爆生氣體對(duì)高應(yīng)力低透氣性煤層深孔爆破增透影響的數(shù)值模擬

王海東

(1.煤科集團(tuán) 沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016；2.煤科集團(tuán) 沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110016)

爆生氣體對(duì)高應(yīng)力低透氣性煤層深孔爆破增透影響的數(shù)值模擬

王海東1，2

(1.煤科集團(tuán) 沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016；2.煤科集團(tuán) 沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110016)

考慮爆炸波和爆生氣體時(shí)程荷載，采用FLAC3D有限差分動(dòng)力模塊，模擬了衰減規(guī)律不同的爆生氣體對(duì)高應(yīng)力高瓦斯低透煤層深孔爆破裂紋擴(kuò)展的影響。其中，隨裂紋擴(kuò)展的時(shí)間和速度而衰減的爆生氣體時(shí)程荷載，既作用在炮孔壁上又作用在爆生裂紋表面。研究結(jié)果表明：爆生氣體在深埋高應(yīng)力低透氣性煤層深孔爆破致裂過程中起主要的驅(qū)動(dòng)作用，煤層增透的效果隨爆生氣體衰減速度的降低而顯著增加；高量爆生氣體的低爆速炸藥的研發(fā)對(duì)高應(yīng)力高瓦斯低透煤層深孔爆破增透的現(xiàn)實(shí)意義重大。

爆生氣體；高應(yīng)力低透氣性煤層；深孔爆破；爆炸波

高瓦斯礦井瓦斯災(zāi)害的治本措施是瓦斯抽采。目前，我國70%的國有重點(diǎn)煤礦均為高瓦斯礦井，且大部分煤層為低透氣性煤層，這決定了采用傳統(tǒng)直接預(yù)抽瓦斯方法進(jìn)行瓦斯災(zāi)害治理比較困難[1]。工程實(shí)踐表明，對(duì)于不具備保護(hù)層開采的低透氣性本煤層，深孔爆破技術(shù)的增透效果較好[2-5]，但該技術(shù)增透機(jī)理的理論研究卻滯后其工程實(shí)踐。巖石爆破理論和實(shí)踐表明[6]，炮孔內(nèi)的炸藥引爆后，沿炮孔徑向依次生成壓縮粉碎區(qū)、裂隙區(qū)和彈性振動(dòng)區(qū)。已有研究指出爆生氣體對(duì)煤層增透的作用不容忽視[7-8]，但由于不易確定爆生氣體在爆腔及裂隙內(nèi)隨裂紋擴(kuò)展而衰減的規(guī)律，使得以往研究沒有考慮爆生氣體在煤巖體裂紋內(nèi)的驅(qū)裂效應(yīng)，只考慮其以準(zhǔn)靜態(tài)壓力的形式作用在炮孔壁之上[9-10]。因此，本文不僅考慮爆炸波、煤層地應(yīng)力、煤層原始瓦斯壓力的作用，還考慮了爆生氣體在炮孔壁及在裂紋內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓裂效應(yīng)，建立煤層深孔爆破裂紋擴(kuò)展的數(shù)值計(jì)算模型，采用FLAC3D動(dòng)力模塊，研究了爆生氣體衰減規(guī)律對(duì)高應(yīng)力煤層深孔爆破增透的影響，為高應(yīng)力高瓦斯低透本煤層的瓦斯治理提供理論參考。

1 數(shù)值計(jì)算模型

考慮到深孔爆破煤層的實(shí)際受力狀態(tài)和爆破工藝設(shè)計(jì)，可將煤層爆破增透問題簡(jiǎn)化為二維平面應(yīng)變問題。再考慮到氣體在裂紋內(nèi)流動(dòng)速度vg、徑向裂紋擴(kuò)展速度vc和應(yīng)力波傳播速度vs的關(guān)系(vg

1.1 動(dòng)力有限差分?jǐn)?shù)值模型

選取厚4m，埋深千米地應(yīng)力30MPa的深埋高應(yīng)力煤層，建立煤層深孔爆破的動(dòng)力有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算模型。模型平面內(nèi)水平和豎向長(zhǎng)度為100m，煤層位于模型中間位置，炮孔布置于煤層中心，炮孔直徑取90mm。模型上方施加等效均布?jí)簯?yīng)力的方式考慮上覆巖層產(chǎn)生的豎向應(yīng)力，等效的上覆巖層自重應(yīng)力為30MPa。煤層爆破孔鉆孔的靜力計(jì)算期間為模型兩側(cè)面和底面固定法向位移的靜力邊界條件；深孔爆破裂紋擴(kuò)展增透動(dòng)力計(jì)算期間，靜力邊界條件則轉(zhuǎn)化為吸收傳至模型邊界外行波的粘彈性動(dòng)力邊界條件。

1.2 煤巖體的本構(gòu)模型及物理力學(xué)參數(shù)

煤體采用具有拉剪復(fù)合破壞準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，對(duì)應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。煤層頂?shù)装宓膸r體均采用彈性模型，彈性模量E= 3.2GPa，泊松比μ=0.25，密度ρ=2.5g/cm3。

表1 煤體的物理力學(xué)參數(shù)

注：σt是煤體的單軸抗拉強(qiáng)度，MPa；E為煤體的彈性模量，GPa；c是煤體的黏結(jié)力，MPa；μ為泊松比；φ為煤體的內(nèi)摩擦角，(°)；ρc為密度，g/cm3。

1.3 爆炸波、爆生氣體時(shí)程荷載

柱狀耦合裝藥條件下，可按公式(1)和(2)計(jì)算爆炸波、爆生氣體的峰值壓力[6]：

(1)

(2)

式中，Ps和Pg分別為爆炸波和爆生氣體的峰值壓力，ρ0和ρc分別為炸藥和煤體的密度，Cp和D分別為煤體的壓縮波波速和炸藥的爆速。

相關(guān)研究表明[8,11-12]，爆生氣體在爆破空腔和爆生裂紋中以近指數(shù)形式衰減。本文采用如公式(3)表征爆生氣體在煤體爆生裂紋的衰減規(guī)律[5]：

(3)

(4)

炸藥類型為三級(jí)煤礦水膠炸藥，爆速D=2700m/s，密度ρ0=1000kg/m3。采用式(1)和(2)計(jì)算得到爆生氣體和爆炸波的峰值壓力(Pg=0.92GPa，Ps=1.24GPa)。炮孔壁的歸一化爆炸波壓力時(shí)程曲線采用有限元軟件ABAQUS模擬得到，如圖1所示。

圖1 歸一化的爆炸波時(shí)程曲線

圖2 爆生裂隙內(nèi)的爆生氣體時(shí)程曲線

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

煤層深孔爆破數(shù)值模擬過程為：首先，進(jìn)行地應(yīng)力生產(chǎn)和炮孔成孔的靜力計(jì)算；然后，進(jìn)行煤層深孔爆破裂紋擴(kuò)展增透的動(dòng)力計(jì)算。動(dòng)力計(jì)算時(shí)，先在炮孔壁處施加爆炸波時(shí)程荷載，待炮孔周圍生成粉碎區(qū)和初始徑向裂隙區(qū)后(1.0ms左右)，再在炮孔壁處以等效節(jié)點(diǎn)力的形式施加由公式(3)得到的爆生氣體時(shí)程荷載，進(jìn)而考慮以往煤層深孔爆破中常被忽略的爆生氣體的動(dòng)態(tài)驅(qū)裂作用，同時(shí)利用自編的fish程序追蹤和判斷單元是否發(fā)生拉伸屈服破壞。

采用局部阻尼近似考慮煤巖體的阻尼耗能效應(yīng)，煤巖體的臨界阻尼為0.05。同樣以等效節(jié)點(diǎn)力的形式予以考慮2.0MPa的煤層原始瓦斯壓力。動(dòng)力數(shù)值模擬的時(shí)間為1.0s。

以煤體爆破拉伸破壞區(qū)域?yàn)樵u(píng)價(jià)指標(biāo)，定量地分析爆生氣體衰減規(guī)律對(duì)高應(yīng)力低透煤層深孔爆破增透的影響。

基于FLAC3D有限差分動(dòng)力數(shù)值模擬得到的4種衰減形式的爆生氣體作用下的煤層裂隙區(qū)分布情況見圖3，對(duì)應(yīng)的裂隙擴(kuò)展長(zhǎng)度見表2。計(jì)算結(jié)果表明，爆生氣體壓力衰減速度越慢，煤層爆破增透的范圍則越大；例如在衰減速度最慢的爆生氣體作用下(衰減系數(shù)i=0.5)，炮孔周圍裂隙區(qū)面積最大，煤層裂隙有效半徑r達(dá)5.0m；而在衰減速度最快的爆生氣體作用下(衰減系數(shù)i=2.0)，炮孔周圍裂隙區(qū)面積最小，煤層裂隙的有效半徑r約1.4m。

圖3 不同爆生氣體衰減規(guī)律下煤體裂隙區(qū)分布

衰減系數(shù)i0.51.01.52.0裂隙長(zhǎng)度/m5.03.32.81.4

3 數(shù)值計(jì)算有效性的分析與驗(yàn)證

為驗(yàn)證爆生氣體在高應(yīng)力煤層中的致裂增透作用，進(jìn)行爆炸波單獨(dú)作用下，高、低2種地應(yīng)力煤層的深孔爆破數(shù)值模擬，除煤層地應(yīng)力不同之外，模型其他參數(shù)與上述模型信息相同，且數(shù)值模擬期間只在炮孔壁處施加圖1的爆炸時(shí)程荷載。爆炸波單獨(dú)作用下，高、低地應(yīng)力煤層裂隙區(qū)分布情況見圖4。由圖4可知，在爆炸波單獨(dú)作用下，5MPa低地應(yīng)力煤層的裂隙區(qū)長(zhǎng)度可達(dá)3.5m，而30MPa高地應(yīng)力煤層的裂隙區(qū)長(zhǎng)度只有0.4m。鑒于爆生氣體灌入裂紋的速度vg、爆生裂紋的擴(kuò)展速度vc、爆炸應(yīng)力波傳播的速度vs三者之間的關(guān)系為vg

圖4 爆炸波單獨(dú)作用下煤層深孔爆破裂隙分布

由不同衰減規(guī)律的爆生氣體作用下煤層裂隙區(qū)分布情況可知，盡管在衰減指數(shù)系數(shù)i=2.0氣體壓力衰減最快的爆生氣體作用下，生成的裂隙區(qū)仍是相同條件下爆炸波單獨(dú)作用下裂隙區(qū)長(zhǎng)度的3.5倍，仍能獲得不錯(cuò)的增透效果。因此，能夠產(chǎn)生高量爆生氣體的低爆速新配方炸藥的研發(fā)，對(duì)于高應(yīng)力高瓦斯低透本煤層深孔爆破增透的現(xiàn)實(shí)意義重大。

表3給出了沈陽研究院開展的幾個(gè)典型的深孔爆破增透現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)[3，5，15]。從中可知，深孔爆破技術(shù)應(yīng)用在地應(yīng)力20～30MPa，瓦斯壓力1～3MPa，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=0.2～0.9的深埋高應(yīng)力高瓦斯煤層，仍可獲得較好的增透效果，其增透影響半徑可達(dá)到3m，與考慮爆生氣體擴(kuò)展裂紋效應(yīng)所進(jìn)行的數(shù)值模擬獲得的結(jié)果基本一致，也進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性及不能忽視爆生氣體動(dòng)態(tài)壓裂擴(kuò)展裂紋效應(yīng)的合理性。

表3 典型深孔爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的增透半徑

4 結(jié) 論

考慮爆炸波的沖擊震裂效應(yīng)，爆生氣體在炮孔壁處的準(zhǔn)靜態(tài)作用，爆生氣體在爆生裂紋內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓裂效應(yīng)，對(duì)高應(yīng)力低透煤層在不同衰減規(guī)律爆生氣體作用下的深孔爆破增透過程進(jìn)行了有限差分動(dòng)力數(shù)值模擬，結(jié)論如下：

(1)基于對(duì)高應(yīng)力煤層賦存特點(diǎn)、深孔爆破工藝和深孔爆破裂紋擴(kuò)展過程的分析，認(rèn)識(shí)到不能忽略爆生氣體在爆生裂紋內(nèi)的動(dòng)態(tài)驅(qū)裂效應(yīng)；深孔爆破技術(shù)在高應(yīng)力低透煤層增透領(lǐng)域仍可獲得較好的增透效果。

(2)高應(yīng)力煤層深孔爆破增透效果隨爆生氣體衰減速度的降低而顯著增加，能夠產(chǎn)生高量爆生氣體的低爆速新配方炸藥的研發(fā)，對(duì)于高應(yīng)力高瓦斯低透本煤層深孔爆破增透的現(xiàn)實(shí)意義重大。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

NumericalSimulationforInfluenceofDetonationGasonIncreasingPermeabilityofCoalseamwithHigh-stressandLow-permeabiligybyDeep-holeBlasting

WANG Hai-dong1,2

(1.Shenyang Research Institute Co.,Ltd.,China Coal Technology & Engineering Group,Shenyang 110016,China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology,Shenyang Research Institute Co.,Ltd.,China Coal Technology & Engineering Group,Shenyang 110016,China)

Using dynamic module of FLAC3D and applying time-histories load of blasting wave and detonation gas,influence of detonation gas with different attenuation rule on fissure extension of coalseam with high-stress and low-permeability by deep-hole blasting was simulated.The time-histories load of detonation gas which attenuated with time and speed of fissure extension was exerted on bore-hole wall and fissure faces.Results showed that detonation gas played main activation role in fissure extension of coalseam with high-stress and low-permeability.The effect of increasing coalseam permeability observably rose with attenuation speed of detonation gas fell.It is very important that developing explosive with low detonation velocity which can produce large amount of detonation gas for increasing permeability of coalsam with high-stress and low-permeability.

detonation gas; coalseam with high-stress and low-permeability; deep-hole blasting; blasting wave

2014-04-23

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.023

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(5130410)

王海東(1978-)，男，黑龍江綏化人，工程師，現(xiàn)從事瓦斯安全研究工作。

王海東.爆生氣體對(duì)高應(yīng)力低透氣性煤層深孔爆破增透影響的數(shù)值模擬[J].煤礦開采，2014，19(5)：82-85.

TD713；TQ56

A

1006-6225(2014)05-0082-04