衡態(tài)發(fā)展。為了避免發(fā)生煤與瓦斯突出事故,根據式(1)確定工作面條件下允許安全藥量和爆破振動速度。通過調整爆破作業(yè)方案,減少爆破地震效應,具體的爆破優(yōu)化方案:(1)使用4段毫秒延期爆破,每段之間的延期時間相差30ms≤Δt≤130ms,每段爆破可以看作相互獨立,最大段炸藥量降低約50%,減小爆破引起的振動。(2)控制炮眼水平角β=75~80°,嚴格按照順序起爆。(3)工作面分2~3次分段爆破,減少放炮總裝藥量。6煤層屬于中厚軟煤層,采用1~2排炮眼,炮泥長度0.6m以上。5工作面平傾角增大,爆破地震波效應大(1)工作面前方卸壓區(qū)和應力集中區(qū)爆破地震效應較小,工作面回風平巷的爆破地震效應明顯大于工作面前方卸壓區(qū)和應力集中區(qū)。(2)隨著炮眼水平傾角β變小,工作面前方卸壓區(qū)和應力