基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型

常未斌,樊少武,张 浪,舒龙勇

(1．煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京 100013;2．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院),北京100013)

基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型

常未斌1,2,樊少武1,2,张 浪1,2,舒龙勇1,2

(1．煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京 100013;2．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院),北京100013)

针对华南地区突出矿区分布广泛、煤与瓦斯突出事故严重的现状,结合该地区地质构造复杂构造煤广泛分布和大部分矿井采用炮采炮掘工艺的特点,提出一种基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型,并对该模型进行了理论分析。研究表明:爆炸应力波在传播过程中形成的稀疏波会引起该波经过的区域密度减小、体积增大,煤层瓦斯压力降低,进而破坏煤体瓦斯原有吸附平衡状态,大量吸附瓦斯解吸导致煤层瓦斯压力上升;当掘进工作面前方煤体一定深度存在构造煤带时,爆炸应力波从掘进工作面爆源传至未破坏煤体与构造煤带交界面,由于爆炸应力波的反射加强作用使构造煤迎波一侧未破坏煤体产生拉伸破坏,而掘进工作面前方存在的应力集中带不会引起爆炸应力波对煤体产生反射拉伸加强破坏作用;掘进工作面向构造煤带推进需要周期性的爆破作业,爆炸应力波的强度随着距爆源的距离增加而衰减,产生的爆炸应力波对煤体的瓦斯解吸作用和破坏作用不断增强,产生爆炸应力波的累加效应。

爆炸应力波;构造煤带;煤与瓦斯突出;炮掘工艺;爆破累加效应

2009—2013年,上报国家安全生产监督管理总局的煤与瓦斯突出事故[1]共计68起,其中,华南地区(包括云南、贵州、湖南、四川、重庆等地区)共发生63起,占总突出事故次数的93%。与其他地区相比,华南地区矿井具有地质构造复杂、构造煤广泛丰富[2]、大多数矿井采用炮采炮掘工艺的特点[3]。

前人对爆破与煤与瓦斯突出的关系进行了统计研究和理论研究,统计结果[4-6]表明煤与瓦斯突出与爆破有直接的相关关系,即大部分煤与瓦斯突出是放炮引起的,并且一些矿井[7-8]采用振动爆破的方式诱导煤与瓦斯突出;理论研究表明[4,9-11],爆破使巷道“瞬间”进入深部煤体,四周煤岩的应力状态突然改变,煤体由三向受力变为两向或单向,使煤体产生破坏;一些学者[9,11]提出爆炸应力波遇到应力集中带反弹回来的应力波会对煤体产生拉伸破坏;还有一些学者通过实验验证[11-12]爆破振动能促进煤体解吸瓦斯。前人对地质构造煤与煤与瓦斯突出的关系也进行了大量的研究,包括统计研究[13-20]和理论研究[21-23]。统计研究表明地质构造处存在大量构造煤,煤与瓦斯突出大多发生在构造煤赋存的区域;理论研究了各种地质构造对煤与瓦斯突出的控制作用。

前人在研究炮掘工艺对煤与瓦斯突出的影响主要集中在统计规律上,没有进行深入的理论研究,其中包括爆炸应力波遇到应力集中带发生反射对煤体产生拉伸破坏,这种解释是不合理的;对于爆炸应力波对煤体瓦斯解吸的理论研究较少;前人分别研究了构造煤和炮掘工艺对煤与瓦斯突出的影响,没有将二者结合起来考虑对煤与瓦斯突出的影响。本文着重阐述一种基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型,通过该模型分析爆炸应力波遇到构造煤发生反射对煤体产生拉伸破坏和促进煤体解吸瓦斯的机理。

1 孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型

模型的地质原型是我国华南地区富含构造煤的炮掘工作面。华南地区在地史时期构造运动频繁,有些地区煤层受后期构造运动破坏而出现不同程度的褶皱、错动和破碎,破坏了原有煤的光泽、成分和构造,在一定区域内形成了构造煤。构造煤带可能位于断层处,也可能位于褶皱部位,即使是无明显地质构造处也可能形成构造煤(图1),因为经过复杂的地质运动后,在力学性质上表现出高度的非均质性,在煤层内部事先存在高度揉摺而已发生塑性变形的区域。

图1 塑性区和弹性区地质模型Fig．1 Geological model of original elastic and plastic zone in coal seam

在一些矿井井下施工抽放钻孔或者测压钻孔的过程中可以发现,打钻过程中会发生时断时续的喷孔现象,发生喷孔的区域就是构造煤发育的区域,未发生喷孔的区域就是煤体较完整的区域。本文以图2地质模型为研究对象,模型中包含3个基本要素:①掘进工作面;②掘进工作面前方煤体内存在的一定厚度的构造煤带;③掘进工作面使用炮掘工艺,掘进过程中会产生周期性的爆炸应力波。

图2 基于爆炸应力波和构造煤带的地质模型Fig．2 Geological model based on explosive stress wave and tectonic coal zone

2 爆炸应力波对煤体瓦斯解吸的影响机理

2.1 爆炸应力波的产生和传播

在炮掘工作面进行爆破作业时,炸药在炮孔中起爆后形成强大的冲击载荷,这种载荷作用在煤体中会产生过渡性的扰动现象,即产生波动。煤体内的应力以波动的方式传播,即应力波。对爆破来说这种应力波是有爆炸冲击载荷产生的,即爆炸应力波。

本文讨论爆炸应力波中纵波对煤体瓦斯放散性的影响,纵波的特点[24]是波的传播方向和传播途中介质质点的振动方向一致,这种波在传播过程中会引起物体产生压缩和拉伸变形,压缩和拉伸变形从微观角度就是纵波在传播介质中产生压缩波和稀疏波。煤体受扰动后波阵面上介质的压力和密度均增大的波称为压缩波,受扰动后波阵面上介质的压力和密度减小的波称为稀疏波。

2.2 爆炸应力波影响煤体瓦斯放散性的机理

爆炸应力波中的纵波在掘进工作面前方煤体内传播的过程中会产生压缩波和稀疏波,在纵波经过的煤体产生压缩区域和膨胀区域。煤体有别于其他岩体介质的地方在于煤体的孔隙裂隙系统中赋存有大量的游离瓦斯和吸附瓦斯,其中赋存在孔隙裂隙系统中的游离瓦斯形成煤层瓦斯压力。当煤体处于相对静止状态时,即煤体未受爆炸应力波影响,煤体孔隙裂隙中的游离瓦斯和吸附瓦斯处于动态吸附平衡状态,当稀疏波经过掘进工作面前方煤体时,该区域的煤体就会膨胀变形,导致体积增大、密度减小,煤体的孔隙裂隙容积增大,相应的游离瓦斯在煤体中形成的煤层瓦斯压力降低,破坏了煤体中的瓦斯吸附平衡状态,导致处于吸附态的瓦斯转化为游离态的瓦斯,吸附瓦斯大量解吸,导致煤层瓦斯压力的升高。

2.3 爆炸应力波的累加效应

在炮掘工作面和揭煤工作面,工作面的推进不是一次爆破作业完成的,而是随着工作面的推进,需要不断的放炮作业,所以工作面前方构造煤带一侧的煤体不断受到爆炸应力波的扰动,在煤体中不断产生压缩区域和膨胀区域。选取工作面前方一定范围内任意一个六面体微元A,随工作面的放炮推进,每次放炮过程对A区域的扰动都是不同的(图3,其中a～d表示每次放炮后掘进工作面煤壁推进到的位置),因为爆炸应力波在煤体中传播过程,其强度随着距离的增加不断衰减,所以掘进工作面越靠近A,应力波对A的扰动越强,即A产生膨胀区域的压力和密度相对于前一次爆破更小,由于微元体体积的不断增大,煤体内瓦斯的吸附平衡状态不断被破坏,吸附态的瓦斯随着掘进工作面的推进不断转化成游离态瓦斯,从而使A附近的煤层瓦斯压力不断升高。图4为爆炸应力波影响煤体解吸瓦斯的过程。

图3 随掘进工作面推进稀疏波经过区域微元体体积变化趋势Fig．3 Volume change trend of micro-body which sparse wave go through with promoting of driving face

图4 爆炸应力波对煤体瓦斯解吸的影响过程Fig．4 Influence of explosive stress wave on coal desorption process

3 爆炸应力波与构造煤耦合对煤体强度的影响

3.1 应力波的反射机理

设介质1(ρ1,cp1)与介质2(ρ2,cp2)的交界面为A′—A′(ρ为介质的密度;cp为纵波在介质中传播的速度)。当应力波到达交界面是垂直入射时,会产生垂直反射和垂直透射,由于交界面处应力波具有连续性,则质点的振动速度相等,即

式中,下标i,r,t分别表示入射、反射和透射;v为质点的振动速度。

同时,在交界面处的作用力与反作用力相等,即交界面两侧的应力状态相等,则

式中,σ为纵波应力。

如果传播中的应力波为纵波,则根据σ=ρcp,vp得

将式(3)代入式(1)得

将式(4)与式(2)联立求解,得

式中,Rr为应力波垂直反射系数,且

Rt为应力波的垂直透射系数,且

式(5)和式(6)表明,反射应力波和透射应力波的大小是交界面两侧介质波阻抗(ρc)的函数。

(1)当两种介质的波阻抗相等,即 ρ1cp1=ρ2cp2时,σr=0,σt=σi,说明透射波与入射波性质完全一样,且全部通过交界面进入第2种介质,不产生波的反射。

(2)当ρ2cp2＞ρ1cp1时,则σr＞0,σt＞0,说明交界面有反射波,也有透射波;如果ρ2cp2≫ρ1cp1时,则ρ1cp1可以忽略不计,即σr=σi,σt=2σi。说明在交界面上反射应力波的符号、大小与入射应力波完全相同,透射应力波是入射应力波的两倍,叠加的结果使交界面处的应力值为入射应力波的两倍,其质点的运动速度为0,此交界面即为固定端。

(3)当ρ2cp2=0或ρ2cp2≪ρ1cp1时,即应力波到达的交界面是自由端,则σr=-σi,σt=0,这时反射波与入射波的符号相反,大小相等,叠加的结果使交界面处得应力值为0,即入射波全部反射呈拉伸波,而没有透射波产生。

(4)当ρ2cp2＜ρ1cp1时,则σr＜0,σt＞0,即在交界面既有透射压缩波又有反射拉伸波。

由于煤体的极限抗拉强度非常小,后两种情况都会引起煤体破碎。

3.2 构造煤加强爆炸应力波反射拉伸破坏煤体机理

当掘进工作面前方煤体内存在一定深度的构造煤时(图5),由于构造煤带的密度,弹性模量和应力波传播的速度均小于未破坏煤体,即 ρ2cp2＜ρ1cp1或ρ2cp2≪ρ1cp1的情况。当爆炸应力波传至D—D界面时,则发生反射,反射回去的爆炸应力波与随后传向D—D界面的爆炸应力波相互叠加,当相遇的两个波同相位时,应力波则会增强,使构造煤迎波一侧煤体A产生拉伸破坏。

图5 构造煤带与未破坏煤体界面D—DFig．5 Interface D—D between tectonic coal zone and no-destruction coal

当爆炸应力波传播过程中足以使构造煤带紧密闭合或使构造煤带的密度增加到与两侧未破坏煤体相差不大时,构造煤带对应力波的反射增强作用可以忽略不计。也就是说爆炸应力波的反射增强作用取决于构造煤带的厚度和范围,即构造煤带越大,分布范围越广,爆炸应力波的反射增强作用越大,构造煤迎波一侧煤体拉伸破坏越严重。

通过理论分析还可以说明,当掘进工作面前方煤体内不存在构造煤带B时,即ρ2cp2≈ρ1cp1,可得σr= 0,σt=σi的情况出现,透射波与入射波性质完全一样,并全部通过交界面D—D进入构造煤带B,从而不产生波的反射。所以,只有当掘进工作面前方煤体中存在构造煤时,可加强构造煤带迎波一侧煤体的破坏。

3.3 应力集中带对爆炸应力波反射破坏煤体作用的影响

一些学者[11]提出,压缩应力波传播到煤体一定深度时,被集中应力带所阻,反弹回来,转向自由面方向,这时,对新暴露煤壁附近煤体起拉应力的作用,如果煤体的抗拉强度抵抗不住这些合力的推动作用,则有可能突破煤壁上抗拉强度最低部位而发生突出。

随着掘进工作面的推进,工作面前方的煤体可以划分为3个区域(图6),即卸压带、应力集中带、原岩应力带。其中卸压带内的煤体发生塑性屈服,而应力集中带内的煤体处于三向应力状态,应力集中的强度还没有超过煤体的屈服强度。由于卸压带内煤体裂隙增加、体积扩容,该区域内煤体介质的密度、弹性模量和应力波传播的速度均比处于原岩应力状态煤体的小,而处于应力集中带的煤体还没有发生破坏,在集中应力的作用下,煤体的孔隙裂隙闭合密度增大,且应力波传播的速度均比处于原岩应力状态煤体的大,即应力集中带内煤体的波阻抗大于或远大于卸压带内煤体的波阻抗(ρ2cp2＞ρ1cp1),当爆炸应力波从卸压带煤体传到与应力集中带交界面E—E时,则有σr＞0,σt＞0,说明交界面有反射波,也有透射波,且反射应力波的方向与入射应力波的方向相同,这样只会对煤体产生压应力,而煤体的抗压强度远远大于抗拉强度(煤体的抗拉强度仅为其抗压强度的1/10～1/ 20),在这种情况下不会对煤体产生拉伸破坏,所以前人的观点是错误的。

图6 炮掘工作面前方煤体应力分布Fig．6 Stress system of coal located to anterior to driving face

由于爆炸应力波的强度随着距爆源距离的增加而衰减,所以随着掘进工作面向前推进,爆源距离距构造煤带越来越近,即爆炸应力波的反射拉伸作用也会越来越强,对掘进工作面前方煤体的破坏作用也会越来越强,掘进工作面越靠近构造煤带,爆破作用越容易导致大量煤体突出抛出,这也是爆炸应力波的累加效应。

4 探 讨

仅从理论上分析了爆炸应力波对煤体瓦斯解吸的影响,以及爆炸应力波和构造煤带的相互作用对煤体的破坏。许多学者对爆破振动作用对岩体的累积损伤作用进行了大量的研究,对煤体的损伤研究较少,所以需要不断的从井下获取实测资料进行验证和完善,可以通过声波测试的方法研究爆炸应力波对煤体的累积损伤效应[25-26],以及实测掘进工作面前方一定深度内的煤层瓦斯压力。而且上述机理的理论基础都是源于岩石爆破工程,但是煤体和岩体的物理力学性质有很大的差别,需要进一步研究爆炸应力波在煤体中的传播特点。

5 结 论

(1)建立了一种基于构造煤带和爆炸应力波的掘进工作面孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型,分析了在该模型条件下构造煤带和爆炸应力波的相互作用下对煤体瓦斯放散和煤体破坏程度的影响。

(2)理论分析了爆炸应力波对煤体瓦斯解吸的影响。爆炸应力波在煤体中传播会形成压缩波和稀疏波,当稀疏波经过一定区域时,引起该区域密度减小、体积增大。从而引起该区域内瓦斯压力降低,破坏了煤体的瓦斯吸附平衡状态,煤体内吸附态瓦斯大量解吸,导致煤层瓦斯压力升高。

(3)当掘进工作面前方煤体内存在构造煤带时,爆炸应力波传至构造煤带与未破坏煤体的交界面时,由于爆炸应力波的反射拉伸破坏作用,促进构造煤带迎波一侧煤体的破坏;而掘进工作面前方煤体内存在的应力集中带不会引起爆炸应力波对煤体产生反射拉伸加强破坏作用。

(4)随着掘进工作面的推进,需要不断地进行放炮,在向构造煤带推进的过程中,爆炸应力波不断促进煤体解吸瓦斯,且强度越来越大;同理,爆炸应力波对煤体的反射拉伸破坏作用也越来越强,这就是爆炸应力波的累加效应,最终导致该模型下煤体越来越接近煤与瓦斯突出危险状态。

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A model based on explosive stress wave and tectonic coal zone which gestate dangerous state of coal and gas outburst

CHANG Wei-bin1,2,FAN Shao-wu1,2,ZHANG Lang1,2,SHU Long-yong1,2
(1.Mine Safety Technology Research Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.State Key Laboratory of Coal Resource High-Efficiency Mining and Clean Utilization(China Coal Research Institute),Beijing 100013,China)

In terms of the current state of widespread and serious coal and gas outburst problem in south China,by combining widespread tectonic coal,complex geological structure and the process of blast mining and driving used in most ofthe mines,a model based on tectonic coal and explosive stress wave which gestate the dangerous state of coal and gas outburst was proposed and was theoretically analyzed．Study shows that the sparse wave formed by explosive stress wave would lead to coal’s density decrease and volume expansion,coal seam gas pressure decrease,coal seam methane adsorption unbalance,and the desorption methane which converted from adsorption methane finally leads to the rise of coal seam gas pressure．When there are tectonic coal zone inthe front of drivageface,the explosive stress wave from explosion source located in drivageface propagates to the interface between no-destruction coal and tectonic coal zone．Due to the strengthened effect of the reflection wave,no-destruction coal which located between tectonic coaland drivageface generates tensile failure．When there are stress concentrated zones inthe front of the drivageface,coal mass would not generate tensile failure like above．With the periodic blasting and driving towardthe tectonic coal zone, the destruction and methane desorption effects on coal mass is constantly strengthened．The strength of explosive stress wave constantly decreases with the increase of distance from explosion source．Finally,the process generates a blastingaccumulation effect．

explosive stress wave;tectonic coal zone;coal and gas outburst;process of blasting driving;blasting accumulation effectt

TD712

A

0253-9993(2014)11-2226-06

2013-09-05 责任编辑:张晓宁

国家科技重大专项资助项目(2011ZX05040-001-007);山西省煤层气联合研究基金资助项目(2013012007)

常未斌(1986—),男,山西定襄人,助理工程师,硕士。E-mail:ccrichang@sina．com

常未斌 ,樊少武,张 浪,等．基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型[J]．煤炭学报,2014,39(11):2226-2231．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1278

Chang Weibin,Fan Shaowu,Zhang Lang,et al．A model based on explosive stress wave and tectonic coal zone which gestate dangerous state of coal and gas outburst[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(11):2226-2231．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2013．1278