低透氣煤層雙孔預裂爆破增透有效影響范圍研究*

王公忠，趙文彬

(1.河南工程學院 安全工程學院，鄭州 451191；2.山東科技大學 安全與環(huán)境工程學院，青島 266590)

煤層深孔預裂爆破增透技術(shù)能夠顯著提高低透氣性煤層瓦斯的抽采效率，炸藥在煤體深部爆炸后，產(chǎn)生壓縮粉碎圈和貫穿控制孔爆破裂隙面，壓縮粉碎圈和爆破裂隙面的形成，可有效增加煤層透氣性，提高瓦斯抽放率。在預裂爆破施工工藝、理論計算和數(shù)值模擬等方面，國內(nèi)外許多專家、學者對深孔預裂爆破技術(shù)進行了系統(tǒng)的研究，并取得了一定的成果[1-6]。梁冰、丁學丞等采用數(shù)值模擬的研究方法研究了雙孔連續(xù)爆破應力波的傳播過程及對煤層影響的范圍[7]。劉澤功、蔡峰利用二維數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試相結(jié)合方法，分析了爆破孔間距對爆生裂紋和增透效果的影響[8,9]。徐偉通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場檢驗，得出高瓦斯低透氣煤層松動爆破合理間距[10]。劉健、劉澤功分析爆破載荷作用下試樣的動態(tài)力學特性和裂紋擴展特性，得出裂紋主要是由壓縮波與卸載波共同作用形成的，裂紋擴展方向與炮孔軸線方向垂直[11]。穆朝民對定向聚能爆破控制裂紋演化方向的理論和方法進行研究[12]。龔敏[13]、余永強等利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場應用對低透氣性煤層進行了控制爆破，以此來提高瓦斯抽采效率[14]。

綜上，目前煤層預裂爆破增透主要以單孔起爆和兩孔連續(xù)起爆兩種爆破方式為主，不同爆破方法對煤體的破壞范圍不同。而對于兩孔連續(xù)爆破不耦合裝藥結(jié)構(gòu)研究較少。

采用LS-DYNA 分析軟件，以新安煤礦二1煤層預裂增透為研究對象，建立6個兩孔連續(xù)爆破模型，采用耦合裝藥結(jié)構(gòu)和不耦合結(jié)構(gòu)的有限元計算模型，進行煤層介質(zhì)雙孔預裂爆破的數(shù)值模擬，分析了雙孔同時起爆應力波的傳播特性，為低透氣性煤層預裂增投提高瓦斯抽采效率提供依據(jù)。

1 新安煤礦二1煤層雙孔預裂爆破數(shù)值模型

1.1 新安煤礦預裂爆破工作面概況

新安煤礦受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制，全層構(gòu)造軟煤發(fā)育、煤體結(jié)構(gòu)達到Ⅲ～Ⅴ類，煤層厚度變化大、透氣性差。其主采的二1煤層具有瓦斯突出危險性。15150工作面在位于15采區(qū)下山，煤厚為2.0～7.2 m，平均煤厚3.2 m，比較穩(wěn)定，性脆，易破碎。工作面煤層煤體堅固性系數(shù)在0.17～0.38，透氣性系數(shù)為[0.028～0.13 m2/(MPa2·d)]，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為(0.054d-1～0.058d-1)，瓦斯放散初速度ΔP為9.5～29.5，煤層測定a值為27.448～35.512 m3/t，b值為0.515～0.762 Mp-1。

二1煤層賦存于下二疊統(tǒng)山西組下部，位于大占砂巖和二1煤層底板砂泥巖之間，頂板巖性：該工作面二1煤偽頂局部發(fā)育，偶見黑色炭質(zhì)泥巖，松軟易碎0～0.5 m；二1煤層直接頂板主要為泥巖，厚度2.2 m，比較穩(wěn)定，性脆，易破碎。老頂為灰色-淺灰色中粒石英砂巖，層面富集云母片，具斜層理，厚19.2 m。底板巖性：二1煤層底板主要為砂質(zhì)泥巖，少量為粉砂巖或細砂巖，厚度10.1 m。老底為硅質(zhì)泥巖，厚度5.2 m，巖層硬度較大。

1.2 數(shù)值模擬參數(shù)

采用有限元軟件LS-DYNA建立模型，數(shù)值模型單位制為g-mm-μs。共建立6個爆破模型，模型尺寸均為為14 m×8 m，兩炮孔直徑均為80 mm。①模型1:炮孔間距為 4 m，藥卷直徑64 mm。②模型 2:炮孔間距為 4 m，藥卷直徑80 mm。③模型3:炮孔間距為6 m，藥卷直徑64 mm。④模型 4:炮孔間距為 6 m，藥卷直徑80 mm。⑤模型5:炮孔間距為8 m，藥卷直徑64 mm。⑥模型6:炮孔間距為8 m，藥卷直徑80 mm。模型劃分網(wǎng)格單元采用六面體Solid164實體單元，在劃分網(wǎng)格時，靠近炸藥的部分應力應變比較復雜，因此網(wǎng)格劃分相對于其他部分相對細密。巖石和堵塞材料采用Lagrange網(wǎng)格，空氣和炸藥材料選用Euler網(wǎng)格，通過關(guān)鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID來定義巖體物質(zhì)、炮泥與炸藥等流體物質(zhì)之間的流固耦合作用。

由于模型的炮孔大小和相對位置在縱向上不隨模型的尺寸而變化，因此將模型簡化為二維的平面應變模型，模擬研究過程建立3D的單層網(wǎng)格模型，即在厚度的方向為單層網(wǎng)格施加位移約束，能夠更真實的模擬巖石中的爆破情況。根據(jù)對稱性簡化模型，建立1/4模型。在模型的上邊界和右邊界施加無反射邊界條件，以消除爆炸應力波在模型邊界發(fā)生反射現(xiàn)象，從而形成拉伸應力波對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。模型的左邊界和下邊界施加對稱約束。煤層與頂?shù)装逦锢砹W參數(shù)見表1，炸藥與JWL狀態(tài)方程參數(shù)見表2。

表1 煤層與頂?shù)装逦锢砹W參數(shù)Table 1 The physical and mechanics parameters of the coal seam and roof and floor

表2 炸藥與JWL狀態(tài)方程參數(shù)Table 2 The parameter of explosive and JWL

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 爆破應力波傳播及裂紋擴展規(guī)律分析

炸藥在無限介質(zhì)中爆炸時，爆炸能量將以藥包中心為球心，呈同心球向四周傳播。爆破作用將形成粉碎圈、裂隙圈和振動圈。圖1～圖6為不同爆破模型爆破應力波傳播及裂紋擴展規(guī)律。兩炮孔在爆破初期以各自藥包中心為球心，呈同心球向四周傳播，隨傳播距離的增加而不斷衰減。當應力波傳播至兩爆破孔連線的中心處相遇(圖1～圖6中(a)所示)；然后會發(fā)生應力波疊加效應(圖1～圖6中(b)所示)；最終兩炮孔應力波傳播及裂紋擴展(圖1～圖6中(c)所示)。

由圖1～圖6可以看出：隨著孔間距的增加應力波發(fā)生疊加現(xiàn)象的時間越晚，且應力波疊加效應會沿著爆破孔連線的中心處垂直方向發(fā)展；不耦合裝藥破碎圈半徑明顯小于耦合裝藥破碎圈半徑。經(jīng)量取孔間距為 6 m，不耦合系數(shù)為1.25時，粉碎圈半徑為155 mm，是6種爆破模型中最小，孔間距為 4 m，耦合裝藥時，粉碎圈半徑為212 cm，是6種爆破模型中最大；不耦合裝藥裂隙圈半徑明顯大于耦合裝藥裂隙圈半徑，孔間距為 6 m，不耦合系數(shù)為1.25時，裂隙圈半徑為3500 mm，是6種爆破模型中最大，孔間距為 4 m，耦合裝藥時，裂隙圈半徑為2180 mm，是6種爆破模型中最小。

炸藥在無限介質(zhì)中爆炸初期，作用在藥室壁面上的初始壓力遠遠高于煤巖體的抗壓能力，致使藥包附近產(chǎn)生粉碎破壞，且消耗能量較多。對比圖1～圖6，可以看出，孔間距為 6 m 時，不耦合系數(shù)為1.25時，裂紋密度最均勻，裂隙圈半徑最大。原因一:爆破孔孔間距越小，疊加應力衰減就會越快，致使能量浪費，從而影響裂紋的擴展；若孔間距越大，雖然疊加應力衰減很慢，但發(fā)生疊加應力效應前的原始應力就會越小，達不到煤巖材料的失效準則，煤體裂隙的就不會繼續(xù)擴展。原因二：不耦合裝藥粉碎圈半徑，能量損失小。綜合所得最佳爆破孔間距為6 m，不耦合系數(shù)1.25。

2.2 單元壓力峰值對比分析

為了對比分析6種爆破模型爆炸應力波在炮孔周圍巖體的分布和衰減規(guī)律，對每個計算模型的炮孔連心線的中心位置單方向每隔50 cm選取一個典型單元，直至炮孔周圍粉碎圈處。將單元壓力隨著炮孔連心線與中心單元位置的距離變化趨勢擬合成曲線，如圖7所示。從圖7變化曲線可以看出，在沿炮孔連心線走向方向，6種計算模型單元壓力峰值變化趨勢是一致的，隨著應力波向炮孔連心線的中心位置傳播各單元壓力急劇衰減。當應力波在兩炮孔中心位置疊加時，單元壓力有所增加，更易于裂紋在炮孔中心處垂直方向的擴展。對比相同孔間距模型，可以發(fā)現(xiàn)不耦合系數(shù)1.25的炮孔周圍單元壓力峰值大于耦合裝藥的炮孔周圍單元壓力，這說明了耦合裝藥起爆時在炮孔粉碎圈損耗了大量能量。

3 現(xiàn)場爆破試驗

為驗證數(shù)值模擬的合理性，在新安煤礦15150工作面瓦斯巷分別進行了炮孔間距為4 m、6 m、8 m兩孔連續(xù)爆破的爆破試驗，分別采用耦合裝藥結(jié)構(gòu)和不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，對6個試驗區(qū)爆破孔中間位置考察孔進行了為期15 d的瓦斯?jié)舛燃傲髁坑^測，如圖8所示。間距 6 m、8 m，不耦合系數(shù)1.25，爆破試驗考察孔累計瓦斯抽采純量分別為465 m3、385 m3，抽采效果明顯，間距 4 m，耦合裝藥時，爆破試驗考察孔累計瓦斯抽采純量為290 m3，抽采效果不佳。說明雙孔爆破試驗兩爆破孔間距在6 m、8 m范圍內(nèi)對煤層均產(chǎn)生了有效的塑性破壞，但6 m的效果更好，這與數(shù)值模擬中兩爆破孔合理布置間距為6 m，不耦合系數(shù)1.25一致。

4 結(jié)論

(1)爆破應力波在煤體中的傳播以爆破中心為起點，呈圓形向四周傳播，隨著孔間距的增加應力波發(fā)生疊加現(xiàn)象的時間越晚，且隨著爆破距離的增大不斷衰減，應力波疊加效應會沿著爆破孔連線的中心處垂直方向發(fā)展。

(2)煤體雙孔連續(xù)爆破模型，不耦合裝藥破碎圈半徑明顯小于耦合裝藥破碎圈半徑，作用于粉碎圈的爆炸能量消耗小，有利于爆破應力波傳播及裂紋擴展，且裂紋密度均勻；不耦合裝藥裂隙圈半徑明顯大于耦合裝藥裂隙圈半徑，能夠顯著提高低透氣性煤層瓦斯的抽采效率。

(3)炮孔間距為4 m時，炮孔水平方向及2個爆破孔連線的中心處垂直方向煤體裂紋擴展良好，但在炮孔中心45°方向裂紋發(fā)育不好；炮孔間距為8 m時，不耦合裝藥煤體裂紋擴展明顯好于耦合裝藥，而在耦合裝藥時，爆破孔連線的中心處垂直方向及炮孔中心45°方向煤體裂紋擴展不好；炮孔間距為6 m，不耦合系數(shù)1.25時，裂紋密度最均勻，裂隙圈半徑最大。

(4)依據(jù)新安煤礦的煤質(zhì)條件，雙孔爆破模型兩爆破孔合理布置間距為6 m，不耦合裝藥系數(shù)1.25?？拙? m與8 m爆破模型均在爆破孔連心線中點附近的單元產(chǎn)生了塑性破壞，但孔距6 m比孔距8 m爆破孔模型產(chǎn)生的塑性破壞強烈，可以顯著提高煤層瓦斯?jié)B透率，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)基本吻合。