基于多物理場耦合的瓦斯排放半徑的確定

趙汝星

(北京工業職業技術學院文法與管理學院)

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基于多物理場耦合的瓦斯排放半徑的確定

趙汝星

(北京工業職業技術學院文法與管理學院)

為提高松動爆破作為局部防突措施的實施效果，節省掘進工作面防突措施(效果檢驗)的執行時間，確定合理的鉆孔布置參數，結合成莊煤礦現場實際參數，建立了爆破損傷及損傷誘致圍巖卸壓和促進瓦斯運移的數學模型。綜合考慮地應力、爆破導致的煤巖損傷及對于瓦斯運移的影響等因素，對爆破卸壓及對瓦斯運移規律的影響進行了數值分析，并進行了現場實測驗證，確定了合理的瓦斯排放半徑為2.0～2.5 m，對于有效進行局部防突及工作面快速掘進有一定的參考價值。

煤與瓦斯突出松動爆破排放半徑爆破泄壓瓦斯運移規律

成莊煤礦隨著巷道向深部的延伸，煤與瓦斯突出災害威脅顯著增加，為此須采取“四位一體”的防突措施。但由于瓦斯突出檢測指標超標現象嚴重，采取“四位一體”的措施后嚴重影響了掘進效率，造成采掘接替日益緊張，直接影響礦井經濟效益的進一步提高。為緩解常規防突措施給生產銜接帶來的矛盾，在該礦4103、4105工作面進行了深孔松動爆破試驗，力爭將掘進速度由以往的2～3 m/d提高至8～10 m/d，實現掘進工作面的快速掘進，但如何提高松動爆破的瓦斯排放效果，瓦斯排放半徑的確定是該項措施實施成敗的關鍵。

1　松動爆破瓦斯排放半徑數值模擬

煤層松動爆破是在掘進工作面使用普通振動放炮的基礎上，在一定深度的煤體應力集中帶內布置數個長炮眼進行爆破，目的在于利用炸藥的能量破壞煤體前方的應力集中帶，便于在工作面前方形成較長的卸壓帶，預防瓦斯突出的發生[1]。為此，本研究建立了爆破損傷及損傷誘致圍巖卸壓和促進瓦斯運移的數學模型，綜合考慮地應力、爆破導致的煤巖損傷及對于瓦斯運移的影響等因素，利用有限元分析軟件Comsol Multiphyscics實現對非線性多物理場耦合控制方程的求解，進行爆破卸壓及對瓦斯運移規律影響的數值分析[2-3]。

1.1模型構建

由于針對現場實際建立的數值模型所需的計算單元較多，故本研究以簡化的三維數值模型為模擬單元，模型取X方向10 m，Y方向5 m，Z方向7 m，巷道頂底板上覆巖層為砂巖，工作面按給定資料取高3.0 m，寬5.0 m，在掘進面上打控制孔一個，距爆破孔1.0 m，爆破孔2個，間距1.4 m，孔深5.0 m。由于深孔控制預裂爆破是一個超動態的瞬間過程，故本研究采用零位移邊界條件，模型四周假設為無瓦斯補給，給定瓦斯流量為0 MPa，抽放孔定義為-5 kPa，將煤體視為連續的、均質的、各向同性的彈性體，煤體中初始瓦斯壓力為0.98 MPa(表1)。假設模型處于地下500 m深處，模擬上覆巖層的荷載為12.25 MPa。

表1　瓦斯抽放與深孔控制預裂爆破模擬基本參數

1.2數值計算結果

1.2.1巷道開挖后狀態

巷道開挖引起的損傷區域云圖如圖1所示。由圖1可知：由于巷道開挖造成應力重分布，進而導致應力集中和煤體的損失破壞，導致靠近煤壁附近約1 m的半圓柱范圍內產生了煤體破壞區。

圖1　巷道開挖引起的損傷區域云圖

"極限應力狀態區”易在掘進工作面的前方形成，由圖2可知：拉應力區的最大拉應力為3.116 MPa，壓應力區的最大壓應力為33.57 MPa，在巷道的頂底板出現了拉應力，靠近工作面向X軸方向延伸1 m附近也出現拉應力區，并且在距工作面1～2 m附近會出現壓應力區域，隨著不斷遠離工作面，壓應力會不斷降低，直至降至原巖應力為止。

1.2.2松動爆破實施后的狀態

松動爆破后的損傷區云圖如圖3所示。由圖3可知爆破孔附近產生松動的范圍。由于模擬實際爆破效果的難度較大，加之相關爆破參數的不確定性，故本研究通過對模型施加等效的徑向爆破壓力(2 275.91 MPa)來模擬爆破所產生的氣體壓力，松動爆破使得在爆破孔周圍形成了半徑約1.2 m的松動區和半徑1.05 m的破碎區，表明松動爆破發揮了預防瓦斯突出的作用。

圖2　沿爆破孔和控制孔縱剖面的彈性模量及應力分布

圖3　松動爆破后損傷區分布

由圖4(a)可知：正應力Z為0的區域明顯大于松動爆破前的范圍，此時壓應力最大為36.51 MPa，拉應力最大為4.525 MPa，靠近工作面煤壁的應力集中移動至爆破孔附近。由圖4(b)可知：煤層的彈性模量為1 000 MPa，在爆破孔附近的區域，彈性模量明顯降低，反映了爆破對煤層的損傷效果較好。

爆破孔正上方0.383 m處沿孔走向方向的應力分布情況見圖5。由圖5可知：X=0～2 m為工作面，X=2～10 m為煤層，由于開采損傷，煤層中的應力集中向煤層內部轉移，因此在X=2～2.5 m段，應力緩慢增加，從而在X=2.5～9.0 m段，Z方向的應力顯著增加，在X=3.06 m時應力達到峰值。圖6給出了控制孔正上方0.134 m處沿孔走向方向的應力分布。由圖6可知：爆破前Z方向的應力分布規律與圖5類似，而在爆破后由于爆破松動造成煤巖體的破壞與應力重分布，在卸壓帶X=2～3.31 m段，應力變化量約0.6 MPa，而在X=3.31～9.6 m 段，應力集中導致Z方向的應力梯度變化顯著增加，在X=7.08 m時出現了Z方向正應力峰值，即距工作面5.08 m產生應力峰值，其值為20.6 MPa。

圖4　沿爆破孔和控制孔縱剖面的的彈性模量和應力分布

圖5　爆破孔上方拉伸線應力變化曲線

圖6　控制孔上方拉伸線應力變化曲線

2　現場測定

在爆破孔附近每隔0.5 m打5個深10 m的鉆孔，通過觀測爆破孔爆破后煤層裂隙的瓦斯涌出強度，用流量法測定了爆破的影響半徑[4-6]，爆破孔、測試孔的分布如圖7所示，爆破前后瓦斯涌出曲線如圖8所示。

圖7　松動爆破有效影響半徑測試鉆孔布置示意

由圖8可知：①1#～4#孔在爆破后，瓦斯涌出量較爆破前有明顯增加，說明該4個孔位于爆破影響范圍之內；②5#孔的瓦斯涌出量較爆破前減小，表現出與鉆孔瓦斯涌出量正常衰減的特征，表明該孔未受到爆破孔的影響。據此，經實測分析得到的爆破鉆孔的有效影響半徑為2.0～2.5 m。

圖8　松動爆破測試鉆孔瓦斯涌出變化曲線◆—5#孔(間距2.5 m)；■—4#孔(間距2.0 m)；▲—3#孔(間距1.5 m)；●—2#孔(間距1.0 m)； ×—1#孔(間距0.5 m)

3　結　論

(1)深孔松動爆破有助于消除煤體結構的不均勻性，減少地應力，降低煤體中的瓦斯含量，增大煤層的透氣性，排放瓦斯，達到快速消突的效果。

(2)在實施松動爆破后，由于煤體破壞及滲透率的提高，瓦斯的快速排放效果明顯。

(3)通過數值模擬分析與現場測試，確定成莊礦實施松動爆破時的瓦斯排放半徑為2.0～2.5 m。

[1]郝富昌，劉明舉，孫麗娟.基于多物理場耦合的瓦斯抽放半徑確定方法[J].煤炭學報，2013(1)：106-111.

[2]郭濤.鉆孔抽放瓦斯流固耦合分析及數值模擬[J].重慶大學學報：自然科學版，2011，34(11)：105-110.

[3]郝富昌.基于多物理場耦合的瓦斯抽采參數優化研究[D].北京：中國礦業大學(北京)，2012.

[4]劉斯佳.基于瓦斯流動理論對瓦斯排放半徑確定方法的改進研究[D].焦作：河南理工大學，2011.

[5]張福旺.“三軟”突出煤層超前鉆孔有效排放半徑的測定技術[J].煤炭工程，2008(10)：42-44.

[6]宋軍.坪上煤礦不同孔徑超前鉆孔有效排放半徑的測定[J].煤礦安全，2012，43(10)：131-133.

2016-05-26)

趙汝星(1959—)，男，副教授，100043 北京市昌平區立湯路181號。