工作面断层深孔预裂爆破工程实例研究.pdf

图 1深孔预裂爆破封堵长度确定模型工作面断层深孔预裂爆破工程实例研究侯瑞东（山西焦煤集团责任有限公司官地矿，山西太原030022）摘要：针对大落差断层工作面开采所采用的切眼重新布置法和直接挑顶起底法对巷道推进存在的顶板管理困难、效率低等问题，基于 ANSYS 数值模拟手段对深孔预裂爆破的封堵长度和爆破孔间距进行优化，结合现场情况对爆破方案进行设计，并对爆破效果进行实践评估。关键词：深孔预裂爆破；切眼布置；挑顶起底；封堵长度；爆破效果中图分类号：TD235.371文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）09-0143-020引言大落差断层是煤矿生产中常见的地质构造，也是影响工作面正常开采的主要因素之一1。在实际生产中，当断层落差较大时，对工作面切眼进行重新布置以满足后续的回采操作；当断层落差较小时，直接采用挑顶起底法推进工作面。当重新对切眼进行布置时对应的工艺较复杂，制约工作面的高效高产；当直接采用挑顶起底法时，对工作面的顶板管理难度增大，容易导致设备损坏。因此，本文针对大落差断层开采存在效率低、顶板管理困难等问题，提出采用深孔预裂爆破技术通过断层的方案进行开采2-3。1深孔预裂爆破参数的选择深孔预裂爆破参数对于最终的爆破效果具有直接影响，鉴于深孔预裂爆破过程较为复杂。因此，采用数值模拟仿真手段对深孔预裂爆破参数中的关键参数（爆破孔的封堵长度和爆破孔的间距）进行最优化确定，所依据的仿真软件为 ANSYS。根据大落差断层现场的实际情况，基于 ANSYS软件构建大小为 12 m3 m3 m 的模型，如图 1 所示。根据经验初步确定深孔预裂爆破对应的爆破孔直径为 75 mm，长度为 10 m。本项目所采用的封堵材料型号为 MAT-SOILL-AND-FOAM，将封堵材料、炸药以及岩石模型的相关参数在图 1 模型进行设置，对封堵长度分别为 1 m、3 m 和 5 m 三种情况的爆破过程进行分析。以封堵长度为 3 m 为例，其在不同时间段内的爆破效果如图 2 所示。同理，得出封堵长度为 1 m 和 5 m 时对应爆破过程，并对仿真结果进行综合分析4-5。1）当深孔预裂爆破的封堵长度为 1 m 时，在起爆后 0130 滋s 的时间段内属于扩腔的过程；起爆后300 滋s 相应的爆破应力波达到爆破孔的位置，即发生“冲孔”现象，这说明，封堵长度为 1 m（为爆破孔长度10%）设计不合理。2）当深孔预裂爆破的封堵长度为 3 m 时，在起爆后 0130 滋s 的时间段内属于扩腔的过程；起爆后1 300 滋s 相应的爆破应力波达到距离爆破孔 0.5 m的位置，应力波的作用范围满足要求，这说明，封堵长度为 3 m（为爆破孔长度 30%）可获得较好的爆破效果。3）当深孔预裂爆破的封堵长度为 5 m 时，在起爆后 0130 滋s 的时间段内属于扩腔的过程；起爆后1 300 滋s 相应的爆破应力波达到距离爆破孔 2 m 的位置，应力波范围不满足要求，这说明，封堵长度为5 m（为爆破孔长度 50%），爆破效果不理想。收稿日期：2023-04-12作者简介：侯瑞东（1989），男，山西定襄人，本科，毕业于昆明理工大学采矿工程专业，采煤助理工程师，从事采煤安全方面工作。总第 212 期2023 年第 9 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 212No.9，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.09.055图 2封堵长度为 3 m 时不同时间段爆破过程仿真结果9.71 滋s130 滋s500 滋s1 300 滋s1 500 滋s2 000 滋s生产实践山西冶金E-mail:第 46 卷1.835e-041.651e-041.468e-041.284e-041.101e-049.173e-057.338e-055.504e-053.669e-051.835e-050.000e+00根据现场情况，基于 ANSYS 构建尺寸为 10 m10 m3 m 的数值模拟仿真模型，对应的爆破孔的直径为 75 mm，长度为 10 m，所构建的爆破孔间距确定的数值模拟仿真模型如图 3 所示。在上述模型和参数设置的基础上，对爆破孔间距分别为 1 m、2 m 和 3 m 三种情况的爆破过程进行分析，以爆破孔间距为 1 m 为例，其在不同时间段内的爆破效果如图 4 所示。如图 4 所示，当爆破孔间距为 1 m 时，起爆后两个爆破孔之间出现应力重叠的情况，对应的破碎区域也重叠，导致应力和破碎区域重叠的主要原因在于爆破孔的间距过小。同理，得出爆破孔间距为 2 m 和 3 m 时对应的爆破过程。当爆破孔间距为 2 m 时，爆破孔之间基本形成了贯通裂隙，达到了基本的爆破效果；当爆破孔间距为 3 m 时，两个爆破孔之间的部分岩石并未出现裂隙，即为达到基本的爆破效果。综上所述，适用于该工程中断层深孔预裂爆破的最佳封堵长度为爆破孔长度的 30%，相邻爆破孔之间的间距最佳为 2 m。2断层深孔预裂爆破的工程实例基于上述数值模拟仿真结果，初步确定爆破孔直径为 75 mm，间距为 2 m，封堵长度为每个爆破孔长度30%。参照以往爆破经验，本着安全性和保证爆破效果的综合因素，选用矿用水胶药柱作为炸药。根据本项目现场情况，将现场分为 8 个区域分别进行布置爆破孔。以 5 号区域为例，该区域的长度为 5 m，对应的硬岩层的厚度最大为 4.3 m，最小为3.4 m，在该区域共布置 5 个爆破孔，其中 1 号爆破孔数量为 2 个，2 号爆破孔数量为 3 个，爆破孔的具体参数如表 1 所示。依据各个区域爆破孔参数参照相关施工规范一次完成探孔、装药、封孔、起爆完成爆破操作，完成爆破等待 30 min 对风险进行排除后观测爆破效果，当爆破后工作面出现顶板、煤壁破坏时，需要采用点柱和坑木进行临时加固。1）在整个爆破过程中并未出现拒爆和冲孔的现象，爆破后岩层的裂缝均沿着炮孔方向，爆破孔裂缝宽度为 0.51 cm。2）在爆破孔周围 0.3 m 区域内岩体全部破碎，在0.30.7 m 区域内的岩体出现明显裂缝，而在 0.70.8 m 区域内岩体仅出现轻微裂缝。3）采用传统过断层方法对长 85 m 的工作面需要56 d 的施工周期，而采用深孔预裂爆破方法对长85 m 的工作面仅需 26 d 的施工周期，可多采原煤20 万 t，可产生直接经济效益约 1 亿元。3结论1）对于深孔预裂爆破技术而言，通过数值模拟仿真分析得出最佳封堵长度为爆破孔长度的 30%，爆破孔间距为 2 m 时可获得最佳的爆破效果。2）根据现场情况，均分为 8 个区域分别进行爆破。实践表明，爆破孔裂缝宽度为 0.51 cm；而采用深孔预裂爆破技术可缩短 30 d 的施工周期，可多采 20 万t原煤，直接带来经济效益约 1 亿元。参考文献1蔡峰，刘泽功，张朝举，等.高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透数值模拟J.煤炭学报，2007，32（5）：499-503.图 3深孔预裂爆破间距确定模型图 4爆破孔间距为 1 m 时对应爆破过程仿真结果4-1100 滋s4-2300 滋s4-3500 滋s4-41 000 滋s表 1爆破孔参数爆破孔类别1 号2 号爆破孔倾角/（）910爆破孔长度/m2012单孔装药长度/m148.5单孔封堵长度/m63.52.053e-041.848e-041.643e-041.437e-041.232e-041.027e-048.213e-056.160e-054.107e-052.053e-051.576e-182.068e-041.861e-041.654e-041.448e-041.241e-041.034e-048.272e-056.204e-054.136e-052.068e-051.421e-102.404e-042.163e-041.923e-041.683e-041.443e-041.203e-049.634e-057.234e-054.834e-052.433e-053.313e-07（下转第 147 页）144窑窑2023 年第 9 期4减少和去除 H2S 的措施原料的多样性决定了产生 H2S 的可能，因此将籽（H2S）降低至 758 mg/m3甚至消除 H2S 是当下第一要务。生产现场空间已决定无增设二燃室的可能性，因此考虑二燃室作用的属性替代。1）采购煤种时，规定焓值及含硫量（如低硫煤是w（S）在 0.51%1.00%之间的煤），规定有机份。2）由表 2、表 3 可知，侧吹炉系统内氧分压过低时，H2S 数量级明显增大；应通过补氧增大氧分压，同时优化二次风气流布局。据资料显示，H2S 气体在8001 200、渍（O2）5%时，1.52.5 s 就能燃烧掉，毕竟侧吹炉产生的 H2S 相比整个气体量属于少量。3）将上升烟道作为二燃室的属性替代，表 3 中计算数据的停留时间已佐证燃烧停留时间足够、上升烟道平均温度满足条件（表 3 注释项）。4）氧分压高，当 渍（O2）5%时，有利于锅炉中单体硫的充分燃烧，可有力增加硫利用率，防止工艺烟气脱硫净化工段填料及移热板板式换热器堵塞。5结语若想增加硫利用率、提高硫回收率，降低或消除H2S 是根本。因此，应“相对”增加有机胺吸收容量（绝对吸收容量不变），降低解析成本（相当于增加蒸汽利用率，减少蒸汽量），严控解析系统堵塞；提高冷冻过程中 Na2SO4 10H2O 晶体一、二次成核率，控制成核速率与偏析，降低或消除杂质颗粒物及离子成分对Na2SO4 10H2O 晶核长大影响，使其最大限度地被离心机滤袋截留，最终降低了有机胺运行成本。2022 年 12月，在兴南环保侧吹炉炉顶水套上增设 2 根用于控制过还原气氛的 椎57mm 富氧管道，截面均布居中，气流角度近似于切向，并通过原料配料、辅料采购、工艺操作环境的调整，H2S 的消除效果良好。2023 年 1 月、2 月有机胺系统前端实时数据检测显示，276 mg/m3籽（H2S）715 mg/m3，最低可达 200 mg/m3，实现了离子液脱硫系统的整体运行平稳，符合预期。参考文献1陈赓良，肖雪兰.克劳斯法硫磺回收工艺技术M.北京：石油工业出版社，2007.2徐邦学.硫酸生产工艺流程与设备安装施工技术及质量检验检测标准实用手册M.柳州：广西电子音像出版社，2004.3徐洁书，李博，王琪.可再生有机胺脱硫剂 HPP 热解吸工艺参数的优化J.安徽化工，2018，44（2）：91-93.4李博，王琪，徐光泽，等.添加酸对 HPP-SO2水溶液热解吸的影响J.应用化工，2017，43（8）：1 449-1 452.（编辑：武倩倩）Mechanism and Harm of H2S Generation in the Flue Gas of Copper Containing HazardousSolid Waste Oxygen Rich Side Blown Immersion Combustion FurnaceKong Bo（Jiangxi Xingnan Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Hengfeng Jiangxi 334300,China）Abstract:In response to the problems of high fan vibration,severe blockage of the analytical system,and excessive resistance in the organicamine desulfurization system of Jiangxi Xingnan Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,the mechanism and harm of H2S generationin the flue gas of the oxygen rich side blown immersion combustion furnace for copper containing hazardous solid waste were analyzed.Measures were proposed to improve the primary and secondary nucleation rates of Na2SO4 10H2O crystals during the freezing process,controlthe nucleation rate and segregation,and effectively reduce the generation of H2S.The overall stable operation of the ionic liquiddesulfurization system has been achieved,which meets expectations.Key words:organic amine;oxygen partial pressure;thiosulfate;H2S2龚敏，黄毅华，王德胜，等.松软煤层深孔预裂爆破力学特性的数值分析J.岩石力学与工程学报，2008，27（8）：1 674-1 681.3宫世文，张荪茗，孙震，等.深孔预裂爆破强制放顶技术的应用J.煤矿安全，2007，38（1）：21-22.4王兆丰，王林，陈向军.深孔预裂爆破在高瓦斯特厚煤层回采中的应用J.煤炭科学技术，2008，36（8）：31-33.5宋占有.酸刺沟矿首采面深孔预裂爆破强制放顶技术J.煤矿开采，2010，15（4）：103-105.（编辑：杨光辉）Case Study on Deep Hole Presplitting Blasting Engineering of Fault in Working FaceHou Ruidong（Guandi Mine,Shanxi Coking Coal Group Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030022,China）Abstract:In response to the difficulties in roof management and low efficiency of the cut hole rearrangement method and direct liftingmethod used in the mining of large drop fault working faces to advance tunnels,the sealing length and spacing of deep hole pre-splittingblasting were optimized based on ANSYS numerical simulation.The blasting plan was designed based on on-site conditions,and the blastingeffect was evaluated in practice.Key words:deep hole pre-splitting blasting;cutting arrangement;lift the top and bottom;sealing length;blasting effect（上接第 144 页）孔波：含铜危固废富氧侧吹浸没燃烧炉烟气中 H2S 产生机理及危害147窑窑