炮孔位置對含軟分層煤體爆破致裂規(guī)律的數(shù)值模擬

王以賢

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450064)

0 引 言

爆破技術(shù)能夠減少甚至阻止煤與瓦斯突出及瓦斯爆炸[1-2]，從而為煤礦開采提供良好的安全生產(chǎn)環(huán)境[3-4]。但目前我們研究煤體爆破大多將煤體看成均質(zhì)煤體[5-6]，研究炮孔位置、炮孔間距對均質(zhì)煤體的爆破致裂效果，而對于炮孔位置對特殊非均質(zhì)煤體(比如含軟分層煤體)的爆破致裂規(guī)律研究不足。但現(xiàn)實(shí)工程中往往會遇到許多含有軟分層的煤體，這種煤體由于軟分層性質(zhì)的特殊性(煤層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等遭到嚴(yán)重破壞)，最容易發(fā)生瓦斯突出及瓦斯爆炸事故[7]。因此，有必要深入探討炮孔位置對含軟分層煤體的爆破致裂規(guī)律。

本文在深入了解九里山礦煤巖體基本力學(xué)參數(shù)及瓦斯賦存狀況的情況下，建立了ANSYS/LS-DYNA模型，對含軟分層煤體進(jìn)行爆破致裂數(shù)值模擬，著重探討了不同爆破位置對含軟分層煤體致裂的影響及作用機(jī)理，對含軟分層煤體的爆破致裂及瓦斯抽采具有指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值模擬

以河南九里山礦16051底抽巷16采區(qū)東翼上部二1煤層為研究對象。該礦隸屬于河南煤業(yè)化工集團(tuán)焦作煤業(yè)有限公司，位于焦作礦區(qū)東部、太行山南麓，屬于嚴(yán)重的煤與瓦斯突出礦井。該煤層頂板、底板為粉砂層，較致密，厚度在6.1～8.1 m之間，平均厚度7.1 m，軟分層厚度不一，最小15 cm，最大1 m，采用深孔爆破致裂抽采瓦斯。

1.1 模型建立

利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立爆破模型，采用cm-g-μs單位制，建立簡化模型如圖1所示(圖中以炮孔中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿x、y正向?yàn)檎?fù)向?yàn)樨?fù)，下同)。其中，頂板巖層厚度100 cm，上層硬煤層厚度300 cm，軟分層厚度50 cm，下層硬煤層厚度200 cm，底板巖層厚度100 cm，炮孔直徑80 mm，由于所建模型沿中軸左右對稱，為簡化計算，只建立右半部分模型，寬度700 cm。

結(jié)合本工程實(shí)際，將所研究問題簡化為平面應(yīng)變問題，使用拉格朗日算法，計算時長為4 000 μs，炸藥、煤體和巖石采用殼單元plane162，中間對稱軸上設(shè)置X向約束，頂板、底板設(shè)置全約束，右邊為無反射邊界。

圖1 研究模型示意圖Fig.1 Research model diagram

1.2 材料模型選取

炸藥和煤體分別采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型[8]，用*EOS_JWL狀態(tài)方程來描述炸藥爆炸時壓力、體積及能量特性，其表達(dá)式見式(1)。

(1)

式中：P為炸藥爆炸后炸藥單元體內(nèi)的壓力，MPa；V為體積變化，m3；E0為初始比內(nèi)能，MJ；A、B為炸藥特性參數(shù)，GPa；R1、R2、ω為炸藥材料常數(shù)，無量綱。

1.3 材料參數(shù)選取

所選炸藥密度ρ=1 130 kg/m3，爆速D=3 500 m/s，具體參數(shù)見表1。煤體具體參數(shù)見表2。其中，ρ1、E1、μ1為堅(jiān)硬煤層密度、彈性模量和泊松比；ρ2、E2、μ2為軟分層煤體密度、彈性模量和泊松比。

1.4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

當(dāng)炮孔位置固定(炮孔中心距軟分層上表面以上25 cm)時，距炮孔中心不同位置、不同時刻的壓力是成一定規(guī)律變化的。圖2為煤體中軸線(y軸)上距炮孔中心不同位置、不同時刻壓力變化情況。

表1 炸藥參數(shù)Table 1 Explosive parameter

表2 煤體參數(shù)Table 2 Coal parameter

圖2 軟分層厚度為25 cm時不同位置、不同時刻壓力曲線變化圖Fig.2 Variation diagram of pressure curves at different positions and at different moments when soft stratification thickness is 25 cm

由圖2可知：①軟分層的存在對距離炮孔中心不同位置處壓力峰值有較大影響;如果不存在軟分層，同為堅(jiān)硬煤體，視四周材質(zhì)均勻，按照爆破理論，縱坐標(biāo)軸左右兩側(cè)壓力峰值應(yīng)該是嚴(yán)格對稱的；從圖2可以看出，軟分層的存在改變了這種對稱性，也改變了軟分層上部、下部壓力的分布，最終會導(dǎo)致軟分層上部、下部堅(jiān)硬煤體中的致裂規(guī)律不同于同種煤體。②縱軸右邊壓力峰值明顯高于縱軸左邊壓力峰值，這充分說明當(dāng)應(yīng)力波透過軟分層時，軟分層能夠吸收較大能量，致使壓力峰值有較大降低。

圖3為煤體爆破后不同時刻致裂演化圖。由圖3可知：①軟分層的存在改變了煤體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的方式和規(guī)律，如果不存在軟分層，根據(jù)前人研究結(jié)果可知，煤體的裂紋擴(kuò)展應(yīng)該是沿炮孔中心進(jìn)行圓(柱)形擴(kuò)展，但從本次模擬結(jié)果可知，軟分層的出現(xiàn)改變了這種狀況，也使得致裂規(guī)律發(fā)生變化;②軟分層吸收了大量的爆炸能，導(dǎo)致軟分層下部硬煤裂紋較少，擴(kuò)展長度較小，分布集中度較低；煤體破碎程度和裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展從根本上來說是由于爆炸能量的傳遞和轉(zhuǎn)化，當(dāng)向下傳遞的能量被軟分層吸收以后，勢必導(dǎo)致傳遞到下部硬煤層的爆炸能量降低，就會出現(xiàn)能量較少而不足以產(chǎn)生過多新裂紋和過多裂紋擴(kuò)展的情況；③大量的爆炸能并沒有使軟分層產(chǎn)生過多裂隙，相反，軟分層的存在阻止了上下硬煤裂隙的貫通，這是因?yàn)檐浄謱虞^硬煤波阻抗小很多，依據(jù)波阻抗匹配理論，強(qiáng)爆破能遇到軟煤層并不能導(dǎo)致大量裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展和連通，也就不可能為瓦斯?jié)B流提供較好的解吸條件和運(yùn)移通道，這也是軟分層煤體更容易發(fā)生瓦斯事故的原因。

圖4為煤體爆破后不同時刻應(yīng)力波形傳播圖。由圖4可知：①軟分層的存在改變了爆炸應(yīng)力波傳播路徑和規(guī)律，眾所周知，在同種材料情況下，爆炸應(yīng)力波應(yīng)該以炮孔為中心沿圓(柱)形傳播，但軟分層的存在改變了這種規(guī)律；②煤體內(nèi)裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展滯后于應(yīng)力波的傳播。這也說明了裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展不僅和爆炸應(yīng)力波有關(guān)，而且還與滯后于應(yīng)力波傳播的爆生氣體有關(guān)。一般認(rèn)為，當(dāng)煤體內(nèi)由爆炸應(yīng)力波產(chǎn)生的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力達(dá)到煤體的破壞強(qiáng)度時，煤體產(chǎn)生裂紋，而爆生氣體的“氣楔”作用進(jìn)一步擴(kuò)展了裂隙，兩者的結(jié)合導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展和連通；③當(dāng)爆炸應(yīng)力波傳遞到不同介質(zhì)界面時會產(chǎn)生較為復(fù)雜的波的反射、透射，從而導(dǎo)致不同應(yīng)力波的疊加，這些波的疊加加劇了煤體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展和連通的復(fù)雜性。

圖3 煤體爆破裂紋擴(kuò)展演化圖Fig.3 Evolution diagram of blasting crack growth in coal

圖4 煤體爆破后應(yīng)力波形傳播圖Fig.4 Stress wave propagation diagram after blasting of coal

圖5 不同炮孔位置爆破裂紋擴(kuò)展演化圖Fig.5 Evolution diagram of blasting crack growth in different blasting holes

2 炮孔位置對含軟分層煤體致裂效果影響

圖5為軟分層厚度50 cm時，不同炮孔位置對含軟分層煤體爆破裂紋擴(kuò)展情況圖。由圖5可知：①炮孔中心所處位置對含軟分層煤體爆破致裂效果有較大影響；當(dāng)炮孔位置距軟分層上表面較近時(15 cm和25 cm)，高壓爆轟波直接作用在軟分層上，一部分軟分層處于爆轟波壓碎區(qū)內(nèi)，直接將部分軟分層壓碎，大量爆炸能用于壓碎軟分層后，能量消耗很多，消耗后的爆炸能難于使下部硬煤層產(chǎn)生較集中的裂隙；②當(dāng)炮孔中心距軟分層上表面以上35 cm時，下部硬煤層裂隙數(shù)量和集中度均較炮孔中心距軟分層上表面以上15 cm和25 cm時多；作者認(rèn)為出現(xiàn)此種情況的主要原因?yàn)槠扑檐浄謱铀枰谋芤哂谙嗤闆r下破碎硬煤的爆炸能；根據(jù)波阻抗匹配理論，雖然炮孔中心距軟分層上表面以上35 cm時，有相當(dāng)一部分爆炸能用于爆碎上部硬煤層，但此時所消耗的能量小于當(dāng)炸藥中心距軟分層較近時(15 cm和25 cm)破碎軟分層所消耗的能量，即炮孔中心距軟分層上表面以上35 cm時，用于破碎下部硬煤層的爆炸能量反而較15 cm和25 cm時大，因此裂隙數(shù)量和集中度增多；③從模擬結(jié)果及以上分析可知，對于不同厚度軟分層煤體在爆破致裂時都會存在一個最優(yōu)炮孔位置(上下部硬煤層裂隙數(shù)量最多、裂隙集中度及連通性最好)，就本次模擬結(jié)果而言，當(dāng)軟分層厚度為50 cm時，最優(yōu)炮孔位置為炮孔中心距軟分層上表面以上35 cm處；④當(dāng)炮孔中心距軟分層上表面大于35 cm時，下部硬煤層裂隙數(shù)量、集中度及面積迅速減少，當(dāng)增大到50 cm時，下部硬煤層幾乎不出現(xiàn)爆破裂紋。

綜合整個致裂圖可以發(fā)現(xiàn)，炮孔中心位置的改變不但對下部硬煤層致裂效果產(chǎn)生影響，同時也對上部硬煤層及軟分層煤體致裂效果產(chǎn)生較大影響。

3 結(jié) 論

1) 軟分層對煤體爆破后的壓力峰值、應(yīng)力波傳播路徑及規(guī)律、裂紋擴(kuò)展與連通、爆破能的分布等都有較大影響。

2) 對于炮孔中心位置來說，并不是炮孔中心離軟分層越近致裂效果越好，而是存在一個最優(yōu)炮孔中心位置；當(dāng)軟分層厚度為50 cm時，最優(yōu)炮孔位置為炮孔中心距軟分層上表面以上35 cm處。

3) 炮孔中心位置的變化既對下部硬煤層致裂效果產(chǎn)生影響，同時也對上部硬煤層及軟分層煤體致裂效果產(chǎn)生影響。

4 展 望

鑒于煤體性質(zhì)及炸藥爆破的復(fù)雜性，本次模擬研究還有許多需要完善的地方。本次模擬僅研究了單孔位置對含軟分層煤體的爆破規(guī)律研究，這對于含軟分層煤體的爆破實(shí)際需要是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，可以進(jìn)一步深入探討雙孔及多孔爆破對含軟分層煤體的致裂規(guī)律研究；應(yīng)該增加試驗(yàn)部分特別是現(xiàn)場試驗(yàn)來驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性；本次模擬僅考慮了爆破位置對含軟分層煤體的致裂規(guī)律研究，事實(shí)上，軟分層厚度的變化也會對含軟分層煤體的爆破致裂效果產(chǎn)生影響，可以綜合考慮炮孔位置和軟分層厚度對煤體的爆破影響，系統(tǒng)研究含軟分層煤體的爆破致裂規(guī)律及瓦斯抽放機(jī)理。