炮孔位置對含軟分層煤體爆破致裂規(guī)律的數(shù)值模擬

王以賢

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450064)

0 引 言

爆破技術(shù)能夠減少甚至阻止煤與瓦斯突出及瓦斯爆炸[1-2]，從而為煤礦開采提供良好的安全生產(chǎn)環(huán)境[3-4]。但目前我們研究煤體爆破大多將煤體看成均質(zhì)煤體[5-6]，研究炮孔位置、炮孔間距對均質(zhì)煤體的爆破致裂效果，而對于炮孔位置對特殊非均質(zhì)煤體(比如含軟分層煤體)的爆破致裂規(guī)律研究不足。但現(xiàn)實工程中往往會遇到許多含有軟分層的煤體，這種煤體由于軟分層性質(zhì)的特殊性(煤層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等遭到嚴(yán)重破壞)，最容易發(fā)生瓦斯突出及瓦斯爆炸事故[7]。因此，有必要深入探討炮孔位置對含軟分層煤體的爆破致裂規(guī)律。

本文在深入了解九里山礦煤巖體基本力學(xué)參數(shù)及瓦斯賦存狀況的情況下，建立了ANSYS/LS-DYNA模型，對含軟分層煤體進(jìn)行爆破致裂數(shù)值模擬，著重探討了不同爆破位置對含軟分層煤體致裂的影響及作用機(jī)理，對含軟分層煤體的爆破致裂及瓦斯抽采具有指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值模擬

以河南九里山礦16051底抽巷16采區(qū)東翼上部二1煤層為研究對象。該礦隸屬于河南煤業(yè)化工集團(tuán)焦作煤業(yè)有限公司，位于焦作礦區(qū)東部、太行山南麓，屬于嚴(yán)重的煤與瓦斯突出礦井。該煤層頂板、底板為粉砂層，較致密，厚度在6.1～8.1 m之間，平均厚度7.1 m，軟分層厚度不一，最小15 cm，最大1 m，采用深孔爆破致裂抽采瓦斯。

1.1 模型建立

利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立爆破模型，采用cm-g-μs單位制，建立簡化模型如圖1所示(圖中以炮孔中心為坐標(biāo)原點，沿x、y正向為正，負(fù)向為負(fù)，下同)。其中，頂板巖層厚度100 cm，上層硬煤層厚度300 cm，軟分層厚度50 cm，下層硬煤層厚度200 cm，底板巖層厚度100 cm，炮孔直徑80 mm，由于所建模型沿中軸左右對稱，為簡化計算，只建立右半部分模型，寬度700 cm。

結(jié)合本工程實際，將所研究問題簡化為平面應(yīng)變問題，使用拉格朗日算法，計算時長為4 000 μs，炸藥、煤體和巖石采用殼單元plane162，中間對稱軸上設(shè)置X向約束，頂板、底板設(shè)置全約束，右邊為無反射邊界。

圖1 研究模型示意圖Fig.1 Research model diagram

1.2 材料模型選取

炸藥和煤體分別采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型[8]，用*EOS_JWL狀態(tài)方程來描述炸藥爆炸時壓力、體積及能量特性，其表達(dá)式見式(1)。

(1)

式中：P為炸藥爆炸后炸藥單元體內(nèi)的壓力，MPa；V為體積變化，m3；E0為初始比內(nèi)能，MJ；A、B為炸藥特性參數(shù)，GPa；R1、R2、ω為炸藥材料常數(shù)，無量綱。

1.3 材料參數(shù)選取

所選炸藥密度ρ=1 130 kg/m3，爆速D=3 500 m/s，具體參數(shù)見表1。煤體具體參數(shù)見表2。其中，ρ1、E1、μ1為堅硬煤層密度、彈性模量和泊松比；ρ2、E2、μ2為軟分層煤體密度、彈性模量和泊松比。

1.4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

當(dāng)炮孔位置固定(炮孔中心距軟分層上表面以上25 cm)時，距炮孔中心不同位置、不同時刻的壓力是成一定規(guī)律變化的。圖2為煤體中軸線(y軸)上距炮孔中心不同位置、不同時刻壓力變化情況。

表1 炸藥參數(shù)Table 1 Explosive parameter

表2 煤體參數(shù)Table 2 Coal parameter

圖2 軟分層厚度為25 cm時不同位置、不同時刻壓力曲線變化圖Fig.2 Variation diagram of pressure curves at different positions and at different moments when soft stratification thickness is 25 cm

由圖2可知：①軟分層的存在對距離炮孔中心不同位置處壓力峰值有較大影響;如果不存在軟分層，同為堅硬煤體，視四周材質(zhì)均勻，按照爆破理論，縱坐標(biāo)軸左右兩側(cè)壓力峰值應(yīng)該是嚴(yán)格對稱的；從圖2可以看出，軟分層的存在改變了這種對稱性，也改變了軟分層上部、下部壓力的分布，最終會導(dǎo)致軟分層上部、下部堅硬煤體中的致裂規(guī)律不同于同種煤體。②縱軸右邊壓力峰值明顯高于縱軸左邊壓力峰值，這充分說明當(dāng)應(yīng)力波透過軟分層時，軟分層能夠吸收較大能量，致使壓力峰值有較大降低。

圖3為煤體爆破后不同時刻致裂演化圖。由圖3可知：①軟分層的存在改變了煤體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的方式和規(guī)律，如果不存在軟分層，根據(jù)前人研究結(jié)果可知，煤體的裂紋擴(kuò)展應(yīng)該是沿炮孔中心進(jìn)行圓(柱)形擴(kuò)展，但從本次模擬結(jié)果可知，軟分層的出現(xiàn)改變了這種狀況，也使得致裂規(guī)律發(fā)生變化;②軟分層吸收了大量的爆炸能，導(dǎo)致軟分層下部硬煤裂紋較少，擴(kuò)展長度較小，分布集中度較低；煤體破碎程度和裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展從根本上來說是由于爆炸能量的傳遞和轉(zhuǎn)化，當(dāng)向下傳遞的能量被軟分層吸收以后，勢必導(dǎo)致傳遞到下部硬煤層的爆炸能量降低，就會出現(xiàn)能量較少而不足以產(chǎn)生過多新裂紋和過多裂紋擴(kuò)展的情況；③大量的爆炸能并沒有使軟分層產(chǎn)生過多裂隙，相反，軟分層的存在阻止了上下硬煤裂隙的貫通，這是因為軟分層較硬煤波阻抗小很多，依據(jù)波阻抗匹配理論，強(qiáng)爆破能遇到軟煤層并不能導(dǎo)致大量裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展和連通，也就不可能為瓦斯?jié)B流提供較好的解吸條件和運(yùn)移通道，這也是軟分層煤體更容易發(fā)生瓦斯事故的原因。

圖4為煤體爆破后不同時刻應(yīng)力波形傳播圖。由圖4可知：①軟分層的存在改變了爆炸應(yīng)力波傳播路徑和規(guī)律，眾所周知，在同種材料情況下，爆炸應(yīng)力波應(yīng)該以炮孔為中心沿圓(柱)形傳播，但軟分層的存在改變了這種規(guī)律；②煤體內(nèi)裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展滯后于應(yīng)力波的傳播。這也說明了裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展不僅和爆炸應(yīng)力波有關(guān)，而且還與滯后于應(yīng)力波傳播的爆生氣體有關(guān)。一般認(rèn)為，當(dāng)煤體內(nèi)由爆炸應(yīng)力波產(chǎn)生的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力達(dá)到煤體的破壞強(qiáng)度時，煤體產(chǎn)生裂紋，而爆生氣體的“氣楔”作用進(jìn)一步擴(kuò)展了裂隙，兩者的結(jié)合導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展和連通；③當(dāng)爆炸應(yīng)力波傳遞到不同介質(zhì)界面時會產(chǎn)生較為復(fù)雜的波的反射、透射，從而導(dǎo)致不同應(yīng)力波的疊加，這些波的疊加加劇了煤體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展和連通的復(fù)雜性。

圖3 煤體爆破裂紋擴(kuò)展演化圖Fig.3 Evolution diagram of blasting crack growth in coal

圖4 煤體爆破后應(yīng)力波形傳播圖Fig.4 Stress wave propagation diagram after blasting of coal

圖5 不同炮孔位置爆破裂紋擴(kuò)展演化圖Fig.5 Evolution diagram of blasting crack growth in different blasting holes

2 炮孔位置對含軟分層煤體致裂效果影響

圖5為軟分層厚度50 cm時，不同炮孔位置對含軟分層煤體爆破裂紋擴(kuò)展情況圖。由圖5可知：①炮孔中心所處位置對含軟分層煤體爆破致裂效果有較大影響；當(dāng)炮孔位置距軟分層上表面較近時(15 cm和25 cm)，高壓爆轟波直接作用在軟分層上，一部分軟分層處于爆轟波壓碎區(qū)內(nèi)，直接將部分軟分層壓碎，大量爆炸能用于壓碎軟分層后，能量消耗很多，消耗后的爆炸能難于使下部硬煤層產(chǎn)生較集中的裂隙；②當(dāng)炮孔中心距軟分層上表面以上35 cm時，下部硬煤層裂隙數(shù)量和集中度均較炮孔中心距軟分層上表面以上15 cm和25 cm時多；作者認(rèn)為出現(xiàn)此種情況的主要原因為破碎軟分層所需要的爆炸能要高于相同情況下破碎硬煤的爆炸能；根據(jù)波阻抗匹配理論，雖然炮孔中心距軟分層上表面以上35 cm時，有相當(dāng)一部分爆炸能用于爆碎上部硬煤層，但此時所消耗的能量小于當(dāng)炸藥中心距軟分層較近時(15 cm和25 cm)破碎軟分層所消耗的能量，即炮孔中心距軟分層上表面以上35 cm時，用于破碎下部硬煤層的爆炸能量反而較15 cm和25 cm時大，因此裂隙數(shù)量和集中度增多；③從模擬結(jié)果及以上分析可知，對于不同厚度軟分層煤體在爆破致裂時都會存在一個最優(yōu)炮孔位置(上下部硬煤層裂隙數(shù)量最多、裂隙集中度及連通性最好)，就本次模擬結(jié)果而言，當(dāng)軟分層厚度為50 cm時，最優(yōu)炮孔位置為炮孔中心距軟分層上表面以上35 cm處；④當(dāng)炮孔中心距軟分層上表面大于35 cm時，下部硬煤層裂隙數(shù)量、集中度及面積迅速減少，當(dāng)增大到50 cm時，下部硬煤層幾乎不出現(xiàn)爆破裂紋。

綜合整個致裂圖可以發(fā)現(xiàn)，炮孔中心位置的改變不但對下部硬煤層致裂效果產(chǎn)生影響，同時也對上部硬煤層及軟分層煤體致裂效果產(chǎn)生較大影響。

3 結(jié) 論

1) 軟分層對煤體爆破后的壓力峰值、應(yīng)力波傳播路徑及規(guī)律、裂紋擴(kuò)展與連通、爆破能的分布等都有較大影響。

2) 對于炮孔中心位置來說，并不是炮孔中心離軟分層越近致裂效果越好，而是存在一個最優(yōu)炮孔中心位置；當(dāng)軟分層厚度為50 cm時，最優(yōu)炮孔位置為炮孔中心距軟分層上表面以上35 cm處。

3) 炮孔中心位置的變化既對下部硬煤層致裂效果產(chǎn)生影響，同時也對上部硬煤層及軟分層煤體致裂效果產(chǎn)生影響。

4 展 望

鑒于煤體性質(zhì)及炸藥爆破的復(fù)雜性，本次模擬研究還有許多需要完善的地方。本次模擬僅研究了單孔位置對含軟分層煤體的爆破規(guī)律研究，這對于含軟分層煤體的爆破實際需要是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，可以進(jìn)一步深入探討雙孔及多孔爆破對含軟分層煤體的致裂規(guī)律研究；應(yīng)該增加試驗部分特別是現(xiàn)場試驗來驗證數(shù)值模擬的正確性；本次模擬僅考慮了爆破位置對含軟分層煤體的致裂規(guī)律研究，事實上，軟分層厚度的變化也會對含軟分層煤體的爆破致裂效果產(chǎn)生影響，可以綜合考慮炮孔位置和軟分層厚度對煤體的爆破影響，系統(tǒng)研究含軟分層煤體的爆破致裂規(guī)律及瓦斯抽放機(jī)理。