煤层深孔预裂爆破卸压增透效果数值模拟分析

刘泽功　蔡　峰　肖应祺

（1. 安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001；2. 煤矿安全高效开采省部共 建教育部重点实验室，安徽淮南 232001）

摘 要： 针对高瓦斯低透气性煤层，对深孔预裂爆破进行了数值模拟分析研究。再现了爆破 过程中，动压冲击震裂、应力波传播与叠加以及爆生气体驱动裂纹扩展的整个过程，系统地 分析了控制孔与爆破孔对于爆破卸压增透效果的影响，提出了高瓦斯低透气性煤层深孔预裂 爆破的合理间距，为高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽采效率提出了解决方案。深孔预裂爆破为 高瓦斯低透气性煤层增透、进而解决高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采难题提供了一条有效的途 径。

关键词：高瓦斯低透气性煤层；深孔预裂爆破；卸压增透；叠加效应

Release and Permeability Improvement in Coal Seams by Deep-hole Presplitting Explosion

LIU Ze-gong1,2,CAI Feng1,2,XIAO Ying-qi1

(1. School of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Hua i nan Anhui 232001, China;2. The Key Laboratory of Safe and Efficient Exploitatio n in Coal Mining of Ministry of Education, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract: Deep-hole presplitting explosion in coal seams with high gas content a nd low permeability was numerically simulated and analyzed. Cracks caused by imp act of dynamic pressure, propagation and vibration superposition of stress waves , as well as cracks development by explosion gas in explosion process were repre sented. The influence of oriented hole and explosion hole on effect of stress re lease and permeability improvement was comprehensively analysed. Reasonable inte rval between explosive holes for deep-hole presplitting explosion in coal seam swith high gas content and low permeability was proposed, which provides a soluti on for gas drainage from coal seams with high gas content and low permeability.Deep-hole presplitting explosion provides an effective approch to improvementofpermeability of coal seam with high gas content and low permeability, and solve s the difficult problem of gas drainage from coal seams with high gas content an d low permeability.

Key words: coal seam with high gas content and low permeability; deep-hole presp litting explosion; stressrelease and permeability improvement; vibration super position effect

井工开采的煤层，被井巷所揭露的煤体内存在三个应力带：卸压带、集中应 力带和原始应力带，其中集中应力带包含部分破裂带和弹性带。在卸压带内， 地应力和瓦斯压力均低于原始值，它是阻止煤与瓦斯突出的第一道防护带［1-3］； 在集中应力带内，径向应力比原始地应力小，但切向应力比原始地应力大，煤层透气性急剧 降低，对于具有煤与瓦斯突出危险的高瓦斯煤层，造成煤体瓦斯难以泄漏，可能保持着较高 的瓦斯压力，当集中应力带受到扰动，力学平衡受到破坏，很可能发生突出。因此，在采掘 工作面推进过程中，为了防止瓦斯突出的发生，必须降低前方煤体的瓦斯压力和改变工作面 前方 煤体应力分布，保持足够长的卸压带，同时尽可能增加煤体透气性，使煤层瓦斯得以充分预 排。本文将对利用深孔预裂控制松动爆破提高煤层透气性，改变前方煤体应力分布，有效降 低或消除煤层突出危险性等方面进行分析。

爆破产生的动压迅速摧毁爆孔附近煤体的抵抗，孔壁在高温高压的爆 生气体的作用下向外移动，形成类似于扩壶爆破的爆炸空腔，在其周围产生破裂带和少量裂 纹，为进一步破坏煤体提供弱面，由爆破产生的应力波在煤体中以爆破孔为中心呈同心椭圆 状向煤体中传播，应力波相交后产生叠加效应加速了煤体的破坏。最后，使煤体内形成以爆 破孔为中心的连通裂隙网。

为了能够较清晰的了解深孔预裂爆破裂隙的形成与发育情况以及爆破效果的检验，利用LS-D YNA3D对煤层深孔预裂爆破进行数值模拟分析，并对爆破效果进行了研究分析。

1 数值模型及参数ヒ云钅厦嚎349工作面回采二迭系上石盒子组32煤层为例进行数值模拟， 32煤层赋存较 为稳定， 煤层厚度2.1~4.5 m，平均厚度3.5 m。煤层结构 复杂，含 夹矸1~3层，层状构造，内生裂隙较发育。工作面标高为-536~-583 m(平均为-5 60 m)。建立数值模型，模型大小为10 m×3.6 m，爆 孔间距 为6 m(见图1)。爆破炸药采用煤层深孔松动控制爆破专用药管，其参数如表1所 示。

图1 数值模型表1 煤层深孔松动控制爆破专用药管技术性能指标

密度/(g•cm-3)爆速/(m•s-1)[]猛度/mm传爆长度/mm装药直径φ/mm[]威力/mL[]殉爆/cm0.95～1.1[]2 900～3 300[]≥10[]≥60[]42[]≥250[]≥3

在进行数值模拟的时候，由于计算机能力的限制，必须用有限体积的数值模型来代替无限大 的实际煤层，因此必须防止应力波在左右边界上的边界效应。本文采用在左右边界上设置无 反射边界（Non-reflecting boundary)又称透射边界(transmitting boundary)或无反应 边 界(silent boundary)，主要应用于无限体或半无限体中,在所有无反射边界中的单元上加上 粘性正应力和剪应力(见图1)。模型上部边界受均布原岩应力，据模型埋深，按海姆 假设σ瓂=γ[TX-]H［4-5］，可计算出作用在模型上部边界上的原岩自 重应力。

2 模拟结果

在进行数值模拟时，两爆孔同时引爆。模拟结果显示，在深孔预裂爆破过程中大致经历了动 压冲击震裂、应力波在煤体中传播以及爆生气体驱动裂纹扩展三个过程。

2.1 动压冲击震裂ピ诙压冲击震裂阶段，由于爆破作用范围比较小，两个爆孔间几乎不相互影响(见图2)。

图2 动压冲击震裂

从图2中 可以看出，紧靠近炸药的煤体最先被震碎，形成破碎带，同时形成一些较浅的微裂纹，裂纹 生成速度非常快，达到480 m/s。在裂纹周围形成应力集中区域，相反，由于破 碎带的缓冲作用，破碎带周围的煤体中应力相比微裂纹周围要小得多。这与“动静压两段论 ”中动压冲击阶段是符合［6-7］。

动压冲击震裂过程非常短暂，仅仅持续19 μs，而且由于煤质较软，生成的裂 纹和破碎带也非常小，但这些小的裂纹形成了新的自由面，在爆炸作用下形成了新的应力集 中区域，为后面爆生气体驱动裂纹扩展提供了新的弱面。

2.2 应力波在煤体中传播ビ捎谡ㄒ┑谋轰速度超过孔壁煤体纵波波速，在煤体中形成冲击波，并逐渐衰减为应力波继 续向外传播。因而，紧接着动压冲击震裂后并没有直接出现爆生气体驱动裂纹扩展的过程， 而是应力波在煤体中的传播过程(见图3)。

在爆破过程中，由爆破产生的应力波均是以爆孔为中 心，呈同心圆状向周围煤体中传播。分别由两爆孔产生的应力波在传播过程一定距离后相遇 ，产生应力波的叠加效应在640 μs时，两爆破孔产生的应力 波相遇，随后分别应力波相互间进行叠加，并源源不断地向四周传播(见图3c)。a 50 μs[KG13]b 90 μs[KG13]c 290 μs[TS)] d 440 μs[KG13]e 490 μs[KG13]f 640 μs

[JZ]图3 两爆孔较近时的应力传播与叠加

2.3 应力波对煤体质点的影响ノ了能够清晰的表现出应力波对煤体质点的影响， 分别选取三个具有代表性的观测点， 描 绘出各观测点的应变-时间历程曲线(见图4)。图4a～图4c)的观测点分别位于两爆 孔之间， 距 一爆孔1 m， 2 m，4 m。从图4中可以明显看到，每个 观测点都出现了两次应力峰值，首次应力峰值是由于一个爆炸形成的应 力波初次形成的，然后逐渐衰减，当经过一段时间后，两个爆破孔形成的应力波叠加，从而 使观测点发生了第二次应力峰值。距离两爆破孔之间的位置越近，两次峰值出现的时间间隔 越小。

当观测点爆破孔1 m时，观测点的应力峰值在700~800 MPa之间，由 于应力波的衰减， 在两爆破孔之间中点附近时， 观测点的应力峰值分别为200 MPa。玹/μs[KG16]玹/μs[KG15]玹/μs

a 1 mb 2 mc 3 m

图4 应力传播过程中各观测点处煤体质点应力变化曲线

2.4 煤体裂纹扩展ピ诹盐评┱菇锥纬跗诒孔之间的相互影响是非常小的，裂纹生长均在各自爆 生气体的控制范围之内(见图5)。爆破粉碎区空腔形成高压爆生气体及强大冲击波作用在爆 破孔周围 的煤体内，煤体内瓦斯压力随之增高，煤体积蓄了很高能量，积蓄在煤体的一部分弹性变形 能以及瓦斯压力向更深部的煤体释放，同时产生与径向压应力作用方向相反的向心拉应力， 当拉应力超过煤体的抗拉强度时，就会形成环向裂隙，开始形成裂隙区。

由于应力波叠加及爆生气体的驱动，在12 ms时出现了与应力波传播方 向相垂直的裂纹，所形成的裂纹逐渐呈网状。两爆孔产生的裂纹很快于22 ms时 趋于交叉,这彻底摧毁了煤的抵抗，加速了孔间煤体的破碎，最终使煤体中裂隙相互贯穿， 形成了裂隙网络，大大增强了煤体的渗透性，增透效果显著。a 6 ms[KG12]b 12 ms[KG12]c 22 ms

图5 两爆孔的裂纹扩展

3 控制孔对爆破卸压效果的影响

3.1 控制孔对爆破应力波传播的影响タ刂瓶拙啾破孔间距2 m， 控制孔和爆破孔的孔径均为73 mm， 爆 破 药管直径42 mm， 采用不完全耦合的装药结构。 应力波在煤体中的传播过程如 图6所示。a 15 μs[KG13]b 75 μs[KG13]c 180 μs[TS)]d 270 μs[KG13]e 405 μs[KG13]f 525 μs

[JZ]图6 控制孔与爆孔间的应力传播

从6图中可以清楚的看到，随着应力波以爆破孔为圆心向四面逐渐扩展，405 μs时应力波到达辅助自由面控制孔的时候，开始发生应力波的反射；525 μs时，形成反 射拉伸波，并与径向裂隙尖端处的应力场叠加，煤体受到正反两个方向应力波的作用，促使 裂隙进一步扩大。

3.2 控制孔对煤体位移的影响ケ破后的煤体由于控制孔的作用，在控制孔附近的 观测点的位移明显比没有控制孔作用的观测的位移大，控制孔对裂隙扩大起到了促进作用， 同样裂隙区范围的也在扩大(见图7)。1. 玿方向1.8 m;2. 玿方向2.4

4 结论

通过数值模拟可知，深孔预裂爆破对于高瓦斯低透气性煤层的增透效果是非常明显的。在爆 破的初始阶段，爆破产生的动压迅速摧毁爆孔附近煤体的抵抗，在其周围产生破裂带和少量 裂纹，为进一步破坏煤体提供弱面。由爆破产生的应力波在煤体中以爆破孔为中心呈同心圆 状向煤体中传播，应力波相交后产生叠加效应加速了煤体的破坏。两爆孔间的裂纹充分发育 ，无疑增加了煤体的透气性，为瓦斯抽采提供了通道。

在深孔预裂爆破过程中，控制孔增加了煤体松动的自由面，为煤体由于爆破产生的位移扩展 提供了一定的空间，同时也加速了深孔预裂爆破裂纹网络的相互沟通，为提高高瓦斯低透气 性煤层深孔预裂爆破效果提供了一个较好的解决方案。

参考文献：

［1］ 魏国营,张书军，辛新平，等.突出煤层掘进防突技术研究［J］.中国安全科 学学报，2005,15(6):100-104.

［2］ 肖红飞,何学秋，冯涛，等.基于FLAC2D模拟的矿山巷道掘进煤岩变形破裂力 电耦合规律研究［J］.岩石力学与工程学报，2005,24(13):2 304-2 309.

［3］ 王金华.我国煤巷机械化掘进机现状及锚杆支护技术［J］.煤炭科学技术， 2004,32(1):6-10.

［4］ 杨仁树.爆炸应力波作用下层理介质断裂的动焦散实验分析［J］.煤炭 学报，2005,30(1):36-39.

［5］ TSUDASA OHBA,HIROMITSU TANIGUCHI.Effect of explosion ene rgy and

depth on the nature of explosion cloud a field experimental study［J］.Journal

of Volcanology and Geothermal Research，2002，115:33-42.

［6］ 王家来,刘积铭.岩石爆破破岩机理的损伤力学分析［J］.岩石力学与工程 学报. 1996,15:515-518.

［7］ Z FANG,J P.Harrison application of a local degradation model

to the anal ysis of brittle fracture of laboratory scale rock specimens under triaxial condi tions［J］.International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，2002，39: 459-476.

［8］ THABET A,HALDANE D.Three-dimensional numerical simulation o f the behavior of standard concete test specimens when subjected to impact loa ding［ J］.Computers and Structures,2001,79(1):21-31.

［9］ ODANIEL J L, Kranthammer T.Assessment of numerical simulat ion capabilities for medium-structure systems under explosive loads［J］.Compu ters and Structures,1997,63(5):875-887.

［10］ 刘文韬.岩石含操作本构模 型和地下爆轰效应研究［J］.岩石力学与工程学报,2003,22(2):342-346.

［11］ 徐颖，宗琦.地下工程爆破理论及应用［M］.徐州:中国矿业大学出版社,2 001：67-69.

［12］ 王仲琦,张奇,白春华.孔深影响爆炸应力波特性的数值分析［J］.岩石力学 与工程学报，2002,21(4):550-553.

(责任编辑：何学华)