爆轰应力波在高瓦斯煤层中的传播和衰减特性

蔡 峰，刘泽功，LUO Yi

(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；3.煤与煤层气共采安徽省重点实验室，安徽 淮南 232001；4.Department of Mining Engineering,West Virginia University,Morgantown,WV 26505,USA)

爆轰应力波在高瓦斯煤层中的传播和衰减特性

蔡 峰1,2,3,4，刘泽功1,2，LUO Yi4

(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；3.煤与煤层气共采安徽省重点实验室，安徽 淮南 232001；4.Department of Mining Engineering,West Virginia University,Morgantown,WV 26505,USA)

深孔预裂爆破技术是高瓦斯低透气性煤层强化增透瓦斯抽采的重要途径之一。以连续介质力学为基础，建立了煤体在爆轰荷载作用下动态损伤本构模型，并将此模型嵌入非线性有限元程序LS-DYNA中，对爆轰应力波在不同弹性模量煤体中传播和衰减特性进行了数值模拟；通过对现场深孔预裂爆破专用药柱爆炸引起的爆破振动进行监测，获得了爆轰应力波在高瓦斯煤层中的传播和衰减特性，爆轰实验结果与模拟结果基本吻合，验证了所建立本构模型的合理性与正确性。研究表明：在传播距离小于4.8m时，爆轰应力波具有较高的峰值，并迅速衰减，在传播距离大于约4.8m以后，爆轰应力波峰值较低且衰减幅度逐渐趋于平缓。

爆轰应力波；衰减特性；高瓦斯煤层；深孔预裂爆破

目前国有重点煤矿70%以上为高瓦斯甚至煤与瓦斯突出矿井[1-2]，煤层低透气性低(小于0.1m2/(MPa2·d))[3-4]。近年来，针对低透气性煤层瓦斯抽采，传统的办法是在煤层中打较多的钻孔进行抽采，钻进工程量大，施工周期长，很难满足矿井安全高效生产的要求，且难以获得预期的抽采效果[5-6]，因而强化增透技术是提高低透气性煤层抽采效果的必然途径[7-8]。目前，在煤层强化增透方法主要分为两大类：一是利用流体介质和流体机械相配合对煤体进行处理，如水力冲孔技术、水力割缝技术及水力压裂技术等[9-10]；二是利用炸药爆炸等途径增加煤体裂隙，提高煤层透气性，如深孔预裂爆破技术和煤层射孔技术等[11-12]。深孔预裂爆破技术的目的在于利用爆轰能量强化增加煤层透气性，从而降低煤层瓦斯抽采的难度[13]。研究深孔预裂爆破增透的关键在于爆炸荷载作用下裂纹的演化机理和增透范围，而若想从本质上了解裂纹分布及演化规律必须首先给出爆轰应力波在高瓦斯煤层中传播特性。笔者建立了爆轰损伤本构方程，对高瓦斯煤在柱状装药爆炸荷载作用下爆轰应力波的传播特性进行了数值模拟和实验研究。

1 爆轰损伤本构方程

以连续介质力学为基础，建立煤体在爆轰荷载作用下的损伤演化方程。

1.1 爆轰损伤函数

(1)

式中，D为煤体在爆炸荷载作用下损伤前后模量相对变化；c0和c分别为煤体爆轰损伤前后弹性纵波波速。

1.2 损伤演化方程

(1)拉伸波作用下的损伤演化方程。

损伤能量释放率为

(2)卸载波作用下的剪切损伤演化方程。

卸载波作用下剪切损伤在基于RDA模型[14-15]的应变率效应耦合原则下可以表述为

(2)

1.3 动态本构关系

煤体在拉伸和塑性剪切损伤后，仍然服从增量型虎克定律(其损伤统一用D表示)：

(3)

式中，Δeij为偏应变增量；G,K为剪切模量和体积模量；Δεkk为体应变增量。

式(1)～(3)构成了煤体爆轰损伤模型封闭方程组。

1.4 损伤判据

当煤体最大主应力σ1大于断裂应力σf时，根据体积拉应力准则和最大主应力准则，则将发生断裂，此时，压缩强度Yc为零；否则，煤体屈服强度服从与拉伸损伤应变率有关的Mohr-Coulomb准则，即

1.5 爆破药柱状态方程

利用JWL状态方程求得深孔预裂爆破专用药柱起爆后药柱单元体内的压力P。JWL方程描述了爆破药柱爆炸时化学能的转化情况，表示为

式中，V为相对体积；A,B,R1,R2,ω为JWL方程参数。

2 数值模拟

2.1 数值模型

采用LS-DYNA软件进行数值模拟。将本文定义的爆轰损伤本构方程的子程序嵌入LS-DYNA中，爆破药柱采用JWL状态方程描述，爆破药柱和煤体具体数值见表1。表1中的ρ1和ρ2分别为深孔预裂爆破专用药柱和煤体密度；DH为爆速；PCJ为炸药爆轰压力；E0为爆轰初始内能；G和K分别为煤体剪切模量和体积模量。

表1数值模拟参数
Table1Parametersofnumericalsimulation

ρ1/(g·cm-3)ρ2/(g·cm-3)PCJ/GPaDH/(m·s-1)A/GPaB/GPaR1R2ωE0/GPaG/MPaK/MPa1 211 2514 641003166 273 860 870 36 50 0080 01

在模拟过程中，通过改变煤体介质的弹性模量，分析探讨爆轰应力波在不同弹性模量煤体中传播与衰减规律，计算分析应力波的衰减与质点的受力的时间相关分析，分别取E=1.0，1.5，2.0和2.5GPa四种计算模型。

2.2 数值模拟结果及分析

图1分析了距爆孔2.5m处煤体介质弹性模量变化对爆轰应力波传播时间历程的影响。由图1可见，随着煤体介质弹性模量增大，爆轰应力波传播过程中的延迟效应减小，峰值随之增大。如当煤体介质E=1.0GPa时，爆轰应力波的峰值为2.09MPa，而当煤体介质弹性模量E=2.5GPa时，应力波的峰值为4.74MPa，增加了2.63 MPa，增幅达到125.8%。通过数值模拟分析，应力波峰值的大小与煤体介质弹性模量的关系如图2所示。

图1 不同弹性模量时距爆孔2.5m处煤体点压力时间历程Fig.1 Curves of point pressure 2.5m to explosive of medium with time in different modulus

图2 爆轰应力波峰值大小与弹性模量的关系Fig.2 Relationship between peak value of stress value and modulus

图3显示了不同弹性模量时，爆轰应力波峰值在传播过程中的衰减特性。从图3可以看出，爆轰应力波在4.8m范围内传播过程中迅速衰减，随着煤体介质弹性模量增加，爆轰应力波随传播距离的衰减幅度越来越小，这说明爆轰应力波在较“软”的介质中传播时衰减的幅度较大。

图3 不同弹性模量时爆轰应力波峰值与传播距离的关系Fig.3 Relationship between peak value and propagation distance in different modulus

通过用数值模拟的方法，可发现爆轰应力波在煤体介质中的传播和衰减规律：① 随着煤体介质弹性模量的增加，爆轰应力波随传播距离的衰减幅度越来越小；② 如图3所示，在传播距离小于4.8m时，爆轰应力波具有较高的峰值，并迅速衰减，在传播距离大于4.8m以后，爆轰应力波衰减幅度逐渐趋于平缓。

3 实验研究

3.1 实验系统布置

实验在淮南矿业集团潘三矿长壁工作面回风巷进行。实验煤层埋藏深度为720m，瓦斯含量为8.9m3/t，该煤层弹性模量为1.5GPa。爆孔施工钻头直径为75mm，钻孔深度为2m，在离爆孔间距分别为2.5，5.0，7.5，10.0和12.5m处各挖一个直径约0.3 m，深约1.5m的空洞，要求空洞底部平整，然后用石灰及少量水混合成浆状，将监测传感器底部与空洞内煤体胶结成一个整体，装药、传感器安装结构和具体位置如图4所示，传感器选用TOPBOX508振动信号自记仪。

图4 装药结构与传感器布置示意Fig.4 The diagram of charge structure and layout sensor

爆破孔深为2m，装药1m，使用专用封孔装置封孔1m。本次试验使用的深孔预裂爆破药柱具体参数见表2。

3.2 实验结果与分析

药管在煤层中爆破松动爆破过程中各传感器最大振动速度测试结果见表3，各传感器监测结果如图5所示。

表2试验用深孔预裂爆破药柱具体参数
Table2Parametersofspecialtyexperimentalexplosive

序号项目性能指标1外部直径/mm622装药密度/(g·cm-3)1 213专用传爆体爆速/(m·s-1)72004三级煤矿许用水胶炸药爆速/(m·s-1)41005可燃气安全度(以半数引火量计)/g≥4006煤尘安全度(以半数引火量计)/g≥2507抗爆燃性合格8炸药爆炸后有毒气体含量/(L·kg-1)≤100

表3最大振动速度测试结果
Table3Thegreatestvibrationspeedtestresults

传感器编号离炮孔的垂直距离S1/m传感器灵敏度/mV最大垂直振幅/V最大振动速度/(cm·s-1)12 528 97 94274 7425 028 13 97141 2837 529 33 97135 49410 029 23 34114 38512 529 61 2843 24

图5 各振动仪记录监测结果Fig.5 The wave diagram of each self-recording instruments

通过对深孔预裂爆破专用药柱爆炸引起的爆破振动监测，并在测得的波形图上找出最大振幅，根据最大振幅和传感器灵敏度之间的关系计算出最大振动速度，根据最大振动速度可以反映出煤体是否被破坏、松动及产生裂隙等。从实验结果来看，爆孔孔口直径2.5m范围的煤产生了较大幅度的松动和破裂，在离爆孔孔口5m处最大振动速度高达112.38cm/s，足以使煤体破裂，但在7.5m处，最大振动速度仅为32.24cm/s，引起煤体的振动速度较小，有可能使煤体产生裂隙，但是从现场煤体表观现象看，煤体松动小。从图6可以看出，实验结果与数值模拟结果基本吻合。

图6 爆轰应力波传播过程中峰值变化Fig.6 Change curves of peak values in the process of transmission of stress wave

4 结 论

(1)以连续介质力学为基础，建立了爆轰损伤动态本构模型，并对爆轰应力波在不同弹性模量煤体中传播和衰减特性进行了数值模拟，模拟结果与煤体爆轰实验结果基本吻合，证明爆轰损伤本构模型可以有效的模拟煤体爆轰过程中的应力波传播和动态损伤。

(2)随着煤体介质弹性模量的增加，爆轰应力波随传播距离的衰减幅度越来越小。在传播距离小于4.8m时，爆轰应力波具有较高的峰值，并迅速衰减，在传播距离大于4.8m以后，爆轰应力波峰值较低且衰减幅度逐渐趋于平缓，因而在利用深孔预裂爆破专用药柱进行强化增透时，有效松动半径小于4.8m。

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Propagationandattenuationcharacteristicsofstresswavesgeneratedbyexplosioninhigh-gascoal-beds

CAI Feng1,2,3,4，LIU Ze-gong1,2，LUO Yi4

(1.SchoolofResourceandSafety,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China;2.KeyLaboratoryofIntegratedCoalExploitationandGasExtractionofAnhuiProvince,Huainan232001,China;3.KeyLabofMiningCoalSafelyandEfficientlyMiningConstructedbyAnhuiProvinceandMinistryofEducation,Huainan232001,China;4.DepartmentofMiningEngineering,WestVirginiaUniversity,Morgantown,WV 26505,USA)

Deep-hole pre-splitting explosion is an important way to intensified improve permeability of high-gas and low permeability coal-beds.Based on continuum mechanics,explosion dynamic damage constitutive model of coal under the impact of explosion was established and embedded into nonlinear finite element program LS-DYNA,and propagation and attenuation characteristics of stress waves generated by explosion in coal of different modulus was numerical simulated.Through the monitor of on-site blasting vibration of specialty explosive,propagation and attenuation characteristics of stress waves generated by explosion in high-gas coal-beds was acquired.Simulation results is basically coordinate with results of explosion experiments,and the reasonableness and correctness is verified.The researching results show that: when propagating distance is less than 4.8m,the explosion stress waves have high peak values and sharply attenuate;when propagating distance is larger than 4.8m,the explosion stress waves have low peak values and attenuation rate gradually going flatten.

stress waves generated by explosion;attenuation characteristics;high-gas coal-bed;deep-hole pre-splitting explosion

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0218

国家自然科学基金资助项目(51304006)；安徽省教育厅重点资助项目(KJ2011A075)；安徽理工大学青年骨干培养基金资助项目(20120012)

蔡 峰(1980—)，男，江苏铜山人，副教授，硕士生导师，博士。Tel：0554-6668753，E-mail:fcai@aust.edu.cn

TD713

A

0253-9993(2014)01-0110-05

蔡 峰，刘泽功，Luo Yi.爆轰应力波在高瓦斯煤层中的传播和衰减特性[J].煤炭学报,2014,39(1):110-114.

Cai Feng，Liu Zegong，Luo Yi.Propagation and attenuation characteristics of stress waves generated by explosion in high-gas coal-beds[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):110-114.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0218