爆轟應力波在高瓦斯煤層中的傳播和衰減特性

蔡 峰，劉澤功，LUO Yi

(1.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001；2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001；3.煤與煤層氣共采安徽省重點實驗室，安徽 淮南 232001；4.Department of Mining Engineering,West Virginia University,Morgantown,WV 26505,USA)

爆轟應力波在高瓦斯煤層中的傳播和衰減特性

蔡 峰1,2,3,4，劉澤功1,2，LUO Yi4

(1.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001；2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001；3.煤與煤層氣共采安徽省重點實驗室，安徽 淮南 232001；4.Department of Mining Engineering,West Virginia University,Morgantown,WV 26505,USA)

深孔預裂爆破技術是高瓦斯低透氣性煤層強化增透瓦斯抽采的重要途徑之一。以連續介質力學為基礎，建立了煤體在爆轟荷載作用下動態損傷本構模型，并將此模型嵌入非線性有限元程序LS-DYNA中，對爆轟應力波在不同彈性模量煤體中傳播和衰減特性進行了數值模擬；通過對現場深孔預裂爆破專用藥柱爆炸引起的爆破振動進行監測，獲得了爆轟應力波在高瓦斯煤層中的傳播和衰減特性，爆轟實驗結果與模擬結果基本吻合，驗證了所建立本構模型的合理性與正確性。研究表明：在傳播距離小于4.8m時，爆轟應力波具有較高的峰值，并迅速衰減，在傳播距離大于約4.8m以后，爆轟應力波峰值較低且衰減幅度逐漸趨于平緩。

爆轟應力波；衰減特性；高瓦斯煤層；深孔預裂爆破

目前國有重點煤礦70%以上為高瓦斯甚至煤與瓦斯突出礦井[1-2]，煤層低透氣性低(小于0.1m2/(MPa2·d))[3-4]。近年來，針對低透氣性煤層瓦斯抽采，傳統的辦法是在煤層中打較多的鉆孔進行抽采，鉆進工程量大，施工周期長，很難滿足礦井安全高效生產的要求，且難以獲得預期的抽采效果[5-6]，因而強化增透技術是提高低透氣性煤層抽采效果的必然途徑[7-8]。目前，在煤層強化增透方法主要分為兩大類：一是利用流體介質和流體機械相配合對煤體進行處理，如水力沖孔技術、水力割縫技術及水力壓裂技術等[9-10]；二是利用炸藥爆炸等途徑增加煤體裂隙，提高煤層透氣性，如深孔預裂爆破技術和煤層射孔技術等[11-12]。深孔預裂爆破技術的目的在于利用爆轟能量強化增加煤層透氣性，從而降低煤層瓦斯抽采的難度[13]。研究深孔預裂爆破增透的關鍵在于爆炸荷載作用下裂紋的演化機理和增透范圍，而若想從本質上了解裂紋分布及演化規律必須首先給出爆轟應力波在高瓦斯煤層中傳播特性。筆者建立了爆轟損傷本構方程，對高瓦斯煤在柱狀裝藥爆炸荷載作用下爆轟應力波的傳播特性進行了數值模擬和實驗研究。

1 爆轟損傷本構方程

以連續介質力學為基礎，建立煤體在爆轟荷載作用下的損傷演化方程。

1.1 爆轟損傷函數

(1)

式中，D為煤體在爆炸荷載作用下損傷前后模量相對變化；c0和c分別為煤體爆轟損傷前后彈性縱波波速。

1.2 損傷演化方程

(1)拉伸波作用下的損傷演化方程。

損傷能量釋放率為

(2)卸載波作用下的剪切損傷演化方程。

卸載波作用下剪切損傷在基于RDA模型[14-15]的應變率效應耦合原則下可以表述為

(2)

1.3 動態本構關系

煤體在拉伸和塑性剪切損傷后，仍然服從增量型虎克定律(其損傷統一用D表示)：

(3)

式中，Δeij為偏應變增量；G,K為剪切模量和體積模量；Δεkk為體應變增量。

式(1)～(3)構成了煤體爆轟損傷模型封閉方程組。

1.4 損傷判據

當煤體最大主應力σ1大于斷裂應力σf時，根據體積拉應力準則和最大主應力準則，則將發生斷裂，此時，壓縮強度Yc為零；否則，煤體屈服強度服從與拉伸損傷應變率有關的Mohr-Coulomb準則，即

1.5 爆破藥柱狀態方程

利用JWL狀態方程求得深孔預裂爆破專用藥柱起爆后藥柱單元體內的壓力P。JWL方程描述了爆破藥柱爆炸時化學能的轉化情況，表示為

式中，V為相對體積；A,B,R1,R2,ω為JWL方程參數。

2 數值模擬

2.1 數值模型

采用LS-DYNA軟件進行數值模擬。將本文定義的爆轟損傷本構方程的子程序嵌入LS-DYNA中，爆破藥柱采用JWL狀態方程描述，爆破藥柱和煤體具體數值見表1。表1中的ρ1和ρ2分別為深孔預裂爆破專用藥柱和煤體密度；DH為爆速；PCJ為炸藥爆轟壓力；E0為爆轟初始內能；G和K分別為煤體剪切模量和體積模量。

表1數值模擬參數
Table1Parametersofnumericalsimulation

ρ1/(g·cm-3)ρ2/(g·cm-3)PCJ/GPaDH/(m·s-1)A/GPaB/GPaR1R2ωE0/GPaG/MPaK/MPa1 211 2514 641003166 273 860 870 36 50 0080 01

在模擬過程中，通過改變煤體介質的彈性模量，分析探討爆轟應力波在不同彈性模量煤體中傳播與衰減規律，計算分析應力波的衰減與質點的受力的時間相關分析，分別取E=1.0，1.5，2.0和2.5GPa四種計算模型。

2.2 數值模擬結果及分析

圖1分析了距爆孔2.5m處煤體介質彈性模量變化對爆轟應力波傳播時間歷程的影響。由圖1可見，隨著煤體介質彈性模量增大，爆轟應力波傳播過程中的延遲效應減小，峰值隨之增大。如當煤體介質E=1.0GPa時，爆轟應力波的峰值為2.09MPa，而當煤體介質彈性模量E=2.5GPa時，應力波的峰值為4.74MPa，增加了2.63 MPa，增幅達到125.8%。通過數值模擬分析，應力波峰值的大小與煤體介質彈性模量的關系如圖2所示。

圖1 不同彈性模量時距爆孔2.5m處煤體點壓力時間歷程Fig.1 Curves of point pressure 2.5m to explosive of medium with time in different modulus

圖2 爆轟應力波峰值大小與彈性模量的關系Fig.2 Relationship between peak value of stress value and modulus

圖3顯示了不同彈性模量時，爆轟應力波峰值在傳播過程中的衰減特性。從圖3可以看出，爆轟應力波在4.8m范圍內傳播過程中迅速衰減，隨著煤體介質彈性模量增加，爆轟應力波隨傳播距離的衰減幅度越來越小，這說明爆轟應力波在較“軟”的介質中傳播時衰減的幅度較大。

圖3 不同彈性模量時爆轟應力波峰值與傳播距離的關系Fig.3 Relationship between peak value and propagation distance in different modulus

通過用數值模擬的方法，可發現爆轟應力波在煤體介質中的傳播和衰減規律：① 隨著煤體介質彈性模量的增加，爆轟應力波隨傳播距離的衰減幅度越來越??；② 如圖3所示，在傳播距離小于4.8m時，爆轟應力波具有較高的峰值，并迅速衰減，在傳播距離大于4.8m以后，爆轟應力波衰減幅度逐漸趨于平緩。

3 實驗研究

3.1 實驗系統布置

實驗在淮南礦業集團潘三礦長壁工作面回風巷進行。實驗煤層埋藏深度為720m，瓦斯含量為8.9m3/t，該煤層彈性模量為1.5GPa。爆孔施工鉆頭直徑為75mm，鉆孔深度為2m，在離爆孔間距分別為2.5，5.0，7.5，10.0和12.5m處各挖一個直徑約0.3 m，深約1.5m的空洞，要求空洞底部平整，然后用石灰及少量水混合成漿狀，將監測傳感器底部與空洞內煤體膠結成一個整體，裝藥、傳感器安裝結構和具體位置如圖4所示，傳感器選用TOPBOX508振動信號自記儀。

圖4 裝藥結構與傳感器布置示意Fig.4 The diagram of charge structure and layout sensor

爆破孔深為2m，裝藥1m，使用專用封孔裝置封孔1m。本次試驗使用的深孔預裂爆破藥柱具體參數見表2。

3.2 實驗結果與分析

藥管在煤層中爆破松動爆破過程中各傳感器最大振動速度測試結果見表3，各傳感器監測結果如圖5所示。

表2試驗用深孔預裂爆破藥柱具體參數
Table2Parametersofspecialtyexperimentalexplosive

序號項目性能指標1外部直徑/mm622裝藥密度/(g·cm-3)1 213專用傳爆體爆速/(m·s-1)72004三級煤礦許用水膠炸藥爆速/(m·s-1)41005可燃氣安全度(以半數引火量計)/g≥4006煤塵安全度(以半數引火量計)/g≥2507抗爆燃性合格8炸藥爆炸后有毒氣體含量/(L·kg-1)≤100

表3最大振動速度測試結果
Table3Thegreatestvibrationspeedtestresults

傳感器編號離炮孔的垂直距離S1/m傳感器靈敏度/mV最大垂直振幅/V最大振動速度/(cm·s-1)12 528 97 94274 7425 028 13 97141 2837 529 33 97135 49410 029 23 34114 38512 529 61 2843 24

圖5 各振動儀記錄監測結果Fig.5 The wave diagram of each self-recording instruments

通過對深孔預裂爆破專用藥柱爆炸引起的爆破振動監測，并在測得的波形圖上找出最大振幅，根據最大振幅和傳感器靈敏度之間的關系計算出最大振動速度，根據最大振動速度可以反映出煤體是否被破壞、松動及產生裂隙等。從實驗結果來看，爆孔孔口直徑2.5m范圍的煤產生了較大幅度的松動和破裂，在離爆孔孔口5m處最大振動速度高達112.38cm/s，足以使煤體破裂，但在7.5m處，最大振動速度僅為32.24cm/s，引起煤體的振動速度較小，有可能使煤體產生裂隙，但是從現場煤體表觀現象看，煤體松動小。從圖6可以看出，實驗結果與數值模擬結果基本吻合。

圖6 爆轟應力波傳播過程中峰值變化Fig.6 Change curves of peak values in the process of transmission of stress wave

4 結 論

(1)以連續介質力學為基礎，建立了爆轟損傷動態本構模型，并對爆轟應力波在不同彈性模量煤體中傳播和衰減特性進行了數值模擬，模擬結果與煤體爆轟實驗結果基本吻合，證明爆轟損傷本構模型可以有效的模擬煤體爆轟過程中的應力波傳播和動態損傷。

(2)隨著煤體介質彈性模量的增加，爆轟應力波隨傳播距離的衰減幅度越來越小。在傳播距離小于4.8m時，爆轟應力波具有較高的峰值，并迅速衰減，在傳播距離大于4.8m以后，爆轟應力波峰值較低且衰減幅度逐漸趨于平緩，因而在利用深孔預裂爆破專用藥柱進行強化增透時，有效松動半徑小于4.8m。

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Propagationandattenuationcharacteristicsofstresswavesgeneratedbyexplosioninhigh-gascoal-beds

CAI Feng1,2,3,4，LIU Ze-gong1,2，LUO Yi4

(1.SchoolofResourceandSafety,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China;2.KeyLaboratoryofIntegratedCoalExploitationandGasExtractionofAnhuiProvince,Huainan232001,China;3.KeyLabofMiningCoalSafelyandEfficientlyMiningConstructedbyAnhuiProvinceandMinistryofEducation,Huainan232001,China;4.DepartmentofMiningEngineering,WestVirginiaUniversity,Morgantown,WV 26505,USA)

Deep-hole pre-splitting explosion is an important way to intensified improve permeability of high-gas and low permeability coal-beds.Based on continuum mechanics,explosion dynamic damage constitutive model of coal under the impact of explosion was established and embedded into nonlinear finite element program LS-DYNA,and propagation and attenuation characteristics of stress waves generated by explosion in coal of different modulus was numerical simulated.Through the monitor of on-site blasting vibration of specialty explosive,propagation and attenuation characteristics of stress waves generated by explosion in high-gas coal-beds was acquired.Simulation results is basically coordinate with results of explosion experiments,and the reasonableness and correctness is verified.The researching results show that: when propagating distance is less than 4.8m,the explosion stress waves have high peak values and sharply attenuate;when propagating distance is larger than 4.8m,the explosion stress waves have low peak values and attenuation rate gradually going flatten.

stress waves generated by explosion;attenuation characteristics;high-gas coal-bed;deep-hole pre-splitting explosion

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0218

國家自然科學基金資助項目(51304006)；安徽省教育廳重點資助項目(KJ2011A075)；安徽理工大學青年骨干培養基金資助項目(20120012)

蔡 峰(1980—)，男，江蘇銅山人，副教授，碩士生導師，博士。Tel：0554-6668753，E-mail:fcai@aust.edu.cn

TD713

A

0253-9993(2014)01-0110-05

蔡 峰，劉澤功，Luo Yi.爆轟應力波在高瓦斯煤層中的傳播和衰減特性[J].煤炭學報,2014,39(1):110-114.

Cai Feng，Liu Zegong，Luo Yi.Propagation and attenuation characteristics of stress waves generated by explosion in high-gas coal-beds[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):110-114.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0218