高壓空氣爆破煤體彈性分析

聶榮山

(1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

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高壓空氣爆破煤體彈性分析

聶榮山1,2

(1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

為研究高壓空氣爆破煤體過(guò)程的應(yīng)力特征，依據(jù)彈性理論，建立了煤體破壞模型，分析了高壓空氣爆破區(qū)域的應(yīng)力大小并計(jì)算了破碎區(qū)半徑?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：經(jīng)高壓空氣爆破后，爆破區(qū)域煤體的滲透系數(shù)被改變，透氣性系數(shù)由0.021 4m2/(MPa2·d)提高至1.138 48～27.065 29m2/(MPa2·d)，煤層透氣性系數(shù)增加率達(dá)到50%～1 000%，煤層透氣性得到較大改善。

高壓空氣爆破煤體彈性理論滲透性系數(shù)

將抽采的煤層氣經(jīng)工業(yè)提純壓縮后用于發(fā)電或燃燒，既可有效緩解對(duì)臭氧層的破壞，又有助于提高資源利用效率[1-4]。煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司提出高壓空氣爆破增透技術(shù)[5]，即利用高壓空氣沖擊爆破致裂煤體提高煤層的滲透系數(shù)，利用高壓空氣爆破致裂煤巖體，由于加壓的空氣不會(huì)造成水或空氣的污染，更能適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，特別是煤層含有對(duì)水敏感的蒙脫石、伊利石等膨脹性較大的礦物質(zhì)，該技術(shù)可有效提高爆破區(qū)域瓦斯的抽采率。本研究通過(guò)進(jìn)行高壓空氣爆破煤體彈性分析，為爆破孔布置提供依據(jù)。

1　彈性理論分析

由于高壓空氣爆破的孔徑遠(yuǎn)小于其釋放后破壞范圍的孔徑，假設(shè)爆破區(qū)域無(wú)大斷層，煤巖體內(nèi)無(wú)大裂隙，且裂隙分布均勻?，F(xiàn)將高壓空氣沿孔徑破壞的區(qū)域簡(jiǎn)化為一個(gè)內(nèi)半徑為a、外半徑為b的厚壁圓筒[6]，如圖1所示。高壓空氣釋放后，內(nèi)壁表面受到的壓力為p1，外壁表面受到的壓力為p2，筒體僅沿半徑方向發(fā)生均勻的膨脹或收縮。圖1中，用極坐標(biāo)(r,θ)表示各分量，σr(r)、σθ(r)為徑向應(yīng)力，εr(r)、εθ(r)為應(yīng)變分量。

依據(jù)彈性理論的平衡方程、幾何方程、本構(gòu)方程[6]推導(dǎo)得到的徑向應(yīng)力計(jì)算公式為

(1)

煤體介質(zhì)的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，故可用巖石的單軸抗拉屈服極限表示相應(yīng)的破壞屈服條件[7-9]，使用靜態(tài)破碎的拉應(yīng)力分布函數(shù)對(duì)巖石的破壞進(jìn)行分析。當(dāng)拉應(yīng)力σ大于巖石介質(zhì)抗拉強(qiáng)度σs時(shí)，產(chǎn)生拉伸破壞形成裂紋。假設(shè)煤體為均質(zhì)材料，依據(jù)爆破特征，可將破壞區(qū)域劃分為空腔區(qū)、破碎區(qū)、彈性區(qū)。其中，破碎區(qū)的最大半徑rkmax可通過(guò)下式計(jì)算：

圖1　簡(jiǎn)化后的模型

(2)

式中,rb為空腔區(qū)半徑，取0.127 5m；pb為作用于鉆孔壁上的初始?jí)簯?yīng)力，取50MPa；σs為煤巖體的抗拉強(qiáng)度，取0.218MPa；rn/re為空腔區(qū)與壓碎區(qū)之間的內(nèi)徑和外徑比值，取0.2；γ1為絕熱指數(shù)，取1.0。

經(jīng)式(2)計(jì)算得：rkmax約為2.8m。

2　試驗(yàn)分析

試驗(yàn)煤層為丁集礦軌道大巷聯(lián)巷13-1#煤層，該煤層為瓦斯突出危險(xiǎn)煤層，瓦斯壓力1.6MPa，瓦斯含量6.11m3/t，采用錨網(wǎng)(索)支護(hù)。在13-1軌道聯(lián)巷內(nèi)施工穿層鉆孔將爆破釋放裝置和高壓輸氣管送入煤層中的預(yù)定位置，采用高壓空氣加壓，壓力達(dá)到設(shè)定壓力(60MPa)時(shí)，高壓空氣經(jīng)爆破閥釋放。爆破后煤層透氣性與衰減系數(shù)的變化情況見表1。由表1可知：2#、3#、4#鉆孔氣爆后，煤體由于受到巨大沖擊，在破碎區(qū)內(nèi)煤的透氣性系數(shù)被改變，原煤層的透氣性系數(shù)由0.021 4m2/(MPa2·d)提高至(1.138 48～27.065 29)m2/(MPa2·d)，煤層透氣性系數(shù)增加率達(dá)到50%～1 000%，煤層透氣性得到較大改善，由此可知，爆破影響破碎區(qū)的半徑約為2.6m。

表1　煤層透氣性系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

3　結(jié)　語(yǔ)

以丁集礦軌道大巷聯(lián)巷13-1#煤層為例，基于彈性理論對(duì)高壓空氣爆破區(qū)域的徑向應(yīng)力及破碎區(qū)半徑的計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)，試驗(yàn)表明：高壓空氣沖擊煤體后，煤體發(fā)生強(qiáng)烈的變形破壞，改變了區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分布，高壓空氣爆破增透后，煤層透氣性與衰減系數(shù)得到較大改善，觀測(cè)孔的瓦斯涌出量與抽采量大幅度增加。

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2016-06-01)

聶榮山(1985—)，男，工程師，碩士，110016 遼寧省沈陽(yáng)市沈河區(qū)東濱河路108號(hào)。