爆生气体对高应力低透气性煤层深孔爆破增透影响的数值模拟

王海东

(1.煤科集团 沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016；2.煤科集团 沈阳研究院有限公司 煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 沈阳 110016)

爆生气体对高应力低透气性煤层深孔爆破增透影响的数值模拟

王海东1，2

(1.煤科集团 沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016；2.煤科集团 沈阳研究院有限公司 煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 沈阳 110016)

考虑爆炸波和爆生气体时程荷载，采用FLAC3D有限差分动力模块，模拟了衰减规律不同的爆生气体对高应力高瓦斯低透煤层深孔爆破裂纹扩展的影响。其中，随裂纹扩展的时间和速度而衰减的爆生气体时程荷载，既作用在炮孔壁上又作用在爆生裂纹表面。研究结果表明：爆生气体在深埋高应力低透气性煤层深孔爆破致裂过程中起主要的驱动作用，煤层增透的效果随爆生气体衰减速度的降低而显著增加；高量爆生气体的低爆速炸药的研发对高应力高瓦斯低透煤层深孔爆破增透的现实意义重大。

爆生气体；高应力低透气性煤层；深孔爆破；爆炸波

高瓦斯矿井瓦斯灾害的治本措施是瓦斯抽采。目前，我国70%的国有重点煤矿均为高瓦斯矿井，且大部分煤层为低透气性煤层，这决定了采用传统直接预抽瓦斯方法进行瓦斯灾害治理比较困难[1]。工程实践表明，对于不具备保护层开采的低透气性本煤层，深孔爆破技术的增透效果较好[2-5]，但该技术增透机理的理论研究却滞后其工程实践。岩石爆破理论和实践表明[6]，炮孔内的炸药引爆后，沿炮孔径向依次生成压缩粉碎区、裂隙区和弹性振动区。已有研究指出爆生气体对煤层增透的作用不容忽视[7-8]，但由于不易确定爆生气体在爆腔及裂隙内随裂纹扩展而衰减的规律，使得以往研究没有考虑爆生气体在煤岩体裂纹内的驱裂效应，只考虑其以准静态压力的形式作用在炮孔壁之上[9-10]。因此，本文不仅考虑爆炸波、煤层地应力、煤层原始瓦斯压力的作用，还考虑了爆生气体在炮孔壁及在裂纹内的动态压裂效应，建立煤层深孔爆破裂纹扩展的数值计算模型，采用FLAC3D动力模块，研究了爆生气体衰减规律对高应力煤层深孔爆破增透的影响，为高应力高瓦斯低透本煤层的瓦斯治理提供理论参考。

1 数值计算模型

考虑到深孔爆破煤层的实际受力状态和爆破工艺设计，可将煤层爆破增透问题简化为二维平面应变问题。再考虑到气体在裂纹内流动速度vg、径向裂纹扩展速度vc和应力波传播速度vs的关系(vg

1.1 动力有限差分数值模型

选取厚4m，埋深千米地应力30MPa的深埋高应力煤层，建立煤层深孔爆破的动力有限差分数值计算模型。模型平面内水平和竖向长度为100m，煤层位于模型中间位置，炮孔布置于煤层中心，炮孔直径取90mm。模型上方施加等效均布压应力的方式考虑上覆岩层产生的竖向应力，等效的上覆岩层自重应力为30MPa。煤层爆破孔钻孔的静力计算期间为模型两侧面和底面固定法向位移的静力边界条件；深孔爆破裂纹扩展增透动力计算期间，静力边界条件则转化为吸收传至模型边界外行波的粘弹性动力边界条件。

1.2 煤岩体的本构模型及物理力学参数

煤体采用具有拉剪复合破坏准则的理想弹塑性模型，对应的物理力学参数见表1。煤层顶底板的岩体均采用弹性模型，弹性模量E= 3.2GPa，泊松比μ=0.25，密度ρ=2.5g/cm3。

表1 煤体的物理力学参数

注：σt是煤体的单轴抗拉强度，MPa；E为煤体的弹性模量，GPa；c是煤体的黏结力，MPa；μ为泊松比；φ为煤体的内摩擦角，(°)；ρc为密度，g/cm3。

1.3 爆炸波、爆生气体时程荷载

柱状耦合装药条件下，可按公式(1)和(2)计算爆炸波、爆生气体的峰值压力[6]：

(1)

(2)

式中，Ps和Pg分别为爆炸波和爆生气体的峰值压力，ρ0和ρc分别为炸药和煤体的密度，Cp和D分别为煤体的压缩波波速和炸药的爆速。

相关研究表明[8,11-12]，爆生气体在爆破空腔和爆生裂纹中以近指数形式衰减。本文采用如公式(3)表征爆生气体在煤体爆生裂纹的衰减规律[5]：

(3)

(4)

炸药类型为三级煤矿水胶炸药，爆速D=2700m/s，密度ρ0=1000kg/m3。采用式(1)和(2)计算得到爆生气体和爆炸波的峰值压力(Pg=0.92GPa，Ps=1.24GPa)。炮孔壁的归一化爆炸波压力时程曲线采用有限元软件ABAQUS模拟得到，如图1所示。

图1 归一化的爆炸波时程曲线

图2 爆生裂隙内的爆生气体时程曲线

2 数值计算结果分析

煤层深孔爆破数值模拟过程为：首先，进行地应力生产和炮孔成孔的静力计算；然后，进行煤层深孔爆破裂纹扩展增透的动力计算。动力计算时，先在炮孔壁处施加爆炸波时程荷载，待炮孔周围生成粉碎区和初始径向裂隙区后(1.0ms左右)，再在炮孔壁处以等效节点力的形式施加由公式(3)得到的爆生气体时程荷载，进而考虑以往煤层深孔爆破中常被忽略的爆生气体的动态驱裂作用，同时利用自编的fish程序追踪和判断单元是否发生拉伸屈服破坏。

采用局部阻尼近似考虑煤岩体的阻尼耗能效应，煤岩体的临界阻尼为0.05。同样以等效节点力的形式予以考虑2.0MPa的煤层原始瓦斯压力。动力数值模拟的时间为1.0s。

以煤体爆破拉伸破坏区域为评价指标，定量地分析爆生气体衰减规律对高应力低透煤层深孔爆破增透的影响。

基于FLAC3D有限差分动力数值模拟得到的4种衰减形式的爆生气体作用下的煤层裂隙区分布情况见图3，对应的裂隙扩展长度见表2。计算结果表明，爆生气体压力衰减速度越慢，煤层爆破增透的范围则越大；例如在衰减速度最慢的爆生气体作用下(衰减系数i=0.5)，炮孔周围裂隙区面积最大，煤层裂隙有效半径r达5.0m；而在衰减速度最快的爆生气体作用下(衰减系数i=2.0)，炮孔周围裂隙区面积最小，煤层裂隙的有效半径r约1.4m。

图3 不同爆生气体衰减规律下煤体裂隙区分布

衰减系数i0.51.01.52.0裂隙长度/m5.03.32.81.4

3 数值计算有效性的分析与验证

为验证爆生气体在高应力煤层中的致裂增透作用，进行爆炸波单独作用下，高、低2种地应力煤层的深孔爆破数值模拟，除煤层地应力不同之外，模型其他参数与上述模型信息相同，且数值模拟期间只在炮孔壁处施加图1的爆炸时程荷载。爆炸波单独作用下，高、低地应力煤层裂隙区分布情况见图4。由图4可知，在爆炸波单独作用下，5MPa低地应力煤层的裂隙区长度可达3.5m，而30MPa高地应力煤层的裂隙区长度只有0.4m。鉴于爆生气体灌入裂纹的速度vg、爆生裂纹的扩展速度vc、爆炸应力波传播的速度vs三者之间的关系为vg

图4 爆炸波单独作用下煤层深孔爆破裂隙分布

由不同衰减规律的爆生气体作用下煤层裂隙区分布情况可知，尽管在衰减指数系数i=2.0气体压力衰减最快的爆生气体作用下，生成的裂隙区仍是相同条件下爆炸波单独作用下裂隙区长度的3.5倍，仍能获得不错的增透效果。因此，能够产生高量爆生气体的低爆速新配方炸药的研发，对于高应力高瓦斯低透本煤层深孔爆破增透的现实意义重大。

表3给出了沈阳研究院开展的几个典型的深孔爆破增透现场工业试验[3，5，15]。从中可知，深孔爆破技术应用在地应力20～30MPa，瓦斯压力1～3MPa，煤层坚固性系数f=0.2～0.9的深埋高应力高瓦斯煤层，仍可获得较好的增透效果，其增透影响半径可达到3m，与考虑爆生气体扩展裂纹效应所进行的数值模拟获得的结果基本一致，也进一步验证了数值模拟结果的正确性及不能忽视爆生气体动态压裂扩展裂纹效应的合理性。

表3 典型深孔爆破现场试验的增透半径

4 结 论

考虑爆炸波的冲击震裂效应，爆生气体在炮孔壁处的准静态作用，爆生气体在爆生裂纹内的动态压裂效应，对高应力低透煤层在不同衰减规律爆生气体作用下的深孔爆破增透过程进行了有限差分动力数值模拟，结论如下：

(1)基于对高应力煤层赋存特点、深孔爆破工艺和深孔爆破裂纹扩展过程的分析，认识到不能忽略爆生气体在爆生裂纹内的动态驱裂效应；深孔爆破技术在高应力低透煤层增透领域仍可获得较好的增透效果。

(2)高应力煤层深孔爆破增透效果随爆生气体衰减速度的降低而显著增加，能够产生高量爆生气体的低爆速新配方炸药的研发，对于高应力高瓦斯低透本煤层深孔爆破增透的现实意义重大。

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[责任编辑：王兴库]

NumericalSimulationforInfluenceofDetonationGasonIncreasingPermeabilityofCoalseamwithHigh-stressandLow-permeabiligybyDeep-holeBlasting

WANG Hai-dong1,2

(1.Shenyang Research Institute Co.,Ltd.,China Coal Technology & Engineering Group,Shenyang 110016,China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology,Shenyang Research Institute Co.,Ltd.,China Coal Technology & Engineering Group,Shenyang 110016,China)

Using dynamic module of FLAC3D and applying time-histories load of blasting wave and detonation gas,influence of detonation gas with different attenuation rule on fissure extension of coalseam with high-stress and low-permeability by deep-hole blasting was simulated.The time-histories load of detonation gas which attenuated with time and speed of fissure extension was exerted on bore-hole wall and fissure faces.Results showed that detonation gas played main activation role in fissure extension of coalseam with high-stress and low-permeability.The effect of increasing coalseam permeability observably rose with attenuation speed of detonation gas fell.It is very important that developing explosive with low detonation velocity which can produce large amount of detonation gas for increasing permeability of coalsam with high-stress and low-permeability.

detonation gas; coalseam with high-stress and low-permeability; deep-hole blasting; blasting wave

2014-04-23

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.023

国家自然科学基金青年科学基金项目(5130410)

王海东(1978-)，男，黑龙江绥化人，工程师，现从事瓦斯安全研究工作。

王海东.爆生气体对高应力低透气性煤层深孔爆破增透影响的数值模拟[J].煤矿开采，2014，19(5)：82-85.

TD713；TQ56

A

1006-6225(2014)05-0082-04