坚硬薄煤层长钻孔爆破松动半径范围研究

刘世明 王国超 陈维新 赵美芳

(1.黑龙江科技大学矿业研究院；2.大同煤矿集团金庄煤业有限责任公司)

坚硬薄煤层长钻孔爆破松动半径范围研究

刘世明1王国超2陈维新1赵美芳1

(1.黑龙江科技大学矿业研究院；2.大同煤矿集团金庄煤业有限责任公司)

为合理确定长钻孔爆破松动半径范围，以安泰煤矿三采区坚硬煤体为对象，建立了长钻孔松动爆破计算模型，利用ANSYS/LS-DYNA有限元程序，模拟了单个爆破孔及爆破孔在有控制孔作用下应力波的传播过程及爆生气体驱动裂纹的扩展过程。结果表明：控制孔有利于爆破裂纹扩展及裂隙区增大，且在爆破过程中起到了应力集中和应力导向的作用；确定了该试验煤层实施长钻孔爆破后的有效松动半径为2～2.5 m。

长钻孔松动爆破 薄煤层 松动半径 数值模拟

长钻孔松动爆破是通过在被爆破对象中打钻、装药，利用炸药爆炸所产生的能量，使被爆破对象产生裂隙，并逐渐成为裂隙发育体，最终使被爆破对象得到有效松动的爆破技术[1-3]。近年来，随着该技术的不断发展、完善，将其与薄煤层开采结合到一起，可以为硬质薄煤层的高效回采提供新的技术途径。但在坚硬薄煤层中实施长钻孔松动爆破技术后，松动效果的制约因素较多，如测试爆破效果技术比较滞后。近年来有不少学者对爆破过程进行了数值模拟研究[4-6]，但模拟对象大多是岩石，建立的模型较单一，对于结果参数的分析也相对单一。为此，笔者以安泰煤矿三采区坚硬煤体为研究对象，采用数值模拟方法，对试验煤层实施长钻孔松动爆破后的有效松动半径范围展开研究，为类似条件煤层现场施工提供可靠参数。

1 计算模型及材料参数

1.1 长钻孔松动爆破数值计算模型

安泰煤矿三采区35层煤结构单一，赋存稳定，厚度为0.6～0.8 m，倾角为8°～26°，普氏系数f=2.379，属坚硬煤层。

为计算方便，将长钻孔松动爆破模型假设为各向同性的均质弹性体，且由于爆破孔的直径远小于其长度，将爆破过程当做平面问题进行研究。为定性分析爆破松动半径，建立如图1所示的两个计算模型：模型1为单个爆破孔，模型尺寸为600 cm×600 cm；模型2在爆破孔周围布有不装药的控制孔，间距为200 cm，模型尺寸为600 cm×600 cm，各模型均采用g-cm-μs的单位制。根据现场试验参数，爆破孔装药直径为50 mm，爆破孔与控制孔直径均为75 mm，不耦合系数为1.5。

图1 计算模型(单位：cm)

1.2 边界条件

考虑长钻孔松动爆破过程的瞬时、超动态性，测量各模型的边界位移相对较难，故计算模型的边界条件均采用零位移。各模型左右两侧施加水平(X轴)方向的约束，上下两端施加垂直(Y轴)方向的约束。

1.3 煤体状态方程参数

选取ANSYS/LS-DYNA材料库中的弹塑性模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC来代替煤体，各项物理力学参数如表1所示。

1.4 炸药状态方程参数

选取ANSYS/LS-DYNA材料库中的高能炸药模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN代替炸药，采用EOS_JWL状态方程[7-8]描述炸药爆炸时的压力-体积膨胀关系：

(1)

表1 煤层物理力学参数

式中，P为炸药爆炸产生的压力；A、B、R1、R2、ω为炸药特性参数;V为相对体积;E0为爆轰产物的初始比内能。

具体参数如表2所示。

表2 炸药参数

2 数值模拟结果及分析

根据有关材料参数，在ANSYS软件中调用LS-DYNA程序进行求解，在后处理器LS-PREPOST中形象地描述出了两个模型在炸药爆炸之后，爆破应力波的传播过程及爆生气体驱动裂纹扩展过程。

2.1 爆破应力波传播过程

两模型应力波传播过程如图2、图3所示。

图2 模型1不同时刻应力波传播状态

为分析爆破后距爆源不同煤体质点处的应力大小，在控制孔与爆破孔的水平连线上设4个观测点：A、B、C、D，距爆源分别为1，1.5，2，2.5 m，各观测点达到有效应力峰值时所对应的爆源距离如图4所示。

图3 模型2不同时刻应力波传播状态

图4 观测点距离爆破孔与其有效应力峰值关系

2.2 爆生气体驱动裂纹扩展过程

通过关键字*MAT_ADD_EROSION将煤体的动态抗拉强度作为单元破坏的计算判据，采用单元失效在煤体中产生裂纹的方法。爆生气体驱动裂纹的扩展过程如图5、图6所示。

2.3 模拟结果分析

由图2和图3可知，在煤体长钻孔松动爆破过程中，爆破应力波以爆破孔为中心，呈同心圆状向周围煤体传播。由图3分析得出，模型2应力波传播过程中，所产生的最大应力都是在爆破孔与控制孔的连线上。对比图2可知，控制孔有效控制了爆炸能量的作用方向，使得炮孔区间及其范围内的煤体能充分利用爆炸所产生的能量，由此说明控制孔在爆破过程中起到了应力导向和应力集中的作用。

图5 模型1不同时刻裂纹的扩展状态

图6 模型2不同时刻裂纹的扩展状态

长钻孔松动爆破是一个超动态瞬时过程，本文以动态抗拉强度来判断观测单元是否失效，煤体动态抗拉强度为30 MPa，如果煤体单元的应力值超过30 MPa，则该单元失效。由图4模型1可知，观测点A、B、C的有效应力值均超过了30 MPa，观测点D的有效应力值低于30 MPa，而应力值30 MPa 处的煤体单元距离爆破孔的距离为2.3 m左右，因此，模型1爆生气体裂纹的有效范围应为2～2.5 m，即有效松动半径为2～2.5 m。

由图4模型2可知，煤体单元距离爆破孔2.45 m 之内时，该单元的有效应力值超过30 MPa，因此，模型2的有效裂纹长度为2.45 m，即有效松动半径范围为2.45 m。有效裂纹长度稍大于模型1，说明控制孔有利于其附近裂纹的扩展。

对比图5和图6可知，模型2产生的裂纹数比模型1更多、更发育，特别是控制孔附近。说明控制孔确实有利于裂纹的扩展以及裂隙区的增大，同时验证了前文分析的正确性。

3 结 语

采用数值计算方法，模拟出了不同布孔参数下长钻孔松动爆破应力波的传播过程及爆生气体驱动裂纹的扩展过程，数值模拟结果说明控制孔在爆破过程中起到了应力集中、导向及有利于裂纹扩展的作用，从而达到更好的松动爆破效果，模拟煤层长钻孔爆破的有效松动半径为2～2.5 m。

利用数值模拟研究提供的结果，应用到安泰煤矿三采区3363刨煤机工作面长钻孔松动爆破工程参数优化。根据爆破效果跟班写实数据可知，参数优化后，爆破松动效果良好，日产量较之前提高了近3倍。该研究可为类似条件煤层施工长钻孔松动爆破技术提供参考。

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[3] 潘海洋,徐 颖,范宝宝.深孔松动爆破对巷道围岩稳定性的影响研究[J].中国煤炭,2012,38(8):61-64.

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[5] 李春睿,康立军,齐庆新,等.深孔爆破数值模拟及其在煤矿顶板弱化中的应用[J].煤炭学报,2009,34(12):1632-1636.

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Study on the Range of the Loose Radius of Long-drilling Blasting in Hard Thin Coal Seam

Liu Shiming1Wang Guochao2Chen Weixin1Zhao Meifang1

(1.Institute of Mining Research, Heilongjiang University of Science and Technology;2.Jinzhuang Coal Industry Co.,Ltd.,Datong Coal Mine Group)

In order to determine the range of the loosening radius of long-drilling basting, taking the hard coal seam of the third mining area of Antai coal mine as the research example, the calculation model of the long-drilling loose blasting is established. The propagation process of the stress wave and the growth process of the gas-driven crack under the condition of the single blast hole and the blast hole of the controlled holes are simulated based on ANSYS/LS-DYNA finite element program. The research results show that control holes are beneficial to the extension of blasting crack extension and crack area increases, during the blasting process, the control holes play the role of the stress concentration and stress guidance, the effective range of the blasting loose radius of long-drilling of the test coal seam is 2～2.5 m.

Long-drilling loose blasting, Thin seam, Loose radius, Numerical simulation

2015-03-30)

刘世明(1986—)，男，助教，硕士，150022 黑龙江省哈尔滨市松北区浦源路2468号。