煤巖體巷道壁面鉆孔減震吸能性能研究*

伍堂銳，葉　青,2，柳　偉

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

0　引言

煤炭作為我國能源構成的主體，其地位在未來一段時間內不會發生大的改變[1]。市場對煤炭的巨大需求使得一些煤礦企業追求利益最大化而忽視了煤礦的開采安全，導致瓦斯爆炸事故時有發生。瓦斯爆炸不僅僅是造成爆炸地點巷道中的人員傷亡設備損壞和巷道毀壞，其爆炸威力往往影響到臨近巷道、采區甚至整個煤礦地下系統，如果瓦斯爆炸威力非常巨大很有可能影響到地面設施，如礦區及附近的湖泊水庫、道路橋梁、建筑物等，從而造成更為嚴重的人員傷亡和經濟損失[2]。例如：2016年10月31日11時24分，重慶市某煤礦發生特別重大瓦斯爆炸事故[3]，瓦斯爆炸導致井口處多個巨大的充電機柜被掀倒；正在距離井口40 m處作業的工人被掀出5, 6 m遠，造成身體多處受傷；據當地村民陶某描述，爆炸就像炸彈爆炸一樣，引起地面顫抖。因此減小瓦斯爆炸對非爆炸地點的影響十分有必要。

當前，有專家學者深入研究了沖擊載荷下流體的吸能緩沖特性，并獲得大量非常有價值的研究成果[4-6]。其中預裂爆破以其較好的減震作用在許多工程中得到了廣泛應用，在預裂減震孔中填充水對爆破震動強度也有所減弱，張志波[7]對氣泡帷幕吸能原理展開研究，研究得到：由于氣體的可壓縮性，沖擊波波峰的動能被轉化為受壓縮氣泡的內能，因此沖擊波壓力會有所衰減，從而起到保護其他設施的作用；樊自建[8]等人通過實驗得到空氣隔層可以有效衰減波的峰值壓力。大量研究表明[9-11]波的傳播速度一般來說在固體中較快，流體中較慢，而波衰減程度恰好相反，研究煤巖巷道壁面鉆孔在瓦斯爆炸沖擊載荷作用下的減震吸能性能實質就是研究波與非連續介質界面之間的相互作用。

目前，關于瓦斯爆炸沖擊載荷作用下煤巖巷道壁面鉆孔減震吸能性能的研究較少。研究煤巖鉆孔減震吸能特性對分析沖擊載荷在鉆孔區傳遞規律和對相鄰巷道系統以及地面構筑物減震防護具有重要意義。本文運用應變波理論和節理剛度模型分析了煤礦井下巷道圍巖鉆孔的減震吸能機理。為了深入研究瓦斯爆炸沖擊載荷在煤巖巷道壁面鉆孔傳遞衰減規律，利用ANSYS/LS-DYNA建立數值模型進行數值模擬，獲得了巷道及煤巖體的壓力、速度、應力、應變等值線分布圖及頂板和右壁面外壁面測點的壓力、速度時程曲線，得到了巷道壁面鉆孔減震吸能的一般規律，為深入研究圍巖鉆孔減震吸能機理提供依據，也為瓦斯爆炸下巷道圍巖減震防護技術提供參考依據。

1　巷道煤巖鉆孔減震吸能機理

瓦斯爆炸將產生沖擊載荷，煤巖體承受的載荷由小到大然后由最高值急劇衰減，由于壁面反射載荷對壁面反復拉伸，并由此引起煤巖體介質產生擾動，這種擾動由巷道煤巖壁面沿煤巖體介質向遠處不斷傳遞就形成了瓦斯爆炸應力波。如圖1所示，若左邊巷道發生瓦斯爆炸事故，徑向沖擊載荷首先作用在巷道壁面，由此產生的應力波向右傳遞，在沒有鉆孔的情況下應力波直接傳遞會對右邊巷道的安全性及穩定性產生一定影響。

圖1　應力波的反射和透射Fig.1　Reflection and transmission of stress wave

波在2種介質交界面上的透、反射的規律從定性的角度講對任何類型的波都是成立的。采用一維平面應變波理論和節理剛度模型來研究應力波與鉆孔界面之間的相互作用，應力波在介質界面上的入射如圖1所示。在實際研究應用中，往往簡化為僅考慮應力波垂直入射鉆孔情況，并且假設鉆孔兩側煤巖體性質相同，可以導出鉆孔和煤巖體應力波的基本方程[12]：

u0-u1=ρ0D(V0-V1)

(1)

P0-P1=ρ0D(u0-u1)

(2)

(3)

(4)

式中：e0，v0，p0，u0和e1，v1，p1，u1分別表示波前、波后介質的比內能、壓力、比體積和介質質點速度；ρD為波阻抗；P表示波的幅值；其中下標f代表反射波；r代表入射波；t代表透射波；C為波速；K為法向(切向)剛度；ω入射應力波的頻率；ρ煤巖密度。

當波前波后的壓差一定時，應力波通過的介質內能變化與體積變化成正比，由于空氣的可壓縮性遠大于煤巖體，因此鉆孔隔層在應力波通過后，能量的一部分轉變為壓縮勢能，最終又通過體積的膨脹逐漸釋放掉。所以鉆孔隔層后集中的能量將被降低，從而可以有效降低其他巷道的震動。透射震幅與入射波頻率相關，隨入射頻率的增大，其透射震幅減小，這恰好表現出了鉆孔的高頻濾波特征。煤巖的密度和波傳播速度均大于空氣，所以煤巖的波阻抗遠大于空氣，鉆孔后的壓力和質點的速度都有衰減，相對而言右邊巷道震動減弱；空氣阻礙了波的連續、直接、迅速傳播，應力波經鉆孔隔層的透、反射后，與直接傳播相比應力波能量降低。故有在巷道壁面煤巖體中進行鉆孔可以有效地降低臨近采區甚至地面震動。

2　數值分析

由于瓦斯爆炸實驗費用高昂操作風險性高，因此通過大量瓦斯爆炸實驗來定量研究壁面鉆孔各參變量對應力波衰減的影響較為困難。數值模擬提供了更經濟安全有效的方法，此外數值計算能夠提供一些實驗中不方便或者不能夠觀測到的細節 , 就上述煤巖體壁面鉆孔設計過程而言，可以很容易地改變鉆孔半徑、間距和布置方式等，從而得到多個方案，為煤巖體壁面鉆孔減震吸能效果優化設計提供參考。

2.1　基本假設

為了便于研究，對模型做出如下合理假設：巷道內氣體均為靜止的狀態，瓦斯氣體處于常溫常壓且均勻混合；巷道內只存在瓦斯爆炸唯一熱源，瓦斯氣體爆炸過程為單步不可逆反應，忽略化學反應的中間過程；壁面光滑絕熱，即不考慮壁面熱交換。

2.2　數學模型

瓦斯氣體爆炸在數學上可用連續方程、動量方程和能量方程等基本方程表示其氣體動力學特征。數學模型可用統一的形式表示[13]:

(5)

式中：ρ為密度;t為時間;u為X方向的速度分量;Tφ為通量φ的交換系數;Sφ為能量源項;μeff為有效黏性;?為 prandtl 數;φ為通用變量，分別代表速度分量u，v，w，湍流動能k、湍流動能耗散率ε、焓h、可燃性氣體質量分數Yfu等。

2.3　物理模型

根據模型的對稱性和有效減少運算量，建立1/4的方形模型，劃分網格后的有限元模型如圖2所示。邊長為2.1 m，深20 m，為了研究壁面鉆孔的減震吸能作用，在右壁面平行設置了單排豎向鉆孔，由于掘進工作面極易發生瓦斯超限，所以設置巷道一端開口，另一端為封閉以相似于掘進巷道。當瓦斯濃度為9.5%時爆炸威力最大，因此在巷道內全填充濃度為9.5%的瓦斯混合氣體，在開口處用薄膜將瓦斯混合氣體與正常空氣隔開，整個模型均采用SOLID164單元。空氣采用MAT_NULL材料模型，狀態方程采用:*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL[4]；煤巖采用*MAT _SOIL_AND_FOAM材料模型，煤巖體參數見表1，瓦斯混合氣體及空氣相關參數參照文獻[14]。由于瓦斯爆炸的復雜性，因此在數值計算中將爆炸流場區域設為ALE網格，爆炸流場與煤巖壁面結構通過耦合算法實現相互作用 。根據研究需要，規則模型可采用映射網格劃分[15]，因此對巷道模型采用了八節點六面體單元形式進行網格劃分，模型單元尺寸控制為0.1 m，模型劃分后共產生352 800個單元。全過程采用統一單位制(kg-m-s)。

表1　煤巖體參數

圖2　網格劃分和測點設置Fig.2　Meshing and distribution of measuring points

2.4　結果分析

為了研究巷道壁面鉆孔情況下瓦斯爆炸對巷道壁面動力響應情況，在模型右端的外壁面從閉口端向開口方向依次間隔3 m設置6個測點，其中A測點為13 482個單元，坐標(2.1,1.2,3)為了便于比較分析在巷道頂板也按照此方式設置相對應的6個測點，其中A對應的G測點為13 662個單元，坐標(1.2,2.1,3)。測點設置如圖2所示，其中點火位置為(0,0,1)。

圖3　壓力等值線分布Fig.3　Contour maps of pressure

圖4　部分測點壓力時程曲線Fig.4　Curves of measure some point pressure vs. Time

圖6　有效應力等值線分布Fig.6　Contour maps of effective stress

由圖3巷道壓力等值線分布圖可以得到：壁面鉆孔的存在對壓力等值線的分布有較大影響，在沒有鉆孔時，整個模型壓力等值線分布是呈中心對稱的，壁面存在鉆孔時，模型壓力等值線分布是呈軸對稱。模型頂底板壓力等值線分布較為規律、連續地向更遠處傳遞，左右壁面壓力等值線由于鉆孔存在而分布較為密集。由于介質的非連續性，壓力波傳播受到阻隔便不會規則連續地傳遞，在鉆孔處發生反射、透射和繞射，導致有鉆孔煤巖壁面壓力等值線分布密集壓力較大；又由于煤巖介質和空氣介質特性存在本質區別，空氣密度低，波在空氣中的傳播速度低于煤巖體，故波經過鉆孔后速度會有所減小，從而在鉆孔后震動會有所減弱。

為了便于觀察比較，圖4僅選取26712，53172，26892，53352號單元測點繪制壓力時程曲線：A測點壓力曲線較C測點波動幅度偏大，B測點壓力曲線較D測點波動幅度偏大，這是由于測點距鉆孔較近，鉆孔對壓力波的不規則反射、透射、繞射，使波疊加而產生應力集中，從圖6 有效應力等值線線分布情況可以明顯看出煤巖鉆孔壁面應力高于頂底板煤巖體。應力集中導致煤巖體發生形變，由圖5巷道有效塑性應變等值線分布可以看出當時間為0.02 s時煤巖鉆孔壁面開始發生輕微變形，最終0.05 s出現明顯變形，煤巖體塑性變形將消耗一部分瓦斯爆炸能量，故相比之下無鉆孔的煤巖體直接傳遞的震動能量會更多。

圖5　有效塑性應變等值線分布Fig.5　Contour maps of effective plastic strain

圖7　速度等值線分布Fig.7　Contour maps of velocity

圖8　測點速度時程曲線Fig.8　Curves of measure point velocity vs. time

由圖7巷道的速度等值線分布圖可以得到：在瓦斯爆炸初期，強大的爆炸載荷作用于巷道壁面，影響鉆孔內空氣，造成鉆孔內空氣壓縮朝開口方向迅速流動，因此鉆孔內速度較大。在0.03 s時，鉆孔內等值線分布密集，且靠壁面外側，這是由于在波的瞬間作用下空氣壓縮導致，而空氣壓縮會吸收波峰能量。在圖8速度時程曲線圖中，A～F號測點速度依次達到各自速度峰值，相比較G～L號測點，A～F號測點由于距鉆孔較近應力集中所以速度上升明顯，但振幅明顯降低，體現了鉆孔的濾波特性。

綜上所述：在應力波的作用下，應力波通過鉆孔時，由于煤巖介質的非連續性，鉆孔內空氣性質不同于煤巖性質，使得應力波發生卸載反射和不規則透射，對應力波有較大的阻隔消減作用；空氣密度低易壓縮，應力波在空氣中的傳播速度比煤巖低，鉆孔具有很好濾波特性，鉆孔后波振幅明顯降低，壓縮空氣能夠起到緩沖吸能作用；煤巖體壁面發生塑性變形，有效減少能量的傳遞。

3　結論

1)在巷道的煤巖體壁面進行鉆孔導致煤巖體介質非連續，使得應力波發生反射、透射和繞射，又因為空氣和煤巖體介質性質存在差異從而有效阻礙了應力波的正常傳播。消減了鉆孔后煤巖體質點中波的強度及速度，故具有一定的減震吸能作用，可以有效保護臨近巷道、采區的安全穩定性。

2)本文只研究了單排鉆孔情況，但是對于不同性質煤巖體，鉆孔位置、半徑、間距、排數、布置方式等，以及孔內填充材料對減震吸能效果的影響等問題還需進一步的探討和研究。

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