说明书一种确定有效采空区放顶爆破方案的方法
技术领域
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
坚硬难垮落顶板的控制一直是矿山压力理论和实践研究中的一项重要内容。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垮落。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。
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究已取得了一些进展。参考文献。周登辉等的大倾角坚硬顶板深孔超前预爆破研究与应用；伍永平等的坚硬顶板综放工作面超前弱化模拟研究；张杰的浅埋煤层顶板深孔预爆强制初放研究；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究。
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，并通过模拟结果研究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究并不充分，其岩层运移规律必定不同于一般情况，是值得深入研究的问题。
方法提出对该地质条件下形成的采空区进行模拟，研究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
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。
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。
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。
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。
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10m；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。
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。
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x1,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y1,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。
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x1,x2,x3,x4,x5,x6；爆破方案二，工况一爆炸点为y1,y2；工况二爆破点为y1,y2,y3,y4；工况三爆破点y1,y2,y3,y4,y5,y6；工况四爆破点y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7。
附图说明
图1公式1。
图2公式2。
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=1,2,3 /J，分别表示压缩区、破裂区、振动区；αk表示三个区域分配能量的系数，α1~3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；βj表示Oj分配能量的系数；θj表示Oj对爆炸点的圆心角 /°；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
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。
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。
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。
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10m（每隔10m一个构造面），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，裂隙间距为5m；距地表100~150m，裂隙间距为10m；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。
在PFC3D中使用JSET划分模型后，用以表示具有一定整体性的岩体，即表示岩体中的大块岩石。颗粒之间的连接线为“Contact Bonds”,表示颗粒已连接作为整体。不同岩石块(cluster)之间不存在Contact Bonds，即表示两块完全分离。使用JSET模拟岩石间的裂隙优势在于可以体现裂隙之间的摩擦力和机械咬合力，进而使模拟更接近于实际。
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。
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，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。两组方案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。
爆破模型基于能量守恒理论和爆炸区域划分理论，简要说明如下。振动区主要吸收残余能量起阻尼作用，不发生断裂；破裂区主要承受爆炸能量，碎裂并飞溅，炸药化学能转化为动能。故设压缩区、破裂区、振动区能量分配为10%、80%、10%，如公式（1）所示。压缩区集中在炸点的颗粒内。振动区不发生破碎所以所吸收的能量不转化为动能。综上，动能的分配主要集中在破裂区，在PFC3D中对颗粒施加速度是方便的，通过炸药的化学能转化为动能，根据动能公式，将每个颗粒得到的动能转化为颗粒的爆炸初始瞬间速度，即可以实现对爆炸的模拟。对于颗粒的动能分配如公式（2），对颗粒速度的确定如公式（3）。这里设炮孔半径为0.1m，根据压碎区半径一般为3-7R，而破裂区半径一般为8-150R（R为炮孔半径），那么爆炸影响半径为15m。
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x1,x2,x3,x4,x5,x6。爆破方案二，工况一爆炸点为y1,y2；工况二爆破点为y1,y2,y3,y4；工况三爆破点y1,y2,y3,y4,y5,y6；工况四爆破点y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7。
该矿基本构造形态呈一向南倾斜的单斜构造，煤层走向北东67°，倾向南东157°，煤层倾角43°～89°。其中，含煤地层是中侏罗统的西山窑组，呈北东～南西向带状展布，含煤32层，总厚169.81m。主采煤层为B1+2煤层和B3+6煤层，由岩柱隔开，岩柱从西向东逐渐变薄，宽度范围在53-110m之间，平均厚度79.53m。B1+2煤层最大厚度39.45m，最小厚度31.83m，平均厚度37.45m，含夹矸4～11层，夹矸单层厚0.06～2.43m，直接顶为粉砂岩及砂质泥岩，直接底为粉砂岩。B3+6煤层位于B1+2煤层北部，煤层最大厚度52.3m，最小厚度39.85m，平均厚度48.87m。内含夹矸4～20层，夹矸总厚0.08～4.40m。直接顶为粉砂岩，直接底亦为粉砂岩。两煤层平均倾角均达87°，属急倾斜特厚煤层。同时由于沉积和古代风化等作用岩层沿水平方向也存在裂隙发育。表层黄土及碎石层松散，深度约50m。50m以下为向斜左翼，岩体相对较完整，但水平方向存在裂隙，随着深度的增加，裂隙间隔逐渐增大。岩体之间裂隙是极不平整的，存在较大的机械咬合力和摩擦力。
由于该地层构造特点（含煤32层，水平总厚169.81m），考虑到夹矸单层厚度较小，而煤层相对较厚， 采用水平方向掘进方式进行开采。开采后形成水平采空区距地表300m左右，长度为220m，宽度200m。目前该采空区直接顶已出现严重的岩体突出，并伴随沿向斜成层构造面的裂隙发育。就该情况考虑进行强制爆破放顶对采空区进行处理。由于该采空区上覆岩层构造的特殊性，对爆破方案进行先期模拟，以判断其可行性，并研究上覆岩层运移和爆破产生裂隙发展情况。
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。
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。
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。
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。
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10m；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。
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。
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x1,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y1,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。
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x1,x2,x3,x4,x5,x6；爆破方案二，工况一爆炸点为y1,y2；工况二爆破点为y1,y2,y3,y4；工况三爆破点y1,y2,y3,y4,y5,y6；工况四爆破点y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7。
横向方案效果分析：
采空区爆破放顶的目的就是要人工使上覆岩层垮落。垮落过程中岩体碎块将重新搭接使空隙增加，垮落向上发展过程中垮落的空间逐渐减小，形成三带最终使地层的稳定。即放顶的目的就是使上覆岩层达到充分垮落。
工况一和工况二的裂隙可知，在横向设置爆破点的方案一中，工况一和工况二实施爆破，并达到稳定后，其对直接顶造成的破坏仅限于破裂区（爆炸影响半径）内。由于粉砂岩和砂质泥岩强度较大，在破裂区外的岩体未受到有效破坏。另一方面，直接顶上覆岩层中水平裂隙处并未分离，说明爆破影响并未发展到水平裂隙处。
工况三的裂隙可知，爆破不但使破裂区内的岩体颗粒完全下落，而且造成了直接顶上覆岩层的整体垮落。工况三裂隙中清晰的出现了岩层分离的现象，不仅出现在直接顶所在岩层，裂隙也广泛地向上发展。所以方案一工况三可以达到使上覆岩层达到充分垮落的目的。位移证明了上述论断，且位移已发展至地表。
上述现象说明，在该种上覆岩层构造条件下，为使其充分垮落必须破坏直接顶所在岩层。方案一工况三是可行的。
纵向方案效果分析：
工况一和工况二可知，爆破稳定后最终并未达到使上覆岩层充分垮落的目的，对直接顶造成的破坏仅限于破裂区（爆炸影响半径）内。这些现象与方案一中工况一和工况二类似，都是无效的放顶爆破。
工况三和工况四的最终爆破结果相近，以工况三为例说明。工况三类似于方案一中工况三爆破结果，爆破使上覆岩层充分垮落，垮落向上发展，直至地面受到影响。方案二工况三是有效的爆破方案。
对比方案一和方案二中工况三爆破后结果。对于产生的裂隙，方案一工况三裂隙在采空区左侧，而方案二工况三裂隙在采空区右侧。两者裂隙向上发展均显现塌落拱的形态。就上覆岩层运移而言，方案一塌落影响范围较宽，而方案二影响范围较窄；但方案一爆破后地面沉降比方案二的地面沉降大20%。
单独使用两个方案的结果表明，方案一工况三、方案二工况三和四是有效的方顶爆破方案。对于方案的组合使用也通过模拟得到了有效方案组合。
对于产生的裂隙，方案一工况三裂隙在采空区左侧，而方案二工况三裂隙在采空区右侧。两者裂隙向上发展均显现塌落拱的形态。就上覆岩层运移而言，方案一塌落影响范围较宽，而方案二影响范围较窄；方案一爆破后地面沉降比方案二的地面沉降大20%。