掘進(jìn)工作面水環(huán)保壓聚能定向爆注卸壓技術(shù)與裝置

王振鋒 ， 王 宇 ， 張 濤

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；3.神火集團(tuán)許昌新龍礦業(yè)有限公司，河南 許昌 452570)

煤巷掘進(jìn)對(duì)于礦井的采掘接替至關(guān)重要，掘進(jìn)工作面煤層在原始瓦斯壓力和構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的局部應(yīng)力集中威脅著掘進(jìn)工作面的安全。傳統(tǒng)的通過(guò)施工卸壓鉆孔來(lái)消除掘進(jìn)工作面應(yīng)力集中的方式不僅工程量大而且效果差[1-2]。聚能爆破是定向爆破的一種，利用聚能流侵徹作用在煤體中產(chǎn)生裂隙，隨之產(chǎn)生的爆生氣體促進(jìn)裂隙擴(kuò)展[3-6]。朱飛昊等[7-8]發(fā)現(xiàn)聚能爆破使聚能方向的裂紋擴(kuò)展范圍增大，非聚能方向的裂紋擴(kuò)展范圍減小，可抑制爆破掘進(jìn)引發(fā)的動(dòng)力災(zāi)害。爆生氣體進(jìn)入煤體，導(dǎo)致煤體孔隙壓力增大，煤體內(nèi)部微裂隙明顯萌生和擴(kuò)展[9-12]。竇林名等[13]提出在強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)使用松動(dòng)爆破，可使應(yīng)力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，使掘進(jìn)工作面前方煤體應(yīng)力得到有效釋放。曹湖等[14]認(rèn)為松動(dòng)爆破可以增加采場(chǎng)前方卸壓帶長(zhǎng)度。水相較于炮孔中的空氣，具有良好的抗壓縮性，當(dāng)對(duì)其壓縮，直至壓力增加至100 MPa 時(shí)，其密度僅增加5%左右，傳能效率高，將爆炸產(chǎn)生的能量均勻低耗地傳遞至炮孔周圍的巖石[15-16]。蔡永樂(lè)等[17-18]利用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析煤巖體的爆炸應(yīng)變，對(duì)比水和空氣2 種不耦合介質(zhì)對(duì)煤巖體的作用，發(fā)現(xiàn)水能有效提高裂隙擴(kuò)展。將松動(dòng)爆破和高壓注水結(jié)合起來(lái)，發(fā)現(xiàn)水力耦合爆破可提升爆破效果，爆破后裂隙發(fā)育，注水效果佳[19-21]。通過(guò)對(duì)比測(cè)試孔內(nèi)瓦斯參數(shù)變化，確定聚能爆破有效影響范圍[22-23]。學(xué)者們對(duì)聚能爆破、水壓爆破的卸壓原理、裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)等進(jìn)行大量研究，且學(xué)者們結(jié)合2 種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)造出聚能水壓爆破、切槽水壓爆破等技術(shù)。然而煤體局部受到采動(dòng)、遺留煤柱等影響會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，學(xué)者們對(duì)局部水力圍壓下聚能爆注研究較少，且鉆孔周邊裂隙擴(kuò)展，無(wú)法進(jìn)行有效的存水保壓，則需要設(shè)計(jì)一種水環(huán)保壓裝置及對(duì)煤體局部水力圍壓下聚能爆注卸壓半徑進(jìn)行研究。

1 水環(huán)保壓裝置

1.1 工程背景

永城市薛湖煤礦為防止突出及解決因煤質(zhì)、煤體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力及采掘活動(dòng)等引起工作面前方應(yīng)力集中的安全隱患，在工作面采用聚能爆注消突措施，如圖1所示。然而薛湖煤礦的聚能爆注消突措施是在聚能管前后添加水袋或者直接在鉆孔中注水，然而鉆孔周邊存在裂隙，有的鉆孔無(wú)法有效存水，形成鉆孔下部少量水，上部大量空氣的情況，水的作用效果不明顯，且聚能管和炸藥接觸鉆孔下部，爆炸能量大量作用于鉆孔下部煤體，鉆孔上部與聚能定向卸壓方向裂隙發(fā)育差，增透卸壓效果差，消除應(yīng)力集中的影響非常有限，月進(jìn)尺嚴(yán)重不足，不論從生產(chǎn)角度還是安全角度都嚴(yán)重影響了采掘接替，如圖2、3 所示。

圖1 煤體局部應(yīng)力集中示意Fig.1 Diagram of local stress concentration of coal

圖2 聚能爆注孔內(nèi)部示意Fig.2 Schematic diagram of the inside of the energyaccumulating blasting and water injection hole

圖3 炸藥在鉆孔下部裂隙擴(kuò)展示意Fig.3 Explosive crack propagation diagram in lower part of borehole

所以必須在保證安全的情況下采取一種高效的消除工作面應(yīng)力集中的措施。為此，提出一種局部水環(huán)保壓下聚能爆注定向增透消突措施：炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的能量、氣體等先作用于周圍水體上，水的低壓縮性導(dǎo)致能量聚集，均勻作用于水環(huán)保壓裝置上，形成聚能水體，依靠裝置內(nèi)部的聚能槽，聚能水體壓縮聚能槽，形成聚能水射流作用于煤體上，沁潤(rùn)切割煤體，形成初始裂隙，爆生氣體沿著初始裂隙沖擊煤體。高壓水傾入裂隙中，驅(qū)替裂隙中存在的游離態(tài)瓦斯，瓦斯涌出量增加。隨著水體能量衰減，水體不再運(yùn)移，水滯留在煤體裂隙中，產(chǎn)生靜壓，在裂隙中毛細(xì)管力的作用下，置換出裂隙內(nèi)部分吸附瓦斯。當(dāng)瓦斯壓力下降時(shí)，滯留的靜壓水阻礙裂隙內(nèi)瓦斯的解吸，煤體內(nèi)部瓦斯含量降低，起到防突的作用。

1.2 設(shè)計(jì)原理

鉆孔內(nèi)裂隙擴(kuò)展無(wú)法有效存水；水介質(zhì)低壓縮性作用能夠均勻低耗的傳遞能量；水充滿裝置，裝置膨脹擠壓鉆孔壁，對(duì)炸藥及鉆孔存在環(huán)向應(yīng)力約束，環(huán)向約束有效減少炸藥爆轟損耗；在水環(huán)保壓裝置下炸藥始終處于鉆孔中心；水環(huán)保壓裝置內(nèi)部設(shè)置聚能槽，使得存水保壓、聚能一體化。筆者提出一種圓筒狀聚氨酯水環(huán)保壓裝置如圖4 所示，其結(jié)構(gòu)包括：① 里部聚氨酯胎囊；② 胎囊連接器；③ 中間段聚氨酯胎囊；④ 內(nèi)管聚氨酯胎囊；⑤ 外管聚氨酯胎囊；⑥ PVC 聚能槽；⑦ 折疊間隙；⑧ 外部聚氨酯胎囊；⑨ 注漿嘴；⑩ 胎囊聯(lián)通孔；? 聚氨酯內(nèi)管連接處；? 聚氨酯外管連接處；? 里、外部胎囊連接處；? 拉鏈；? 鏈頭。裝置總長(zhǎng)度6 m，里、外部胎囊長(zhǎng)度各為0.5 m，中間胎囊長(zhǎng)度為5 m。由于聚氨酯材料具有彈性，其注水膨脹后與鉆孔壁貼合，其外直徑為75 mm，內(nèi)管裝藥直徑為24 mm。

圖4 水環(huán)保壓裝置示意Fig.4 Schematic diagram of water storage and pressure maintaining device

1.3 操作步驟

打開(kāi)中間段胎囊上的拉鏈，其中內(nèi)管胎囊位置用于裝入炸藥、雷管及炮線，外管聚氨酯胎囊內(nèi)部存在PVC 聚能槽，用于炸藥能量的聚集，內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖5 所示。胎囊的空隙用于漿液注入。外部胎囊上存在注漿嘴，用于注漿管的連接。胎囊連接器的下部存在胎囊聯(lián)通孔，用于胎囊間漿液的貫通。胎囊通過(guò)強(qiáng)力膠、熱熔槍與胎囊連接器內(nèi)部連接，保持胎囊呈圓柱狀，與鉆孔緊密貼合，且內(nèi)管胎囊始終處于裝置與鉆孔中心位置，連接器示意如圖6 所示，使得炸藥始終處于裝置與鉆孔中心位置。根據(jù)實(shí)際情況，若需增加裝藥長(zhǎng)度，可通過(guò)胎囊連接器連接胎囊，增加中間段胎囊的長(zhǎng)度。里部胎囊與外部胎囊使聚能炸藥與孔底、封孔段有一定距離，減少聚能爆注對(duì)鉆孔孔底及封孔段的影響。將注漿管與外部硅膠胎囊上的注漿嘴連接，通過(guò)注漿泵—注漿管—注漿嘴將水注滿整個(gè)裝置，裝置緊貼鉆孔壁，在孔壁與水的擠壓作用下存在一定的水環(huán)壓力，且聚氨酯胎囊不透水，得到好的存水效果，解決鉆孔裂隙發(fā)育，使用聚能爆注工藝時(shí)無(wú)法有效存水保壓的問(wèn)題。

圖5 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Internal structure diagram

圖6 連接器示意Fig.6 Connector schematic diagram

2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬使用2.4 節(jié)中的材料參數(shù)。主要目的是證明裝置優(yōu)勢(shì)和針對(duì)礦井問(wèn)題提出解決方法。

2.1 不同耦合介質(zhì)

為了合理研究氣體耦合和水耦合對(duì)爆破的影響，利用ANSYS/LSDYNA 數(shù)值模擬軟件建立計(jì)算模型。此模型煤體半徑7.25 cm，中心為炮孔，鉆孔半徑0.45 cm，裝藥半徑0.082 4 cm。氣體耦合模型由煤體、空氣、及炸藥組成，空氣及炸藥共節(jié)點(diǎn)，如圖7 所示；研究水耦合作用時(shí)，模型由煤體、空氣、水及炸藥組成，空氣、水及炸藥共節(jié)點(diǎn)，如圖8 所示。在模型的前后平面施加Z方向的固定約束，在模型的上下左右邊界施加無(wú)反射邊界條件約束。

圖7 氣體耦合模型示意Fig.7 Schematic diagram of the air coupling model

圖8 水耦合模型示意Fig.8 Schematic diagram of the water coupling model

運(yùn)用軟件中測(cè)量按鈕，從圖9～10 中可以看出，水介質(zhì)耦合時(shí)炸藥爆破的影響范圍大于空氣耦合。當(dāng)鉆孔與炸藥之間介質(zhì)為氣體時(shí)，煤體完全損傷的長(zhǎng)度為0.29 cm，損傷裂紋長(zhǎng)度為2.07 cm；當(dāng)鉆孔與炸藥之間介質(zhì)為水時(shí)，煤體完全損傷的長(zhǎng)度為0.91 cm，損傷裂紋長(zhǎng)度為5.61 cm。水介質(zhì)耦合時(shí)煤體完全損傷范圍為空氣耦合時(shí)的3.14 倍；水介質(zhì)耦合時(shí)煤體損傷裂紋長(zhǎng)度范圍為空氣耦合時(shí)的2.71 倍。水的低壓縮性能夠聚集炸藥爆炸的能量，煤體損傷范圍顯著增大。

圖9 氣體耦合爆破Fig.9 Air coupling blasting diagram

圖10 水耦合爆破Fig.10 Water coupling blasting diagram

2.2 水耦合聚能爆破

運(yùn)用ANSYS/LSDYNA 數(shù)值模擬軟件，針對(duì)水介質(zhì)在聚能炸藥與鉆孔間的影響，建立煤體、空氣、水、炸藥、聚能管模型，如圖11 所示。模型尺寸600 cm×600 cm×1 cm，鉆孔半徑4.2 cm，炸藥半徑1.2 cm，聚能管厚度0.2 cm。聚能管使得炸藥成V 型結(jié)構(gòu)，聚能槽處于水平方向。炸藥與鉆孔間充滿水，處于不耦合裝藥?？諝?、炸藥、水流體共節(jié)點(diǎn)，聚能管、煤體固體。兩者間流固耦合。模型正、后面設(shè)置z方向固定約束，四周為無(wú)反射邊界。模型中質(zhì)量單位為g，長(zhǎng)度單位cm，時(shí)間單位μs，應(yīng)力單位105MPa。

圖11 模型示意Fig.11 Model diagram

從圖12 可以看出，空氣耦合聚能爆破時(shí)聚能方向的裂隙長(zhǎng)度大于非聚能方向，聚能方向裂隙長(zhǎng)度為300 cm，非聚能方向裂隙長(zhǎng)度為116.1 cm。聚能方向爆炸空腔的面積大于非聚能方向，聚能方向空腔長(zhǎng)度為24.96 cm，非聚能方向空腔長(zhǎng)度為7 cm。

圖12 空氣耦合聚能爆破Fig.12 Air coupling cumulative blasting diagram

從圖13 可以看出，水耦合聚能爆破時(shí)聚能方向的裂隙長(zhǎng)度與非聚能方向相同，聚能方向裂隙長(zhǎng)度為220 cm，非聚能方向裂隙長(zhǎng)度為189.82 cm。聚能方向爆炸空腔的面積等于非聚能方向，聚能方向空腔長(zhǎng)度為11.16 cm，非聚能方向空腔長(zhǎng)度為10.1 cm。

圖13 水耦合聚能爆破Fig.13 Water coupling cumulative blasting diagram

如圖14 所示，在鉆孔聚能方向選擇節(jié)點(diǎn)173064，在鉆孔非聚能方向選擇節(jié)點(diǎn)172328、162076。由于測(cè)點(diǎn)100 μs 后作用應(yīng)力為0，則顯示測(cè)點(diǎn)150 μs 前的應(yīng)力情況，從圖15 中得出，173064 節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力為0～1.39 MPa，應(yīng)力作用于煤體的時(shí)間為0～29 μs，172328、162076 節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力為0～0.5 MPa，應(yīng)力作用時(shí)間為0～40 μs。聚能方向與非聚能方向的殘余應(yīng)力范圍、作用時(shí)間差距小。

圖14 節(jié)點(diǎn)選取示意Fig.14 Node selection diagram

圖15 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化Fig.15 Variation diagram of node stress with time

從爆炸空腔、裂隙與殘余應(yīng)力得出水介質(zhì)使聚能炸藥能量均勻作用在煤體上，減弱聚能管的定向作用，使得聚能方向作用于煤體上的應(yīng)力與非聚能方向差值小，鉆孔周圍裂隙均勻發(fā)育擴(kuò)展，無(wú)定向裂隙擴(kuò)展。

2.3 聚能管包裹水體

運(yùn)用ANSYS/LSDYNA 數(shù)值模擬軟件，針對(duì)在水介質(zhì)與鉆孔間設(shè)置聚能管對(duì)聚能爆注的影響，建立煤體、空氣、水、炸藥、聚能管模型，如圖16 所示。模型尺寸600 cm×600 cm×1 cm，鉆孔半徑4.2 cm，炸藥半徑1.2 cm, 聚能管厚度0.2 cm。聚能管使得炸藥與水介質(zhì)成V 型結(jié)構(gòu)，聚能槽處于水平方向。炸藥與鉆孔間充滿水，處于不耦合裝藥?？諝狻⒄ㄋ?、水流體共節(jié)點(diǎn)，聚能管、煤體固體，兩者間流固耦合。模型正、后面設(shè)置Z方向固定約束，四周為無(wú)反射邊界。模型中質(zhì)量單位為g，長(zhǎng)度單位為cm，時(shí)間單位為μs，應(yīng)力單位為105MPa。

圖16 模型示意Fig.16 Model diagram

2.3.1 結(jié)果分析

運(yùn)用軟件測(cè)量按鈕，從圖17 中得出，非聚能方向的爆炸空腔長(zhǎng)度為16 cm，裂隙長(zhǎng)度為59.5 cm，聚能方向的爆炸空腔長(zhǎng)度為21 cm，裂隙長(zhǎng)度為287 cm。說(shuō)明在水介質(zhì)和鉆孔壁間增加聚能管，能夠起到有效的聚能定向作用，聚能方向的爆破空腔和裂隙擴(kuò)展長(zhǎng)度均大于非聚能方向。

圖17 聚能爆注裂隙Fig.17 Energy-accumulating blasting and water injecting diagram

如圖18、19 所示，由于測(cè)點(diǎn)100 μs 后作用應(yīng)力為0，則顯示測(cè)點(diǎn)150 μs 前的應(yīng)力情況,在聚能方向選擇92316 節(jié)點(diǎn)，其殘余應(yīng)力取值為0～0.9 MPa，作用于煤體時(shí)間為0～30 μs，在非聚能方向選擇193186、182064 節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力取值為0～1.2 MPa，作用于煤體的時(shí)間為0～45 μs。因聚能方向的爆炸空腔與裂隙長(zhǎng)度大于非聚能方向，則聚能方向的殘余應(yīng)力與非聚能方向的差值小。

圖18 節(jié)點(diǎn)選取示意Fig.18 Node selection diagram

圖19 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化Fig.19 Variation diagram of node stress with time

由于水的低壓縮性，聚能炸藥能量通過(guò)水介質(zhì)會(huì)增加，水均勻傳播能量，水介質(zhì)會(huì)減弱聚能槽的定向擴(kuò)展裂隙的作用，通過(guò)在水介質(zhì)和鉆孔壁間設(shè)置聚能管，聚能方向的爆破空腔大于非聚能方向，聚能方向的裂隙長(zhǎng)度大于非聚能方向，對(duì)比未在鉆孔與水介質(zhì)間設(shè)置聚能管時(shí)，爆破空腔面積增大，節(jié)點(diǎn)殘留應(yīng)力增大，則在水介質(zhì)和鉆孔壁間設(shè)置聚能管能夠有效聚能和定向擴(kuò)展裂隙。

2.3.2 炸藥處于鉆孔下部

運(yùn)用ANSYS/LSDYNA 數(shù)值模擬軟件，針對(duì)在水介質(zhì)中炸藥在鉆孔下部位置對(duì)聚能爆注的影響，建立煤體、空氣、水、炸藥、聚能管模型，如圖20 所示。模型尺寸600 cm×600 cm×1 cm，鉆孔半徑4.2 cm，炸藥半徑1.2 cm, 聚能管厚度0.2 cm。聚能管使得炸藥與水介質(zhì)成V 型結(jié)構(gòu)，聚能槽處于水平方向。炸藥與鉆孔間充滿水，且炸藥處于鉆孔下部?？諝?、炸藥、水流體共節(jié)點(diǎn)，聚能管、煤體固體。兩者間流固耦合。模型正、后面設(shè)置z向固定約束，四周為無(wú)反射邊界。模型中質(zhì)量單位為g，長(zhǎng)度單位為cm，時(shí)間單位為μs，應(yīng)力單位為105MPa。

圖20 模型示意Fig.20 Model diagram

2.3.3 結(jié)果分析

從圖21 得出，炸藥處于鉆孔下部位置時(shí)，鉆孔上部的爆炸空腔長(zhǎng)度為6.38 cm，鉆孔下部的爆炸空腔長(zhǎng)度為13.35 cm，裂隙長(zhǎng)度為52.3 cm，聚能方向的爆炸空腔長(zhǎng)度為9.37 cm，裂隙長(zhǎng)度為257 cm。當(dāng)炸藥處于鉆孔下部位置時(shí)，炸藥距離鉆孔下部煤體較近，水介質(zhì)使得炸藥能量均勻，炸藥能量作用于鉆孔下部煤體的時(shí)間早于鉆孔上部，煤體失效，鉆孔下部的能量損耗，應(yīng)力降低，鉆孔上部炸藥能量與聚能方向能量向鉆孔下部轉(zhuǎn)移，鉆孔下部的爆破空腔擴(kuò)大，下部裂隙發(fā)育擴(kuò)展。在水介質(zhì)和鉆孔壁間聚能管的聚能、定向作用下，聚能方向有明顯裂隙擴(kuò)展。

圖21 聚能爆注Fig.21 Energy-accumulating blasting and water injecting diagram

綜上所述，水的低壓縮性能夠聚集炸藥爆炸的能量，使得作用于煤體上的能量增大，然而水使能量均勻作用在煤體上，減弱聚能管的定向作用。在水介質(zhì)和鉆孔間設(shè)置聚能管，能夠起到有效的聚能定向作用。當(dāng)炸藥處于鉆孔下部時(shí)，鉆孔周邊裂隙擴(kuò)展弱于炸藥在鉆孔中心時(shí)。

水環(huán)保壓裝置使炸藥始終處于鉆孔、水體中心，環(huán)向約束炸藥，減少炸藥爆炸徑向能量損失，增強(qiáng)炸藥作用于煤體上的能量。水環(huán)保壓裝置內(nèi)部設(shè)置聚能槽，使得存水保壓、聚能一體化，起到有效的聚能定向卸壓作用。

2.4 材料參數(shù)

對(duì)于模擬中煤體材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤體參數(shù)Table 1 Coal parameters

煤體采用彈塑性材料本構(gòu)模型，通過(guò)LSDYNA中關(guān)鍵字MAT_PLASTIC_KINEMATIC 進(jìn)行定義。

聚能管用LSDYNA 中MAT_PLASTIC_KINEMATIC 進(jìn)行定義，見(jiàn)表2。

表2 聚能管參數(shù)Table 2 Parameters of concentrator

炸藥采用三級(jí)乳化炸藥， 用LSDYNA 中MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 定義炸藥，用JWL狀態(tài)方程描述炸藥變化，見(jiàn)表3。

表3 炸藥參數(shù)Table 3 Explosive parameters

水采用LSDYNA 中的MAT_NULL 材料模型，狀態(tài)方程通過(guò)GRUNEISEN 定義，參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 水參數(shù)Table 4 Water parameters

空氣采用LSDYNA 中的MAT_NULL 材料模型，狀態(tài)方程通過(guò)LINEAR_POLYNOMIAL 定義，參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 空氣參數(shù)Table 5 Air parameters

3 聚能爆注理論分析

當(dāng)聚能爆注在煤體中作用時(shí)，根據(jù)煤體的破壞特征，可將爆注影響區(qū)域分為3 個(gè)區(qū)域：粉碎區(qū)、裂隙區(qū)及爆注震動(dòng)區(qū)。由于聚能爆注中聚能管有聚集能量的作用，水環(huán)保壓裝置的環(huán)向約束減少炸藥徑向能量損失作用，則在聚能槽方向的影響范圍會(huì)比深孔爆破的范圍大，在計(jì)算中使用高爆速來(lái)替代聚能管中聚能槽的聚能作用。參數(shù)使用2.4 節(jié)中數(shù)值參數(shù)。此數(shù)值參數(shù)為文中礦井參數(shù)，得出的結(jié)果與后文現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)照。印證數(shù)值模擬中破碎區(qū)、裂隙區(qū)階段。

3.1 聚能爆注粉碎區(qū)范圍計(jì)算

在聚能爆注時(shí)，炸藥所形成的爆破沖擊波遠(yuǎn)大于煤體的抗壓強(qiáng)度，煤體受力破碎。由于粉碎區(qū)處于煤體的約束條件下,沖擊波的大部分能量消耗于煤體的塑性變形、粉碎和加熱等方面，致使沖擊波的能量急速下降，沖擊波能量不足以壓碎煤體，則粉碎區(qū)的半徑小，其估算公式[24]為

式中，Rc為粉碎區(qū)半徑，m；Rb為聚能爆注后的空腔半徑，m；σc為煤體的單軸抗壓強(qiáng)度，Pa；ρs為煤體密度，kg/m3；c為煤體縱波波速，取1 200～1 500 m/s。

聚能爆注后形成的空腔半徑為

式中，rb為炮孔半徑，0.037 5 m；pm為炸藥的平均爆壓，Pa；σ0為多向應(yīng)力條件下的煤體強(qiáng)度，Pa。

式中，D為炸藥爆速，m/s。

將參數(shù)代入式(1)得Rc=0.112 m。

3.2 聚能爆注裂隙區(qū)范圍計(jì)算

當(dāng)沖擊波通過(guò)粉碎區(qū)后，繼續(xù)向煤體傳播，其能量衰減，不足以引起煤體變形破碎，這時(shí)高溫高壓氣體通過(guò)粉碎區(qū)，進(jìn)入煤體裂隙中，在裂隙中形成拉伸應(yīng)力。由于煤體的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，則煤體易形成拉伸破壞。當(dāng)氣體形成的拉伸應(yīng)力大于煤體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，煤體拉伸破壞，裂隙擴(kuò)展。按爆生氣體的準(zhǔn)靜壓作用下，聚能方向的裂隙區(qū)計(jì)算公式[24]為

其中，pj為作用于炮孔壁的準(zhǔn)靜壓力，Pa;σt為煤體的抗拉強(qiáng)度，Pa。炮孔不耦合裝藥時(shí)為

式中，rc為水體和炸藥總體半徑，0.035 5 m。將參數(shù)代入式(5)得Ra=2.509 m。

3.3 聚能爆注震動(dòng)區(qū)范圍計(jì)算

在裂隙區(qū)外，爆破沖擊波和高溫高壓氣體所產(chǎn)生的應(yīng)力不足以引起煤體的拉壓破壞，只能引起煤體單位質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，煤體局部震動(dòng)。震動(dòng)區(qū)的計(jì)算公式[24]為

式中，Rs為聚能爆注震動(dòng)區(qū)半徑，m；q為單位體積煤體裝藥量，1.2 kg/m3。

將參數(shù)代入式(7)得Rs=1.59 m。

綜上所述，本次研究聚能爆注工藝的擴(kuò)展裂隙影響范圍，其范圍包括聚能爆注粉碎區(qū)和聚能爆注裂隙區(qū)，則影響范圍R為

將參數(shù)代入式(8)得R=2.621 m。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 工程概況

薛湖煤礦29020 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面位于-780 m水平，巷道標(biāo)高為-770～-841 m，地面標(biāo)高為+37.8～+38.1 m，29020 回風(fēng)巷位于井田東翼29 采區(qū)西部，東鄰29 采區(qū)回風(fēng)大巷，西為未開(kāi)采區(qū)域，南鄰東翼軌道大巷，北鄰29020 回風(fēng)巷底抽巷。二2 煤層瓦斯壓力0.16～1.9 MPa，瓦斯含量6.2～15.0 m3/t，二2 煤層破壞類型屬于Ⅲ～Ⅳ類煤，煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.220 0～0.405 9，煤層的瓦斯放散初速度為12.957～14.000。

4.2 確定聚能爆注半徑方法

由于無(wú)法有效觀測(cè)煤體內(nèi)部裂隙擴(kuò)展情況，為了合理確定水環(huán)保壓下聚能爆注的影響半徑，通過(guò)瓦斯參數(shù)測(cè)試儀測(cè)定測(cè)試孔內(nèi)爆注前后的瓦斯參數(shù)變化，如圖22 所示。

爆注后，由于裂隙擴(kuò)展，會(huì)引起鉆孔內(nèi)的瓦斯參數(shù)變化，則在現(xiàn)場(chǎng)采用聚能爆注前后觀測(cè)孔內(nèi)瓦斯參數(shù)的變化差值來(lái)衡量爆注影響范圍的方法。在實(shí)施爆注前測(cè)量各測(cè)試孔穩(wěn)定的鉆孔流量、瓦斯體積分?jǐn)?shù)，并計(jì)算純量；爆注后，測(cè)量各測(cè)試孔鉆孔流量、瓦斯?jié)舛?，并?jì)算純量。通過(guò)對(duì)比測(cè)試孔在爆注前后的瓦斯參數(shù)差值，確定測(cè)試孔是否在爆注影響范圍內(nèi)，從而得出爆注影響范圍的大小。

在29020 回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面同一水平位置上順煤層施工聚能爆注孔和測(cè)試孔，爆注孔直徑為75 mm，測(cè)試孔直徑為42 mm，乳化炸藥與雷管裝入裝置內(nèi)管胎囊，裝藥長(zhǎng)度5 m。聚能爆注孔和測(cè)試孔1 間距1.5 m，其余各測(cè)試孔與前一測(cè)試孔間隔0.5 m，如圖23、24 所示。為消除測(cè)試孔中空隙對(duì)爆注沖擊波的影響，后一測(cè)試孔的深度大于前一測(cè)試孔1 m。聚能爆注孔深度8 m，測(cè)試孔1 深度3 m，測(cè)試孔2 深度4 m 等。

圖24 聚能爆注孔剖視Fig.24 Section view of energy-accumulating blasting hole

將聚能槽水平放置，插入鉆孔，裝置深入孔底。聚能爆注孔使用水泡泥封孔，封孔長(zhǎng)度2 m。雷管一根。測(cè)試孔插入篩管與實(shí)管，封孔劑封孔，聯(lián)通負(fù)壓抽采管路。瓦斯參數(shù)儀通過(guò)管路上孔嘴測(cè)試孔內(nèi)瓦斯參數(shù)。根據(jù)學(xué)者們研究和工程經(jīng)驗(yàn)，爆注的裝藥量[24]為

式中，Qs為爆注裝藥量，kg；W為最小抵抗線，m。

將參數(shù)代入式(9)中得Qs=4.8 kg。則試驗(yàn)中裝藥量取5 kg。

4.3 結(jié)果分析

從圖25 可以看出，測(cè)試孔1 聚能爆注前鉆孔流量為0.050～0.105 m3/min，純量為0.45～0.55 m3/min，聚能爆注后鉆孔流量為0.110～0.135 m3/min，純量為0.55～0.85 m3/min，鉆孔流量平均增長(zhǎng)40.07%，純量平均增長(zhǎng)52.86%。測(cè)試孔1 受聚能爆注應(yīng)力波和爆生氣體的影響，鉆孔周圍裂隙擴(kuò)展，周邊煤體滲透性增加，瓦斯涌入測(cè)試孔中。聚能爆注后鉆孔內(nèi)瓦斯參數(shù)變化明顯。

圖25 測(cè)試孔1 爆注前后參數(shù)對(duì)比Fig.25 Comparison of parameters before and after blasting of holes 1

從圖26 可以看出，測(cè)試孔2 聚能爆注前鉆孔流量為0.20～0.22 m3/min，純量為0.40～0.55 m3/min，聚能爆注后鉆孔流量為0.30～0.36 m3/min，純量為0.6～0.9 m3/min，鉆孔流量平均增長(zhǎng)65.11%，純量平均增長(zhǎng)70.37%。測(cè)試孔2 受聚能爆注應(yīng)力波和爆生氣體的影響，鉆孔周圍裂隙擴(kuò)展，由于測(cè)試孔的布置方式為階梯式布置，測(cè)試孔1 孔深較短，測(cè)試孔1 深部煤體裂隙擴(kuò)展至測(cè)試孔2，瓦斯涌入測(cè)試孔2。聚能爆注后鉆孔內(nèi)瓦斯參數(shù)變化明顯。

圖26 測(cè)試孔2 爆注前后參數(shù)對(duì)比Fig.26 Comparison of parameters before and after blasting of holes 2

從圖27 可以看出，測(cè)試孔3 聚能爆注前鉆孔流量為0.40～0.55 m3/min，純量為0.6～0.8 m3/min，聚能爆注后鉆孔流量為0.600～0.705 m3/min，純量為0.85～1.20 m3/min，鉆孔流量平均增長(zhǎng)34.36%，純量平均增長(zhǎng)53.80%。測(cè)試孔3 受聚能爆注應(yīng)力波和爆生氣體的影響，鉆孔周圍裂隙擴(kuò)展，孔2 深部煤體裂隙擴(kuò)展，孔3 和孔4 間煤體裂隙擴(kuò)展貫通孔3，但未貫通孔4，煤體瓦斯進(jìn)入孔3，聚能爆注后鉆孔內(nèi)瓦斯參數(shù)變化明顯。

圖27 測(cè)試孔3 爆注前后參數(shù)對(duì)比Fig.27 Comparison of parameters before and after blasting of holes 3

從圖28 可以看出，測(cè)試孔4 聚能爆注前鉆孔流量為0.50～0.75 m3/min，純量為0.205～0.250 m3/min，聚能爆注后鉆孔流量為0.43～0.50 m3/min，純量為0.125～0.150 m3/min，鉆孔流量平均增長(zhǎng)-35.65%，純量平均增長(zhǎng)-41.03%。測(cè)試孔4 受聚能爆注影響，由于孔3 和孔4 間煤體裂隙擴(kuò)展貫通孔3，但未貫通孔4，孔3 和孔4 之間的煤體瓦斯解吸涌入孔3，導(dǎo)致聚能爆注后鉆孔4 內(nèi)瓦斯參數(shù)對(duì)比聚能爆注前均有所下降。

圖28 測(cè)試孔4 爆注前后參數(shù)對(duì)比Fig.28 Comparison of parameters before and after blasting of holes 4

從圖29 可以看出，測(cè)試孔5 聚能爆注前鉆孔流量為0.004～0.043 m3/min，純量為0.04～0.27 m3/min，聚能爆注后鉆孔流量為0.010～0.033 m3/min，純量為0.05～0.28 m3/min，鉆孔流量平均增長(zhǎng)13.58%，純量平均增長(zhǎng)21.15%。測(cè)試孔5 未受聚能爆注應(yīng)力波和爆生氣體的影響，鉆孔周圍裂隙不擴(kuò)展，聚能爆注后鉆孔內(nèi)瓦斯參數(shù)對(duì)比聚能爆注前變化不明顯。

綜上，確定聚能爆注孔到測(cè)試孔3 的距離為薛湖煤礦局部水環(huán)保壓下聚能爆注卸壓的影響半徑，為2.5 m。在薛湖煤礦工作面以鉆孔間距5 m 布置聚能爆注孔，局部裂隙擴(kuò)展，集中應(yīng)力得到轉(zhuǎn)移與釋放，瓦斯鉆孔驗(yàn)證指標(biāo)有所下降，通過(guò)對(duì)比分析，解吸值Δh2由試驗(yàn)前的130～150 Pa 降至100～120 Pa，鉆屑量S由試驗(yàn)前的3.3～4.5 kg/m 降至3.0～3.8 kg/m。

5 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)一種水環(huán)保壓裝置，對(duì)局部聚能爆注有著良好的存水效果，炸藥始終處于鉆孔、水體的中心。水的低壓縮性能夠聚集炸藥能量，炸藥能量均勻作用于煤體，且鉆孔壁、裝置的環(huán)向約束能夠使聚能爆注環(huán)向受壓，減少聚能爆注徑向能量損失。水環(huán)保壓裝置內(nèi)部設(shè)置聚能槽，使得存水保壓、聚能一體化，能夠起到有效的聚能定向卸壓作用。

(2)通過(guò)數(shù)值模擬，水耦合能夠聚集炸藥爆炸的能量，減少炸藥爆轟時(shí)環(huán)向能量損失，均勻作用在煤體上，但減弱了聚能爆注的定向作用。通過(guò)在水介質(zhì)和鉆孔間設(shè)置聚能管，能夠起到有效的聚能定向作用，定向擴(kuò)展裂隙。炸藥處于鉆孔、水體中心時(shí)裂隙擴(kuò)展、爆注空腔面積均優(yōu)于炸藥處于鉆孔、水體下部時(shí)。證明了水環(huán)保壓裝置的優(yōu)勢(shì)。

(3)在薛湖煤礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比聚能爆注前后鉆孔內(nèi)瓦斯參數(shù)的變化，確定薛湖煤礦局部水環(huán)保壓下聚能爆注定向卸壓的影響半徑為2.5 m，且實(shí)施聚能爆注后解吸值 Δh2和鉆屑量S指標(biāo)均有所下降。