巷幫爆破卸壓效果數(shù)值模擬研究

孫文斌 薛彥超 周 斐 邵建立

(山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東省青島市，266590)

隨著煤炭工業(yè)發(fā)展，淺部煤炭資源越來(lái)越少，深井開(kāi)采成為煤礦開(kāi)采的常態(tài)。深井開(kāi)采面臨巷道難支護(hù)、巖爆防治等難題。目前，巷道鉆孔爆破卸壓是防止巖爆的主要方法，可有效降低應(yīng)力峰值，使圍巖應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，改善巷道受力條件。在實(shí)施卸壓爆破的過(guò)程中，如何在保證卸壓效果的前提下，又不使爆破對(duì)巷道產(chǎn)生不利的損害，是爆破卸壓的關(guān)鍵所在。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者就巷道卸壓進(jìn)行了大量的研究。李俊平等采用顯式非線性動(dòng)力分析有限元程序ANSYS/LS-DYNA與FLAC3D相結(jié)合的方法，模擬了動(dòng)、靜態(tài)硬巖巷幫鉆孔爆破卸壓過(guò)程，分析了不同施工條件對(duì)卸壓效果的影響；楊增強(qiáng)等應(yīng)用FLAC3D對(duì)深井條件兩類典型巷道沖擊巷幫煤體破壞機(jī)理進(jìn)行了分析，研究了水射流卸壓技術(shù)對(duì)巷幫煤體應(yīng)力集中區(qū)二次分布影響，提出了基于“強(qiáng)弱強(qiáng)”三重防沖結(jié)構(gòu)的水射流卸壓防沖方法；宋希賢等采用RFPA2D-Dynamic模擬和分析動(dòng)載荷作用下巷道圍巖動(dòng)態(tài)損傷破壞發(fā)展以及圍巖中應(yīng)力場(chǎng)重新分布的過(guò)程，揭示動(dòng)力擾動(dòng)下深部巷道卸壓孔與錨桿聯(lián)合支護(hù)的作用機(jī)理。諸多學(xué)者運(yùn)用數(shù)值模擬軟件分析了巷道卸壓前后圍巖應(yīng)力狀態(tài)分布特征，表現(xiàn)了數(shù)值模擬在應(yīng)用卸壓爆破的可行性。但這些研究只進(jìn)行了隱式算法或顯式算法其中一種模擬，沒(méi)有充分考慮初始地應(yīng)力的影響，但在高地應(yīng)力條件下卸壓爆破，初始地應(yīng)力對(duì)爆破卸壓影響是較大的，因此進(jìn)行隱式—顯式轉(zhuǎn)化是十分必要的。

本文利用ANSYS Multiphysics/LS-DYNA中的隱式算法和顯式算法對(duì)巷道圍巖進(jìn)行爆破模擬，分析圍巖介質(zhì)的應(yīng)力、能量變化以及損傷分布特征，為深部巖石巷道卸壓爆破參數(shù)設(shè)計(jì)提供一定理論指導(dǎo)。

1 工程概況

華豐煤礦某工作面位于七采區(qū)東部，工作面走向長(zhǎng)456 m，傾向長(zhǎng)209 m。煤層底板標(biāo)高-1100～-1200 m，平均-1159 m。根據(jù)工作面沖擊危險(xiǎn)性多因素評(píng)價(jià)，在工作面范圍內(nèi)，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域位置、危險(xiǎn)程度進(jìn)行疊加。通過(guò)疊加，將這些危險(xiǎn)區(qū)域劃分為一般危險(xiǎn)區(qū)、中度危險(xiǎn)區(qū)和高度危險(xiǎn)區(qū)三類，如圖1所示。由圖1可知，綠色代表一般危險(xiǎn)區(qū)，黃色代表中度危險(xiǎn)區(qū)，紅色代表高度危險(xiǎn)區(qū)。在工作面開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行防治，采用巷道爆破卸壓，消除沖擊危險(xiǎn)性。

圖1 多因素耦合評(píng)價(jià)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)劃分

2 巷道爆破卸壓機(jī)理

通過(guò)巷道爆破卸壓，改變了巖石的有效彈性模量，巷道圍巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中程度大大降低，起到了改變巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)的效果。爆破一般是內(nèi)部爆破，作用范圍有限，不波及卸壓區(qū)巷道圍巖表面。根據(jù)內(nèi)部爆破作用機(jī)理，爆炸的影響區(qū)域有空腔、壓碎區(qū)、裂隙區(qū)、震動(dòng)區(qū)，如圖2所示，Rb為空腔半徑，Rc為壓碎區(qū)半徑，Rp為裂隙區(qū)半徑，Rs為震動(dòng)區(qū)半徑。

1-擴(kuò)大空腔；2-壓碎區(qū)；3-裂隙區(qū)；4-震動(dòng)區(qū)圖2 爆炸致裂的破壞分區(qū)示意

由圖2可以看出，從炮孔壁面開(kāi)始，隨著爆炸波的不斷傳遞，爆炸波會(huì)出現(xiàn)不同的形式，如爆炸沖擊波、爆炸應(yīng)力波和地震波。爆炸后產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物撞擊孔壁，產(chǎn)生非常高的爆炸壓力，超過(guò)了巖石的介質(zhì)動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度。隨后，在炮孔四周形成破壞區(qū)，在破碎邊緣，沖擊波轉(zhuǎn)化為應(yīng)力波，在傳播的過(guò)程中以彈性波的形式向煤巖體內(nèi)部傳播，經(jīng)過(guò)波的作用，煤巖體徑向壓應(yīng)力強(qiáng)度已經(jīng)低于巖石介質(zhì)的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，但是波在傳播中產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力仍遠(yuǎn)大于巖石介質(zhì)的動(dòng)抗拉強(qiáng)度，此時(shí)，巖體將產(chǎn)生拉伸破壞。由于巖體產(chǎn)生了破壞，在粉碎區(qū)形成了貫通的徑向裂隙，在彈性能的作用下徑向裂隙轉(zhuǎn)換成環(huán)向裂隙。隨著應(yīng)力波的繼續(xù)傳播，其強(qiáng)度逐漸衰減，轉(zhuǎn)化成地震波，并在距離較遠(yuǎn)的巖體中產(chǎn)生爆破震動(dòng)區(qū)。從爆破卸壓的作用過(guò)程可以看出，巷道爆破卸壓的主要特征為硬化爆點(diǎn)附近軟巖、形成空腔和裂隙區(qū)，最終形成長(zhǎng)度為炮孔長(zhǎng)度和裂隙區(qū)半徑之和的卸壓區(qū)，使高應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移到圍巖深部較遠(yuǎn)的卸壓區(qū)。

3 數(shù)值計(jì)算模擬的建立

3.1 模型各材料參數(shù)及其狀態(tài)方程

本文運(yùn)用有限元程序ANSYS Multiphysics /LS-DYNA3D，先對(duì)巷道圍巖模型進(jìn)行了圍巖初始應(yīng)力隱式分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行隱式—顯式轉(zhuǎn)換，繼而進(jìn)行巖石爆破的顯式分析模擬，觀測(cè)卸壓效果。

對(duì)高能炸藥的爆轟產(chǎn)物，采用JWL狀態(tài)方程表達(dá)爆轟過(guò)程中壓力和比容的關(guān)系：

(1)

式中：p——壓力，GPa；

A、B——炸藥特性參數(shù)，GPa；

R1、R2——炸藥特性參數(shù)；

ω——格林愛(ài)森參數(shù)；

E——爆轟產(chǎn)物的初始比內(nèi)能，GPa；

V——爆轟產(chǎn)物的初始相對(duì)體積，取1。

選用巖石乳化炸藥，各參數(shù)選取如下：炸藥密度1.18 g/cm3，爆炸速度4800 m/s，爆炸壓力907 GPa，A取2.144 GPa，B取0.182 GPa，R1取4.2，R2取0.9，ω取0.15，E取4.192 GPa。

巖石模型選取能夠反映巖石等脆性材料在大應(yīng)變、高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的H-J-C模型，模型部分參數(shù)選取如下：靜態(tài)屈服強(qiáng)度f(wàn)c′取48 MPa，損傷因子D取1，巖石損傷常數(shù)D1、D2分別取0.04和1，材料的最大拉伸強(qiáng)度T取5 MPa。

3.2 動(dòng)力有限元計(jì)算模型

考察裝藥爆炸對(duì)巖石介質(zhì)破壞的影響，炮眼垂直于巷道表面，直徑為0.1 m，耦合裝藥長(zhǎng)度0.5 m。模型取1.2 m × 0.6 m的準(zhǔn)二維巖石域。模型的上下左右四面都加以無(wú)反射邊界條件以模擬無(wú)限體，垂直地應(yīng)力分別為10 MPa、20 MPa、30 MPa和40 MPa，爆破炮孔長(zhǎng)度分別取4.5 m、5.0 m和5.5 m。力學(xué)計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 動(dòng)力有限元力學(xué)計(jì)算模型

4 模擬結(jié)果分析

4.1 卸壓前后效果對(duì)比

模擬中垂直地應(yīng)力取30 MPa，爆破炮孔長(zhǎng)度取5.5 m，模擬分析研究爆破前后應(yīng)力變化特征及其損傷規(guī)律。巷道圍巖應(yīng)力爆破前后垂直應(yīng)力分布分別如圖4和圖5所示。由圖4可知，爆破前圍巖垂直應(yīng)力最大為86.3 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.88。在巷道肩角處，應(yīng)力集中程度較高，發(fā)生巖爆的可能性較大，巷道圍巖處于較不穩(wěn)定狀態(tài)。由圖5可知，爆破后，巷道圍巖應(yīng)力發(fā)生了轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中程度明顯降低，應(yīng)力峰值向爆破空腔附近轉(zhuǎn)移，巷道周圍圍巖應(yīng)力得到釋放。

圖4 爆破前垂直應(yīng)力分布

圖5 爆破后垂直應(yīng)力分布

圖6 t=5000 μs時(shí)刻應(yīng)力分布

t=5000 μs時(shí)刻應(yīng)力分布如圖6所示。由圖6可以看出，爆破對(duì)煤巖體造成損傷，爆源邊緣損傷最嚴(yán)重，損傷范圍從爆源向周圍擴(kuò)散，損傷程度逐漸減小。該模型爆源附近損傷范圍大致為(按邊界損傷因子等于0.05確定)水平方向4 m左右，垂直方向2.5 m左右；從能量來(lái)看，爆破的同時(shí)釋放了圍巖本身積聚的大量彈性能，在模型中侵蝕內(nèi)能與侵蝕動(dòng)能之和為34.3627×109J，如圖7所示，解除了巖爆發(fā)生所具備的強(qiáng)度條件和能量條件，卸壓效果明顯。

圖7 t=5000 μs時(shí)刻能量損失曲線

4.2 巷道埋深對(duì)爆破卸壓效果的影響分析

為了研究埋深對(duì)爆破卸壓效果的影響，取垂直地應(yīng)力分別為10 MPa、20 MPa、30 MPa和40 MPa，炮孔長(zhǎng)度為5.5 m的4個(gè)模型進(jìn)行模擬分析。損傷半徑、侵蝕能量與地應(yīng)力關(guān)系圖如圖8所示。

圖8 損傷半徑、侵蝕能量與地應(yīng)力關(guān)系圖

由圖8可知，開(kāi)始隨著埋深的增加侵蝕能量與埋深之間呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，但當(dāng)埋深達(dá)到一定程度后，隨著埋深的增加，侵蝕能量基本保持不變。損傷半徑與埋深之間呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，損傷半徑隨著埋深的增加而增大。爆破卸壓范圍隨著埋深的增加而增加，炮孔淺時(shí)損傷程度超過(guò)炮孔長(zhǎng)度，影響巷道的另一幫。巷道進(jìn)行爆破前應(yīng)力峰值區(qū)位于巷道兩側(cè)，當(dāng)埋深較淺時(shí)，地應(yīng)力小，爆破應(yīng)力波遠(yuǎn)大于原巖應(yīng)力，在爆破中起主導(dǎo)作用；當(dāng)埋深較深時(shí)，在巷道為開(kāi)挖之前已經(jīng)處于高應(yīng)力狀態(tài)，巷道圍巖部分發(fā)生損傷破壞，在原始地應(yīng)力與爆破應(yīng)力波共同作用下，爆源附近損傷嚴(yán)重，巷道圍巖周圍損傷程度加劇，總體上損傷程度處于較高狀態(tài)。

4.3 炮孔長(zhǎng)度對(duì)卸壓效果的影響分析

為了研究炮孔長(zhǎng)度對(duì)卸壓效果的影響，取炮孔長(zhǎng)度分別為4.5 m、5.0 m和5.5 m，原始地應(yīng)力取30 MPa進(jìn)行研究分析。損傷單位面積、侵蝕能量與地應(yīng)力關(guān)系圖如圖9所示。由圖9可知，炮孔長(zhǎng)度不同，卸壓效果不同。炮孔深度與巷旁損傷面積呈負(fù)相關(guān)，隨著炮孔深度的不斷增加，巷旁損傷面積不斷減小。從模擬效果來(lái)看，當(dāng)炮孔深度為5.0 m時(shí)，侵蝕能量最小，當(dāng)炮孔深度為5.5 m時(shí)，侵蝕能量最大。巷道在實(shí)施卸壓爆破時(shí)，炮孔合理的長(zhǎng)度應(yīng)使爆炸產(chǎn)生的裂隙剛好完全吸收圍巖內(nèi)應(yīng)力，爆破產(chǎn)生的能量完全用于巷道圍巖的釋放。當(dāng)炮孔長(zhǎng)度較小時(shí)，爆破產(chǎn)生的能量大于卸載所需的能量，而多余的能量一部分傳遞到巷道表面，使巷道維護(hù)更加困難。炮孔長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，爆破產(chǎn)生的能量不能完全卸載圍巖內(nèi)的高應(yīng)力，同樣會(huì)造成巷道圍巖不穩(wěn)定。因此，合理的炮孔長(zhǎng)度對(duì)爆破卸壓至關(guān)重要。

圖9 損傷面積比、侵蝕能量與炮孔長(zhǎng)度關(guān)系圖

5 結(jié)論

本文利用ANSYS Multiphysics/LS-DYNA中的隱式—顯式轉(zhuǎn)換對(duì)巷道圍巖進(jìn)行爆破模擬，并在華豐煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，在此基礎(chǔ)上分析了圍巖介質(zhì)的應(yīng)力、能量變化以及損傷分布特征，得到以下結(jié)論：

(1)巖爆的產(chǎn)生是圍巖高應(yīng)力集中的結(jié)果，爆破卸壓可改變圍巖應(yīng)力分布，使圍巖應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，卸壓效果明顯。

(2)開(kāi)始隨著埋深的增加侵蝕能量與埋深之間呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，但當(dāng)埋深達(dá)到一定程度后，隨著埋深的增加侵蝕能量基本保持不變。損傷半徑與埋深之間呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，損傷半徑隨著埋深的增加而增大。

(3)炮孔深度與巷旁損傷面積呈負(fù)相關(guān)，隨著炮孔深度的不斷增加，巷旁損傷面積不斷減小。合理確定炮孔長(zhǎng)度，是控制爆破巖石的破壞范圍及破碎程度的關(guān)鍵。

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