突出礦井爆破振動(dòng)測(cè)試與分析

突出礦井爆破振動(dòng)測(cè)試與分析

煤炭和磚瓦的突出是煤礦開采過(guò)程中產(chǎn)生的極其復(fù)雜的能源現(xiàn)象。我國(guó)是世界上瓦斯突出最嚴(yán)重的國(guó)家,突出礦井?dāng)?shù)占世界突出礦井總數(shù)的25%,全國(guó)有40多個(gè)國(guó)有礦務(wù)局約250個(gè)礦井和數(shù)量眾多的地方國(guó)有和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦共發(fā)生了約1.4萬(wàn)次煤與瓦斯突出,占世界總突出次數(shù)的35%,煤與瓦斯突出事故位居全國(guó)每年各類煤礦事故死亡總?cè)藬?shù)和事故總次數(shù)的前列。隨著我國(guó)礦井開采深度加大和礦井地質(zhì)條件復(fù)雜化,發(fā)生煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的突出礦井也將日益增多。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者側(cè)重研究瓦斯壓力、地應(yīng)力和煤層物理力學(xué)性質(zhì)等內(nèi)在因素的作用,提出了瓦斯主導(dǎo)作用說(shuō)、綜合作用說(shuō)、流變假說(shuō)、固流耦合失穩(wěn)等煤與瓦斯突出機(jī)理,產(chǎn)生了開采保護(hù)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(jī)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(guó)煤礦采掘工作面最常用的破煤方式,我國(guó)煤與瓦斯突出分布規(guī)律和大量瓦斯突出事故都說(shuō)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(jī)理尚未成熟,研究爆破地震效應(yīng)對(duì)煤與瓦斯突出的影響具有非常重要意義。1爆破地震效應(yīng)分析根據(jù)工程爆破地震效應(yīng)對(duì)地面建筑物等結(jié)構(gòu)體的影響研究,本文將主要監(jiān)測(cè)分析爆破震動(dòng)波在煤礦井下采掘工作面前方卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)的傳播規(guī)律和振動(dòng)能量,采用質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和主振頻率兩個(gè)指標(biāo)定量分析爆破地震效應(yīng)對(duì)該區(qū)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的激發(fā)程度。在此,本文對(duì)煤礦井下采掘爆破對(duì)工作面突出煤層的下列主導(dǎo)作用不作討論:(1)破壞原始地層中的應(yīng)力平衡狀態(tài)后形成較高的集中應(yīng)力;(2)對(duì)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(dòng)區(qū)地震響應(yīng)突出危險(xiǎn)工作面采掘爆破時(shí),爆破產(chǎn)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(zhuǎn)化成空氣沖擊波和噪音,剩余能量在爆破遠(yuǎn)區(qū)轉(zhuǎn)化為爆破地震波。采掘工作面前方卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)處于爆破震動(dòng)區(qū),該區(qū)域的能量?jī)H占爆炸總能量的很小部分,但該區(qū)一定振幅的小振動(dòng)仍會(huì)導(dǎo)致突出煤體介質(zhì)發(fā)生不同程度的損傷破壞。近年來(lái)爆破振動(dòng)激發(fā)煤與瓦斯突出事故頻發(fā),使得對(duì)突出危險(xiǎn)工作面爆破振動(dòng)區(qū)的地震效應(yīng)不能忽視。例如,在平頂山煤業(yè)集團(tuán)發(fā)生的強(qiáng)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(qiáng)度最大,爆破作業(yè)突出次數(shù)最多。1.2突出煤層爆破損傷的機(jī)制爆炸應(yīng)力波在突出危險(xiǎn)工作面前方卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)的突出煤層介質(zhì)傳播過(guò)程中嚴(yán)重衰減,爆炸峰值壓力很小,無(wú)法對(duì)該區(qū)的突出煤層產(chǎn)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(qiáng)度非常低,爆破地震波向該區(qū)傳播時(shí)將產(chǎn)生波的反射、透射及折射現(xiàn)象,使這些弱面受到拉、壓、剪等應(yīng)力的混合作用發(fā)生擴(kuò)展和延伸而產(chǎn)生爆破損傷。隨著爆破損傷的增大,可能會(huì)導(dǎo)致相鄰裂紋貫穿形成大的裂縫,將嚴(yán)重削弱突出煤層的力學(xué)承載能力和降低瓦斯突出過(guò)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(jù)煤與瓦斯突出機(jī)理和大量的工程實(shí)踐,煤與瓦斯突出的動(dòng)力源主要由煤體骨架受地應(yīng)力作用而產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能Ep和貯存在煤體及裂隙內(nèi)的瓦斯內(nèi)能En組成。突出發(fā)動(dòng)過(guò)程需要消耗的能量主要有:聲能Es、內(nèi)表面滑移產(chǎn)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(dòng)能Ek1、突出瓦斯進(jìn)入空氣時(shí)所需最小速度對(duì)應(yīng)的剩余動(dòng)能Ek2等。突出能否發(fā)生主要取決于動(dòng)力源與突出過(guò)程中消耗的能量之間的動(dòng)態(tài)平衡,由此得出煤與瓦斯突出的能量平衡式為通過(guò)爆破震動(dòng)信號(hào)的小波包特征分析:爆破震動(dòng)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(dòng)能量后,增加了煤與瓦斯突出的動(dòng)力源,根據(jù)以上1.1~1.2節(jié)的分析,促使式(1)隨著時(shí)間進(jìn)程向非穩(wěn)態(tài)發(fā)展,增加了煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。2振動(dòng)速度、振動(dòng)頻率和能量的概念通過(guò)某礦井采煤工作面爆破振動(dòng)實(shí)地監(jiān)測(cè),掌握工作面前方卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)爆破地震波的振動(dòng)速度、振動(dòng)頻率和振動(dòng)能量。根據(jù)該采煤工作面條件,監(jiān)測(cè)分析打眼爆破后煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。2.1工作面分布及開采條件湖南省某國(guó)有煤礦核定生產(chǎn)能力21萬(wàn)t/a,礦井內(nèi)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(xì)粒砂巖和粉砂巖。1261回采工作面為該礦12采區(qū)的一個(gè)區(qū)段,該工作面走向長(zhǎng)120m,傾向長(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)爆破和小直孔密集排放鉆孔的防突措施。其中,松動(dòng)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(jù)工作面采煤工藝和6煤層特征,采用小進(jìn)尺分3次放炮的爆破技術(shù)?？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(jìn)行爆破,最大段裝藥量為4.5kg。2.3號(hào)自記儀儀采用成都電子技術(shù)研究所研制的TOPBOX振動(dòng)信號(hào)自記儀。爆破地震波在工作面前方卸壓帶和應(yīng)力集中帶突出煤層中所產(chǎn)生的爆破地震效應(yīng)將可能觸發(fā)煤與瓦斯突出,因此,將3組測(cè)點(diǎn)按照如圖1進(jìn)行布置。3測(cè)試結(jié)果分析3.1爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果大量觀測(cè)表明:爆破地震破壞程度與振動(dòng)速度密切相關(guān),垂直振速為垂直、徑向和切向3個(gè)速度分量中最大的,故本次測(cè)試采用質(zhì)點(diǎn)垂直振動(dòng)速度作為爆破震動(dòng)的測(cè)試量。采用比較公認(rèn)的前蘇聯(lián)學(xué)者薩道夫斯基提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算爆破振動(dòng)速度。薩道夫斯基爆破振動(dòng)速度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為式中,v為測(cè)點(diǎn)最大質(zhì)點(diǎn)垂直振動(dòng)速度,m/s;K、α分別為與爆破點(diǎn)至測(cè)點(diǎn)間的地形地質(zhì)條件有關(guān)的數(shù)和衰減指數(shù);Q為炸藥量,kg,齊發(fā)爆破取總藥量,延時(shí)爆破為最大段藥量;R為測(cè)點(diǎn)至爆源的距離,m。1261采煤工作面爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果見表1,其爆破振動(dòng)信號(hào)如圖2(a)、(b)所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)和裝藥量,通過(guò)回歸分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì),得出K、α值,見表1。由表1可知,煤層組a~j各測(cè)點(diǎn)所產(chǎn)生的垂直振動(dòng)速度和爆破振動(dòng)能量較小,而風(fēng)巷組k~o各測(cè)點(diǎn)所產(chǎn)生的垂直振動(dòng)速度和爆破振動(dòng)能量相對(duì)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(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度vf明顯大于第Ⅰ次放炮(β=80°)時(shí)a測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度va;風(fēng)巷中k測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度vk明顯大于第Ⅲ次放炮煤層中f測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度vf。3.2爆破振動(dòng)分量的確定采用db7小波基對(duì)該3組信號(hào)進(jìn)行尺度為8的小波分解,可獲得9個(gè)頻帶的小波分解系數(shù)。由于爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí),信號(hào)的采樣率設(shè)置為4000Hz,根據(jù)小波分解原理,9個(gè)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(gè)頻帶的小波分解系數(shù)重構(gòu)后,便可獲得上述3個(gè)爆破振動(dòng)信號(hào)9個(gè)頻帶的爆破振動(dòng)分量的時(shí)程曲線,如圖3所示。從表2可以看出爆破振動(dòng)信號(hào)振動(dòng)頻譜和能量分布。4下允許安全藥量和爆破振動(dòng)速度采煤工作面爆破地震效應(yīng)產(chǎn)生的能量增加了突出動(dòng)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(jù)式(1)確定工作面條件下允許安全藥量和爆破振動(dòng)速度。通過(guò)調(diào)整爆破作業(yè)方案,減少爆破地震效應(yīng),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(shí)間相差30ms≤Δt≤130ms,每段爆破可以看作相互獨(dú)立,最大段炸藥量降低約50%,減小爆破引起的振動(dòng)。(2)控制炮眼水平角β=75~80°,嚴(yán)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(zhǎng)度0.6m以上。5工作面平傾角增大,爆破地震波效應(yīng)大(1)工作面前方卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)爆破地震效應(yīng)較小,工作面回風(fēng)平巷的爆破地震效應(yīng)明顯大于工作面前方卸壓區(qū)和應(yīng)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(yīng)力