一种确定有效采空区放顶爆破方案的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及矿业工程，特别是涉及采空区放顶爆破的方案选择。
【背景技术】
[0002]坚硬难垮落顶板的控制一直是矿山压力理论和实践研宄中的一项重要内容。为让坚硬难垮落顶板在开采过程中容易垮落，必须改变影响坚硬顶板难垮落的因素。采用爆破手段可以减弱岩体的整体性，增加层理和裂隙，从而达到顶板的顺利跨落。顶板事故在煤矿事故中比例最大，尤其是在顶板坚硬、不易冒落的开采条件下，采空区大面积悬露顶板的突然垮落极易形成飓风冲击，造成人员伤亡和设备损坏。
[0003]对上覆坚硬且构造复杂的岩体进行爆破强制放顶的相关研宄已取得了一些进展。参考文献。周登辉等的大倾角坚硬顶板深孔超前预爆破研宄与应用；伍永平等的坚硬顶板综放工作面超前弱化模拟研宄；张杰的浅埋煤层顶板深孔预爆强制初放研宄；高魁等深孔爆破在深井坚硬复合顶板沿空留巷强制放顶中的应用；张春雷等大倾角大采高综采工作面坚硬顶板控制技术；曹胜根等采场上覆坚硬岩层破断的数值模拟研宄。
[0004]确定对某矿在特殊地质构造条件下，采空区上覆岩层进行爆破方案的合理性，并通过模拟结果研宄上覆岩层运移和爆破产生裂隙的发育特点。该上覆岩层为向斜左翼，是急倾斜的。不但向斜存在成层岩体构造，且岩体中还存在水平裂隙发育。在这种环境下进行上覆岩层顶板爆破的相关研宄并不充分，其岩层运移规律必定不同于一般情况，是值得深入研宄的问题。
[0005]方法提出对该地质条件下形成的采空区进行模拟，研宄爆破后的上覆岩层运移和爆破产生裂隙发展规律，为实际的采空区处理提供依据。
【发明内容】
[0006]1.一种确定有效采空区放顶爆破方案的方法，其特征在于，为制定合理的采空区强制放顶爆破方案，根据上覆岩层的急倾斜性并伴有水平裂隙发育的实际情况制订了方案，并使用基于颗粒流理论进行了模拟；考虑到上覆岩层特点和代表性，设置了爆破点连线相互垂直的两组方案。模拟了两组方案不同工况下的爆破过程；其包括如下步骤:采空区模型的建立、爆破方案设计；本发明可用于采空区放顶爆破的方案选择。
[0007]2.根据权利要求1所述的岩体模型的建立，其特征在于，考虑到岩土体形成过程是由于风化、沉积等作用使颗粒在竖直方向从下到上逐层堆积形成的，并经过自然压实的过程，使用下落法构造模型。
[0008]3.根据权利要求1所述的岩体模型的建立，其特征在于，为了模拟掘进过程中上覆岩层的运移，该地质剖面模型(X方向)长300m，高(Z方向)300m (底面距地表300m)；地质条件复杂，从左向右分层较多，且岩性不同，平均倾角达87° ;由于PFC3D建模的特殊性，结合地质勘查结果，考虑到砂岩、砂质泥岩和砂岩形成的岩体，及其之间裂隙尺度，将颗粒(ball)半径设为0.6-0.9m的正太分布。
[0009]4.根据权利要求1所述的岩体模型的建立，其特征在于，模型边界条件为模型上顶面自由，其余面均在X、y、Z三个方向固定；同时为了表现该模型边缘与外界岩体接触的实际效果，设固定面的摩擦系数为平均值0.5。
[0010]5.根据权利要求1所述的岩体模型的建立，其特征在于，为了模拟向斜左翼分层构造和水平方向存在的裂隙发育，根据发育的特征使用PFC3D中的JSET来模拟这些构造；JSET命令可以模拟岩体中节理等软弱面；具体地，表层黄土和碎石中不存在裂隙发育，不设施JSET ;在模型z方向的10~250m区域内设置JSET。对于向斜左翼的模拟，考虑到实际情况和计算量的因素，设置构造面间岩层水平方向厚度为10m，左翼总水平厚度240m，倾斜角87°高度10~250m。对于水平裂隙的模拟，根据勘察所得，设距地表50~100m，裂隙间距为5m ;距地表100~150m，裂隙间距为1m ;距地表150~210m，裂隙间距为20m。分层的层间和水平裂隙间的法向和切向连接强度为0，岩体内部的法向和切向连接强度为108Pa，其摩擦系数均为0.5。
[0011]6.根据权利要求1所述的岩体模型的建立，其特征在于，为模拟实际的采空区形成过程，掘进的模拟是通过删除模型底部颗粒完成的，设开挖高度为10m，每次掘进长度为20m，共220m分11次开挖完成；第11次后形成的稳定模型即为爆破方案实施所需基础模型。
[0012]7.根据权利要求1所述的爆破方案设计，其特征在于，对直接顶进行放顶爆破，由于直接顶附件岩层是急倾斜的，且厚度较大，考虑使用两种爆破方案进行尝试；方案一:爆破点基本水平排列，分布在采空区中心区域；6个爆破点xl, x2, x3, x4, x5, x6分别距起始开挖面40m、70m、100m、130m、160m、190m ;深度距直接顶约20m，单孔爆炸能量为107J ;方案二:爆破点基本竖直排列，分布在采空区中心竖向区域内；7个爆破点yl, y2, y3, y4, y5, y6, y7，竖向间距约为11.5m，与掘进起始面水平距离110m，单孔爆炸能量为107J ;他们的爆破点设置具有正交性，可体现不同爆破位置带来的不同效果。
[0013]8.根据权利要求1所述的爆破方案设计，其特征在于，爆破方案一，工况一爆炸点为x3, x4 ;工况二爆破点为x2, x3, x4, x5 ;工况三爆破点xl, x2, x3, x4, x5, x6 ；爆破方案二，工况一爆炸点为71，72;工况二爆破点为71，72，73，74;工况三爆破点yl, y2, y3, y4, y5, y6 ;工况四爆破点 yl, y2, y3, y4, y5, y6, y7。
【附图说明】
[0014]图1公式I。
[0015]图2公式2。
[0016]图3公式3。公式1、2、3中，J为爆炸总能量，/J ；mi表示颗粒i的质量，kg/m3 ；vi表示颗粒i的速度，m/s ; Jk表示三个区域分配的能量，k=l，2，3 /J，分别表示压缩区、破裂区、振动区；a k表示三个区域分配能量的系数，α 1-3分别为10%、80%、10% Jj表示某区域其中一个颗粒Oj分配的能量/J ; β j表示Oj分配能量的系数；Θ j表示Oj对爆炸点的圆心角I。；rj表示Oj的半径/m ； (x0, y0)表示爆炸点坐标；(xj, yj)表示Oj的坐标；vjx, vjy分别表示vj在X和y方向上的分量，m/s。
【具体实施方式】
[0017]对于PFC3D建模过程，具体来说包括:颗粒的生成、边界条件和初始条件的设置、选择接触模型和材料属性、加载，解算和模型修改、结果分析。
[0018]为了模拟掘进过程中上覆岩层的运移，该地质剖面模型(X方向)长300m，高(z方向)300m (底面距地表300m)。地质条件复杂，从左向右分层较多，且岩性不同，平均倾角达87°。由于PFC3D建模的特殊性，结合地质勘查结果，考虑到砂岩、砂质泥岩和砂岩形成的岩体，及其之间裂隙尺度，将颗粒(ball)半径设为0.6~0.9m的正太分布。
[0019]模型边界条件为模型上顶面自由，其余面均在x、y、z三个方向固定。同时为了表现该模型边缘与外界岩体接触的实际效果，设固定面的摩擦系数为平均值0.5。
[0020]为了模拟向斜左翼分层构造和水平方向存在的裂隙发育，根据发育的特征使用PFC3D中的JSET来模拟这些构造。JSET命令可以模拟岩体中节理等软弱面。具体地，表层黄土和碎石中不存在裂隙发育，不设施JSET。在模型z方向的10~250m区域(左翼岩体所在位置)内设置JSET。对于向斜左翼的模拟，考虑到实际情况和计算量的因素，设置构造面间岩层水平方向厚度为1m (每隔1m—个构造面)，左翼总水平厚度240m，倾斜角87°高度10~250m。对于水平裂隙的模拟，根据勘察所得，设距地表50~100m，裂隙