煤層深孔預(yù)裂爆破卸壓增透效果數(shù)值模擬分析

劉澤功　蔡　峰　肖應(yīng)祺

（1. 安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 煤礦安全高效開采省部共 建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南 232001）

摘 要： 針對(duì)高瓦斯低透氣性煤層，對(duì)深孔預(yù)裂爆破進(jìn)行了數(shù)值模擬分析研究。再現(xiàn)了爆破 過(guò)程中，動(dòng)壓沖擊震裂、應(yīng)力波傳播與疊加以及爆生氣體驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展的整個(gè)過(guò)程，系統(tǒng)地 分析了控制孔與爆破孔對(duì)于爆破卸壓增透效果的影響，提出了高瓦斯低透氣性煤層深孔預(yù)裂 爆破的合理間距，為高瓦斯低透氣性煤層的瓦斯抽采效率提出了解決方案。深孔預(yù)裂爆破為 高瓦斯低透氣性煤層增透、進(jìn)而解決高瓦斯低透氣性煤層瓦斯抽采難題提供了一條有效的途 徑。

關(guān)鍵詞：高瓦斯低透氣性煤層；深孔預(yù)裂爆破；卸壓增透；疊加效應(yīng)

Release and Permeability Improvement in Coal Seams by Deep-hole Presplitting Explosion

LIU Ze-gong1,2,CAI Feng1,2,XIAO Ying-qi1

(1. School of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Hua i nan Anhui 232001, China;2. The Key Laboratory of Safe and Efficient Exploitatio n in Coal Mining of Ministry of Education, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract: Deep-hole presplitting explosion in coal seams with high gas content a nd low permeability was numerically simulated and analyzed. Cracks caused by imp act of dynamic pressure, propagation and vibration superposition of stress waves , as well as cracks development by explosion gas in explosion process were repre sented. The influence of oriented hole and explosion hole on effect of stress re lease and permeability improvement was comprehensively analysed. Reasonable inte rval between explosive holes for deep-hole presplitting explosion in coal seam swith high gas content and low permeability was proposed, which provides a soluti on for gas drainage from coal seams with high gas content and low permeability.Deep-hole presplitting explosion provides an effective approch to improvementofpermeability of coal seam with high gas content and low permeability, and solve s the difficult problem of gas drainage from coal seams with high gas content an d low permeability.

Key words: coal seam with high gas content and low permeability; deep-hole presp litting explosion; stressrelease and permeability improvement; vibration super position effect

井工開采的煤層，被井巷所揭露的煤體內(nèi)存在三個(gè)應(yīng)力帶：卸壓帶、集中應(yīng) 力帶和原始應(yīng)力帶，其中集中應(yīng)力帶包含部分破裂帶和彈性帶。在卸壓帶內(nèi)， 地應(yīng)力和瓦斯壓力均低于原始值，它是阻止煤與瓦斯突出的第一道防護(hù)帶［1-3］； 在集中應(yīng)力帶內(nèi)，徑向應(yīng)力比原始地應(yīng)力小，但切向應(yīng)力比原始地應(yīng)力大，煤層透氣性急劇 降低，對(duì)于具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的高瓦斯煤層，造成煤體瓦斯難以泄漏，可能保持著較高 的瓦斯壓力，當(dāng)集中應(yīng)力帶受到擾動(dòng)，力學(xué)平衡受到破壞，很可能發(fā)生突出。因此，在采掘 工作面推進(jìn)過(guò)程中，為了防止瓦斯突出的發(fā)生，必須降低前方煤體的瓦斯壓力和改變工作面 前方 煤體應(yīng)力分布，保持足夠長(zhǎng)的卸壓帶，同時(shí)盡可能增加煤體透氣性，使煤層瓦斯得以充分預(yù) 排。本文將對(duì)利用深孔預(yù)裂控制松動(dòng)爆破提高煤層透氣性，改變前方煤體應(yīng)力分布，有效降 低或消除煤層突出危險(xiǎn)性等方面進(jìn)行分析。

爆破產(chǎn)生的動(dòng)壓迅速摧毀爆孔附近煤體的抵抗，孔壁在高溫高壓的爆 生氣體的作用下向外移動(dòng)，形成類似于擴(kuò)壺爆破的爆炸空腔，在其周圍產(chǎn)生破裂帶和少量裂 紋，為進(jìn)一步破壞煤體提供弱面，由爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波在煤體中以爆破孔為中心呈同心橢圓 狀向煤體中傳播，應(yīng)力波相交后產(chǎn)生疊加效應(yīng)加速了煤體的破壞。最后，使煤體內(nèi)形成以爆 破孔為中心的連通裂隙網(wǎng)。

為了能夠較清晰的了解深孔預(yù)裂爆破裂隙的形成與發(fā)育情況以及爆破效果的檢驗(yàn)，利用LS-D YNA3D對(duì)煤層深孔預(yù)裂爆破進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并對(duì)爆破效果進(jìn)行了研究分析。

1 數(shù)值模型及參數(shù)ヒ云钅廈嚎349工作面回采二迭系上石盒子組32煤層為例進(jìn)行數(shù)值模擬， 32煤層賦存較 為穩(wěn)定， 煤層厚度2.1~4.5 m，平均厚度3.5 m。煤層結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，含 夾矸1~3層，層狀構(gòu)造，內(nèi)生裂隙較發(fā)育。工作面標(biāo)高為-536~-583 m(平均為-5 60 m)。建立數(shù)值模型，模型大小為10 m×3.6 m，爆 孔間距 為6 m(見(jiàn)圖1)。爆破炸藥采用煤層深孔松動(dòng)控制爆破專用藥管，其參數(shù)如表1所 示。

圖1 數(shù)值模型表1 煤層深孔松動(dòng)控制爆破專用藥管技術(shù)性能指標(biāo)

密度/(g?cm-3)爆速/(m?s-1)[]猛度/mm傳爆長(zhǎng)度/mm裝藥直徑φ/mm[]威力/mL[]殉爆/cm0.95～1.1[]2 900～3 300[]≥10[]≥60[]42[]≥250[]≥3

在進(jìn)行數(shù)值模擬的時(shí)候，由于計(jì)算機(jī)能力的限制，必須用有限體積的數(shù)值模型來(lái)代替無(wú)限大 的實(shí)際煤層，因此必須防止應(yīng)力波在左右邊界上的邊界效應(yīng)。本文采用在左右邊界上設(shè)置無(wú) 反射邊界（Non-reflecting boundary)又稱透射邊界(transmitting boundary)或無(wú)反應(yīng) 邊 界(silent boundary)，主要應(yīng)用于無(wú)限體或半無(wú)限體中,在所有無(wú)反射邊界中的單元上加上 粘性正應(yīng)力和剪應(yīng)力(見(jiàn)圖1)。模型上部邊界受均布原巖應(yīng)力，據(jù)模型埋深，按海姆 假設(shè)σ瓂=γ[TX-]H［4-5］，可計(jì)算出作用在模型上部邊界上的原巖自 重應(yīng)力。

2 模擬結(jié)果

在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，兩爆孔同時(shí)引爆。模擬結(jié)果顯示，在深孔預(yù)裂爆破過(guò)程中大致經(jīng)歷了動(dòng) 壓沖擊震裂、應(yīng)力波在煤體中傳播以及爆生氣體驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展三個(gè)過(guò)程。

2.1 動(dòng)壓沖擊震裂ピ詼壓沖擊震裂階段，由于爆破作用范圍比較小，兩個(gè)爆孔間幾乎不相互影響(見(jiàn)圖2)。

圖2 動(dòng)壓沖擊震裂

從圖2中 可以看出，緊靠近炸藥的煤體最先被震碎，形成破碎帶，同時(shí)形成一些較淺的微裂紋，裂紋 生成速度非常快，達(dá)到480 m/s。在裂紋周圍形成應(yīng)力集中區(qū)域，相反，由于破 碎帶的緩沖作用，破碎帶周圍的煤體中應(yīng)力相比微裂紋周圍要小得多。這與“動(dòng)靜壓兩段論 ”中動(dòng)壓沖擊階段是符合［6-7］。

動(dòng)壓沖擊震裂過(guò)程非常短暫，僅僅持續(xù)19 μs，而且由于煤質(zhì)較軟，生成的裂 紋和破碎帶也非常小，但這些小的裂紋形成了新的自由面，在爆炸作用下形成了新的應(yīng)力集 中區(qū)域，為后面爆生氣體驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展提供了新的弱面。

2.2 應(yīng)力波在煤體中傳播ビ捎謖ㄒ┑謀轟速度超過(guò)孔壁煤體縱波波速，在煤體中形成沖擊波，并逐漸衰減為應(yīng)力波繼 續(xù)向外傳播。因而，緊接著動(dòng)壓沖擊震裂后并沒(méi)有直接出現(xiàn)爆生氣體驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展的過(guò)程， 而是應(yīng)力波在煤體中的傳播過(guò)程(見(jiàn)圖3)。

在爆破過(guò)程中，由爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波均是以爆孔為中 心，呈同心圓狀向周圍煤體中傳播。分別由兩爆孔產(chǎn)生的應(yīng)力波在傳播過(guò)程一定距離后相遇 ，產(chǎn)生應(yīng)力波的疊加效應(yīng)在640 μs時(shí)，兩爆破孔產(chǎn)生的應(yīng)力 波相遇，隨后分別應(yīng)力波相互間進(jìn)行疊加，并源源不斷地向四周傳播(見(jiàn)圖3c)。a 50 μs[KG13]b 90 μs[KG13]c 290 μs[TS)] d 440 μs[KG13]e 490 μs[KG13]f 640 μs

[JZ]圖3 兩爆孔較近時(shí)的應(yīng)力傳播與疊加

2.3 應(yīng)力波對(duì)煤體質(zhì)點(diǎn)的影響ノ了能夠清晰的表現(xiàn)出應(yīng)力波對(duì)煤體質(zhì)點(diǎn)的影響， 分別選取三個(gè)具有代表性的觀測(cè)點(diǎn)， 描 繪出各觀測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變-時(shí)間歷程曲線(見(jiàn)圖4)。圖4a～圖4c)的觀測(cè)點(diǎn)分別位于兩爆 孔之間， 距 一爆孔1 m， 2 m，4 m。從圖4中可以明顯看到，每個(gè) 觀測(cè)點(diǎn)都出現(xiàn)了兩次應(yīng)力峰值，首次應(yīng)力峰值是由于一個(gè)爆炸形成的應(yīng) 力波初次形成的，然后逐漸衰減，當(dāng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，兩個(gè)爆破孔形成的應(yīng)力波疊加，從而 使觀測(cè)點(diǎn)發(fā)生了第二次應(yīng)力峰值。距離兩爆破孔之間的位置越近，兩次峰值出現(xiàn)的時(shí)間間隔 越小。

當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)爆破孔1 m時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力峰值在700~800 MPa之間，由 于應(yīng)力波的衰減， 在兩爆破孔之間中點(diǎn)附近時(shí)， 觀測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力峰值分別為200 MPa。玹/μs[KG16]玹/μs[KG15]玹/μs

a 1 mb 2 mc 3 m

圖4 應(yīng)力傳播過(guò)程中各觀測(cè)點(diǎn)處煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

2.4 煤體裂紋擴(kuò)展ピ諏鹽評(píng)┱菇錐緯跗詒孔之間的相互影響是非常小的，裂紋生長(zhǎng)均在各自爆 生氣體的控制范圍之內(nèi)(見(jiàn)圖5)。爆破粉碎區(qū)空腔形成高壓爆生氣體及強(qiáng)大沖擊波作用在爆 破孔周圍 的煤體內(nèi)，煤體內(nèi)瓦斯壓力隨之增高，煤體積蓄了很高能量，積蓄在煤體的一部分彈性變形 能以及瓦斯壓力向更深部的煤體釋放，同時(shí)產(chǎn)生與徑向壓應(yīng)力作用方向相反的向心拉應(yīng)力， 當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)煤體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)形成環(huán)向裂隙，開始形成裂隙區(qū)。

由于應(yīng)力波疊加及爆生氣體的驅(qū)動(dòng)，在12 ms時(shí)出現(xiàn)了與應(yīng)力波傳播方 向相垂直的裂紋，所形成的裂紋逐漸呈網(wǎng)狀。兩爆孔產(chǎn)生的裂紋很快于22 ms時(shí) 趨于交叉,這徹底摧毀了煤的抵抗，加速了孔間煤體的破碎，最終使煤體中裂隙相互貫穿， 形成了裂隙網(wǎng)絡(luò)，大大增強(qiáng)了煤體的滲透性，增透效果顯著。a 6 ms[KG12]b 12 ms[KG12]c 22 ms

圖5 兩爆孔的裂紋擴(kuò)展

3 控制孔對(duì)爆破卸壓效果的影響

3.1 控制孔對(duì)爆破應(yīng)力波傳播的影響タ刂瓶拙啾破孔間距2 m， 控制孔和爆破孔的孔徑均為73 mm， 爆 破 藥管直徑42 mm， 采用不完全耦合的裝藥結(jié)構(gòu)。 應(yīng)力波在煤體中的傳播過(guò)程如 圖6所示。a 15 μs[KG13]b 75 μs[KG13]c 180 μs[TS)]d 270 μs[KG13]e 405 μs[KG13]f 525 μs

[JZ]圖6 控制孔與爆孔間的應(yīng)力傳播

從6圖中可以清楚的看到，隨著應(yīng)力波以爆破孔為圓心向四面逐漸擴(kuò)展，405 μs時(shí)應(yīng)力波到達(dá)輔助自由面控制孔的時(shí)候，開始發(fā)生應(yīng)力波的反射；525 μs時(shí)，形成反 射拉伸波，并與徑向裂隙尖端處的應(yīng)力場(chǎng)疊加，煤體受到正反兩個(gè)方向應(yīng)力波的作用，促使 裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.2 控制孔對(duì)煤體位移的影響ケ破后的煤體由于控制孔的作用，在控制孔附近的 觀測(cè)點(diǎn)的位移明顯比沒(méi)有控制孔作用的觀測(cè)的位移大，控制孔對(duì)裂隙擴(kuò)大起到了促進(jìn)作用， 同樣裂隙區(qū)范圍的也在擴(kuò)大(見(jiàn)圖7)。1. 玿方向1.8 m;2. 玿方向2.4

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬可知，深孔預(yù)裂爆破對(duì)于高瓦斯低透氣性煤層的增透效果是非常明顯的。在爆 破的初始階段，爆破產(chǎn)生的動(dòng)壓迅速摧毀爆孔附近煤體的抵抗，在其周圍產(chǎn)生破裂帶和少量 裂紋，為進(jìn)一步破壞煤體提供弱面。由爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波在煤體中以爆破孔為中心呈同心圓 狀向煤體中傳播，應(yīng)力波相交后產(chǎn)生疊加效應(yīng)加速了煤體的破壞。兩爆孔間的裂紋充分發(fā)育 ，無(wú)疑增加了煤體的透氣性，為瓦斯抽采提供了通道。

在深孔預(yù)裂爆破過(guò)程中，控制孔增加了煤體松動(dòng)的自由面，為煤體由于爆破產(chǎn)生的位移擴(kuò)展 提供了一定的空間，同時(shí)也加速了深孔預(yù)裂爆破裂紋網(wǎng)絡(luò)的相互溝通，為提高高瓦斯低透氣 性煤層深孔預(yù)裂爆破效果提供了一個(gè)較好的解決方案。

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華)