爆轟應(yīng)力波在高瓦斯煤層中的傳播和衰減特性

蔡 峰，劉澤功，LUO Yi

(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(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；3.煤與煤層氣共采安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；4.Department of Mining Engineering,West Virginia University,Morgantown,WV 26505,USA)

爆轟應(yīng)力波在高瓦斯煤層中的傳播和衰減特性

蔡 峰1,2,3,4，劉澤功1,2，LUO Yi4

(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(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；3.煤與煤層氣共采安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；4.Department of Mining Engineering,West Virginia University,Morgantown,WV 26505,USA)

深孔預(yù)裂爆破技術(shù)是高瓦斯低透氣性煤層強(qiáng)化增透瓦斯抽采的重要途徑之一。以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)，建立了煤體在爆轟荷載作用下動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型，并將此模型嵌入非線性有限元程序LS-DYNA中，對(duì)爆轟應(yīng)力波在不同彈性模量煤體中傳播和衰減特性進(jìn)行了數(shù)值模擬；通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)深孔預(yù)裂爆破專(zhuān)用藥柱爆炸引起的爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了爆轟應(yīng)力波在高瓦斯煤層中的傳播和衰減特性，爆轟實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了所建立本構(gòu)模型的合理性與正確性。研究表明：在傳播距離小于4.8m時(shí)，爆轟應(yīng)力波具有較高的峰值，并迅速衰減，在傳播距離大于約4.8m以后，爆轟應(yīng)力波峰值較低且衰減幅度逐漸趨于平緩。

爆轟應(yīng)力波；衰減特性；高瓦斯煤層；深孔預(yù)裂爆破

目前國(guó)有重點(diǎn)煤礦70%以上為高瓦斯甚至煤與瓦斯突出礦井[1-2]，煤層低透氣性低(小于0.1m2/(MPa2·d))[3-4]。近年來(lái)，針對(duì)低透氣性煤層瓦斯抽采，傳統(tǒng)的辦法是在煤層中打較多的鉆孔進(jìn)行抽采，鉆進(jìn)工程量大，施工周期長(zhǎng)，很難滿足礦井安全高效生產(chǎn)的要求，且難以獲得預(yù)期的抽采效果[5-6]，因而強(qiáng)化增透技術(shù)是提高低透氣性煤層抽采效果的必然途徑[7-8]。目前，在煤層強(qiáng)化增透方法主要分為兩大類(lèi)：一是利用流體介質(zhì)和流體機(jī)械相配合對(duì)煤體進(jìn)行處理，如水力沖孔技術(shù)、水力割縫技術(shù)及水力壓裂技術(shù)等[9-10]；二是利用炸藥爆炸等途徑增加煤體裂隙，提高煤層透氣性，如深孔預(yù)裂爆破技術(shù)和煤層射孔技術(shù)等[11-12]。深孔預(yù)裂爆破技術(shù)的目的在于利用爆轟能量強(qiáng)化增加煤層透氣性，從而降低煤層瓦斯抽采的難度[13]。研究深孔預(yù)裂爆破增透的關(guān)鍵在于爆炸荷載作用下裂紋的演化機(jī)理和增透范圍，而若想從本質(zhì)上了解裂紋分布及演化規(guī)律必須首先給出爆轟應(yīng)力波在高瓦斯煤層中傳播特性。筆者建立了爆轟損傷本構(gòu)方程，對(duì)高瓦斯煤在柱狀裝藥爆炸荷載作用下爆轟應(yīng)力波的傳播特性進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。

1 爆轟損傷本構(gòu)方程

以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)，建立煤體在爆轟荷載作用下的損傷演化方程。

1.1 爆轟損傷函數(shù)

(1)

式中，D為煤體在爆炸荷載作用下?lián)p傷前后模量相對(duì)變化；c0和c分別為煤體爆轟損傷前后彈性縱波波速。

1.2 損傷演化方程

(1)拉伸波作用下的損傷演化方程。

損傷能量釋放率為

(2)卸載波作用下的剪切損傷演化方程。

卸載波作用下剪切損傷在基于RDA模型[14-15]的應(yīng)變率效應(yīng)耦合原則下可以表述為

(2)

1.3 動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系

煤體在拉伸和塑性剪切損傷后，仍然服從增量型虎克定律(其損傷統(tǒng)一用D表示)：

(3)

式中，Δeij為偏應(yīng)變?cè)隽?；G,K為剪切模量和體積模量；Δεkk為體應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

式(1)～(3)構(gòu)成了煤體爆轟損傷模型封閉方程組。

1.4 損傷判據(jù)

當(dāng)煤體最大主應(yīng)力σ1大于斷裂應(yīng)力σf時(shí)，根據(jù)體積拉應(yīng)力準(zhǔn)則和最大主應(yīng)力準(zhǔn)則，則將發(fā)生斷裂，此時(shí)，壓縮強(qiáng)度Yc為零；否則，煤體屈服強(qiáng)度服從與拉伸損傷應(yīng)變率有關(guān)的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，即

1.5 爆破藥柱狀態(tài)方程

利用JWL狀態(tài)方程求得深孔預(yù)裂爆破專(zhuān)用藥柱起爆后藥柱單元體內(nèi)的壓力P。JWL方程描述了爆破藥柱爆炸時(shí)化學(xué)能的轉(zhuǎn)化情況，表示為

式中，V為相對(duì)體積；A,B,R1,R2,ω為JWL方程參數(shù)。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

采用LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。將本文定義的爆轟損傷本構(gòu)方程的子程序嵌入LS-DYNA中，爆破藥柱采用JWL狀態(tài)方程描述，爆破藥柱和煤體具體數(shù)值見(jiàn)表1。表1中的ρ1和ρ2分別為深孔預(yù)裂爆破專(zhuān)用藥柱和煤體密度；DH為爆速；PCJ為炸藥爆轟壓力；E0為爆轟初始內(nèi)能；G和K分別為煤體剪切模量和體積模量。

表1數(shù)值模擬參數(shù)
Table1Parametersofnumericalsimulation

ρ1/(g·cm-3)ρ2/(g·cm-3)PCJ/GPaDH/(m·s-1)A/GPaB/GPaR1R2ωE0/GPaG/MPaK/MPa1 211 2514 641003166 273 860 870 36 50 0080 01

在模擬過(guò)程中，通過(guò)改變煤體介質(zhì)的彈性模量，分析探討爆轟應(yīng)力波在不同彈性模量煤體中傳播與衰減規(guī)律，計(jì)算分析應(yīng)力波的衰減與質(zhì)點(diǎn)的受力的時(shí)間相關(guān)分析，分別取E=1.0，1.5，2.0和2.5GPa四種計(jì)算模型。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖1分析了距爆孔2.5m處煤體介質(zhì)彈性模量變化對(duì)爆轟應(yīng)力波傳播時(shí)間歷程的影響。由圖1可見(jiàn)，隨著煤體介質(zhì)彈性模量增大，爆轟應(yīng)力波傳播過(guò)程中的延遲效應(yīng)減小，峰值隨之增大。如當(dāng)煤體介質(zhì)E=1.0GPa時(shí)，爆轟應(yīng)力波的峰值為2.09MPa，而當(dāng)煤體介質(zhì)彈性模量E=2.5GPa時(shí)，應(yīng)力波的峰值為4.74MPa，增加了2.63 MPa，增幅達(dá)到125.8%。通過(guò)數(shù)值模擬分析，應(yīng)力波峰值的大小與煤體介質(zhì)彈性模量的關(guān)系如圖2所示。

圖1 不同彈性模量時(shí)距爆孔2.5m處煤體點(diǎn)壓力時(shí)間歷程Fig.1 Curves of point pressure 2.5m to explosive of medium with time in different modulus

圖2 爆轟應(yīng)力波峰值大小與彈性模量的關(guān)系Fig.2 Relationship between peak value of stress value and modulus

圖3顯示了不同彈性模量時(shí)，爆轟應(yīng)力波峰值在傳播過(guò)程中的衰減特性。從圖3可以看出，爆轟應(yīng)力波在4.8m范圍內(nèi)傳播過(guò)程中迅速衰減，隨著煤體介質(zhì)彈性模量增加，爆轟應(yīng)力波隨傳播距離的衰減幅度越來(lái)越小，這說(shuō)明爆轟應(yīng)力波在較“軟”的介質(zhì)中傳播時(shí)衰減的幅度較大。

圖3 不同彈性模量時(shí)爆轟應(yīng)力波峰值與傳播距離的關(guān)系Fig.3 Relationship between peak value and propagation distance in different modulus

通過(guò)用數(shù)值模擬的方法，可發(fā)現(xiàn)爆轟應(yīng)力波在煤體介質(zhì)中的傳播和衰減規(guī)律：① 隨著煤體介質(zhì)彈性模量的增加，爆轟應(yīng)力波隨傳播距離的衰減幅度越來(lái)越?。虎?如圖3所示，在傳播距離小于4.8m時(shí)，爆轟應(yīng)力波具有較高的峰值，并迅速衰減，在傳播距離大于4.8m以后，爆轟應(yīng)力波衰減幅度逐漸趨于平緩。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置

實(shí)驗(yàn)在淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三礦長(zhǎng)壁工作面回風(fēng)巷進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)煤層埋藏深度為720m，瓦斯含量為8.9m3/t，該煤層彈性模量為1.5GPa。爆孔施工鉆頭直徑為75mm，鉆孔深度為2m，在離爆孔間距分別為2.5，5.0，7.5，10.0和12.5m處各挖一個(gè)直徑約0.3 m，深約1.5m的空洞，要求空洞底部平整，然后用石灰及少量水混合成漿狀，將監(jiān)測(cè)傳感器底部與空洞內(nèi)煤體膠結(jié)成一個(gè)整體，裝藥、傳感器安裝結(jié)構(gòu)和具體位置如圖4所示，傳感器選用TOPBOX508振動(dòng)信號(hào)自記儀。

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)與傳感器布置示意Fig.4 The diagram of charge structure and layout sensor

爆破孔深為2m，裝藥1m，使用專(zhuān)用封孔裝置封孔1m。本次試驗(yàn)使用的深孔預(yù)裂爆破藥柱具體參數(shù)見(jiàn)表2。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

藥管在煤層中爆破松動(dòng)爆破過(guò)程中各傳感器最大振動(dòng)速度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，各傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

表2試驗(yàn)用深孔預(yù)裂爆破藥柱具體參數(shù)
Table2Parametersofspecialtyexperimentalexplosive

序號(hào)項(xiàng)目性能指標(biāo)1外部直徑/mm622裝藥密度/(g·cm-3)1 213專(zhuān)用傳爆體爆速/(m·s-1)72004三級(jí)煤礦許用水膠炸藥爆速/(m·s-1)41005可燃?xì)獍踩?以半數(shù)引火量計(jì))/g≥4006煤塵安全度(以半數(shù)引火量計(jì))/g≥2507抗爆燃性合格8炸藥爆炸后有毒氣體含量/(L·kg-1)≤100

表3最大振動(dòng)速度測(cè)試結(jié)果
Table3Thegreatestvibrationspeedtestresults

傳感器編號(hào)離炮孔的垂直距離S1/m傳感器靈敏度/mV最大垂直振幅/V最大振動(dòng)速度/(cm·s-1)12 528 97 94274 7425 028 13 97141 2837 529 33 97135 49410 029 23 34114 38512 529 61 2843 24

圖5 各振動(dòng)儀記錄監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 The wave diagram of each self-recording instruments

通過(guò)對(duì)深孔預(yù)裂爆破專(zhuān)用藥柱爆炸引起的爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，并在測(cè)得的波形圖上找出最大振幅，根據(jù)最大振幅和傳感器靈敏度之間的關(guān)系計(jì)算出最大振動(dòng)速度，根據(jù)最大振動(dòng)速度可以反映出煤體是否被破壞、松動(dòng)及產(chǎn)生裂隙等。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，爆孔孔口直徑2.5m范圍的煤產(chǎn)生了較大幅度的松動(dòng)和破裂，在離爆孔孔口5m處最大振動(dòng)速度高達(dá)112.38cm/s，足以使煤體破裂，但在7.5m處，最大振動(dòng)速度僅為32.24cm/s，引起煤體的振動(dòng)速度較小，有可能使煤體產(chǎn)生裂隙，但是從現(xiàn)場(chǎng)煤體表觀現(xiàn)象看，煤體松動(dòng)小。從圖6可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

圖6 爆轟應(yīng)力波傳播過(guò)程中峰值變化Fig.6 Change curves of peak values in the process of transmission of stress wave

4 結(jié) 論

(1)以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)，建立了爆轟損傷動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，并對(duì)爆轟應(yīng)力波在不同彈性模量煤體中傳播和衰減特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與煤體爆轟實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，證明爆轟損傷本構(gòu)模型可以有效的模擬煤體爆轟過(guò)程中的應(yīng)力波傳播和動(dòng)態(tài)損傷。

(2)隨著煤體介質(zhì)彈性模量的增加，爆轟應(yīng)力波隨傳播距離的衰減幅度越來(lái)越小。在傳播距離小于4.8m時(shí)，爆轟應(yīng)力波具有較高的峰值，并迅速衰減，在傳播距離大于4.8m以后，爆轟應(yīng)力波峰值較低且衰減幅度逐漸趨于平緩，因而在利用深孔預(yù)裂爆破專(zhuān)用藥柱進(jìn)行強(qiáng)化增透時(shí)，有效松動(dòng)半徑小于4.8m。

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Propagationandattenuationcharacteristicsofstresswavesgeneratedbyexplosioninhigh-gascoal-beds

CAI Feng1,2,3,4，LIU Ze-gong1,2，LUO Yi4

(1.SchoolofResourceandSafety,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China;2.KeyLaboratoryofIntegratedCoalExploitationandGasExtractionofAnhuiProvince,Huainan232001,China;3.KeyLabofMiningCoalSafelyandEfficientlyMiningConstructedbyAnhuiProvinceandMinistryofEducation,Huainan232001,China;4.DepartmentofMiningEngineering,WestVirginiaUniversity,Morgantown,WV 26505,USA)

Deep-hole pre-splitting explosion is an important way to intensified improve permeability of high-gas and low permeability coal-beds.Based on continuum mechanics,explosion dynamic damage constitutive model of coal under the impact of explosion was established and embedded into nonlinear finite element program LS-DYNA,and propagation and attenuation characteristics of stress waves generated by explosion in coal of different modulus was numerical simulated.Through the monitor of on-site blasting vibration of specialty explosive,propagation and attenuation characteristics of stress waves generated by explosion in high-gas coal-beds was acquired.Simulation results is basically coordinate with results of explosion experiments,and the reasonableness and correctness is verified.The researching results show that: when propagating distance is less than 4.8m,the explosion stress waves have high peak values and sharply attenuate;when propagating distance is larger than 4.8m,the explosion stress waves have low peak values and attenuation rate gradually going flatten.

stress waves generated by explosion;attenuation characteristics;high-gas coal-bed;deep-hole pre-splitting explosion

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0218

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51304006)；安徽省教育廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目(KJ2011A075)；安徽理工大學(xué)青年骨干培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(20120012)

蔡 峰(1980—)，男，江蘇銅山人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士。Tel：0554-6668753，E-mail:fcai@aust.edu.cn

TD713

A

0253-9993(2014)01-0110-05

蔡 峰，劉澤功，Luo Yi.爆轟應(yīng)力波在高瓦斯煤層中的傳播和衰減特性[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(1):110-114.

Cai Feng，Liu Zegong，Luo Yi.Propagation and attenuation characteristics of stress waves generated by explosion in high-gas coal-beds[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):110-114.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0218