煤层预裂爆破应力波传播规律及增透机理模拟研究*

徐向宇，姚邦华，魏建平，王登科，王云刚

(1.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，焦作 454000；2.河南理工大学 安全科学与工程学院，焦作 454000；3.煤炭安全生产河南省协同创新中心，焦作 454000)



煤层预裂爆破应力波传播规律及增透机理模拟研究*

徐向宇1,2,3，姚邦华1,2,3，魏建平1,2,3，王登科1,2,3，王云刚1,2,3

(1.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，焦作 454000；2.河南理工大学 安全科学与工程学院，焦作 454000；3.煤炭安全生产河南省协同创新中心，焦作 454000)

摘要:预裂爆破可以增加开采煤层的透气性系数，提高煤层瓦斯抽采率，为煤层的快速消突提供了一种有效的技术手段。为了考察不同影响因素条件下预裂爆破对煤层的增透效果，基于岩石力学、弹性波、爆破等相关理论，利用有限元模拟软件ANSYS/LS-DYNA，数值模拟分析了不同装药量、孔间距等条件下的爆破煤体裂纹扩展及爆破应力的传播特征，得到了装药量、孔间距对预裂爆破增透效果的影响特征。研究结果表明：(1)爆破应力波以爆破点为起点，随着传播距离的扩大不断衰减，裂纹扩展与爆破应力波的传播方向一致，裂纹的分叉及其贯通具有一定的随机性。(2)预裂爆破存在一个最佳的装药量，装药量过大或过小均无法达到充分开裂煤体、增大透气性的目的。(3)控制孔对爆破应力在传播过程中具有减缓其衰减的作用，其减缓作用与孔间距有关，呈现随着孔间距的增加，其减缓作用先增大后减少的规律。研究成果对利用预裂爆破实现突出煤层卸压增透、快速消突具有一定的指导意义。

关键词:爆破；装药量；控制孔；数值模拟

我国煤矿已经进入了深部开采时代，由此带来的高地应力、高瓦斯含量、低透气性的一些系列问题，导致煤层瓦斯抽放效率底下，采掘接替紧张，突出日益严重，严重制约了我国煤矿生产安全高效发展。预裂爆破利用爆破能量，使开采煤体应力环境发生变化，不仅增加了卸压区的范围，同时原本裂隙不太发育的煤体变为裂隙发育体，提高了煤层的透气性，进而缩短了煤层预抽周期，为煤层的快速消突提供了一种有效的技术手段，并得到广泛的试验验证[1]。

在岩石爆破理论方面国内外学者已经开展了大量的研究，早在上个世纪五十年代W l Duvall等人首先提出了岩石爆破反射波理论，随后国外一些学者完善和发展了爆破理论及技术，并进一步提出了岩石爆破的弹性力学模型[2]、断裂力学模型[3]、损伤力学模型以及逾渗模型等[4-6]。之后，美国学者D K Holmes通过大量的实验和理论研究在光面爆破的基础上发明了预裂爆破，并在水利，隧道开挖等工程中得到了广泛的应用[7]。

在工程爆破中引入控制孔，主要是为了使爆破应力波在控制孔周围发生反射和入射作用[8]，当爆破主裂纹扩展到控制孔附近时，主裂纹尖端动态应力强度因子会出现上升的趋势，使其在整个爆破过程中起到了能量聚集和引导爆破裂纹生成的作用[9,10]。有研究表明若控制孔尺寸越大，爆破后其周围形成的裂隙带就越明显，致裂效果就越明显[11]。有学者研究认为预裂爆破可以改变煤的微观结构[12,13]，而煤体本身的硬度、煤层的瓦斯压力及地质构造(如断层)对预裂爆破提高煤层透气性具有促进效果[14-16]。煤体在爆炸荷载作用下，裂纹的形成和扩展主要是由于压缩波和卸载波共同作用形成的，但是随着开采深度的增加，地应力的不断升高，地应力对爆破裂纹的扩展抑制作用就越大[17]。而不同的耦合装药结构对爆破应力波能量衰减很大影响，合理的耦合装药系数是可以减缓应力波能量衰速度，提高爆破的增透效果[18]。

虽然国内外学者在控制爆破理论和试验等方面取得了很多有价值的研究成果，但预裂爆破的工程参数对爆破效果的影响等方面还缺乏深入的研究。为此，就装药量和爆破孔与控制孔的间距等因素对预裂爆破的消突效果进行模拟分析，研究成果对指导现场实践中利用预裂爆破对突出煤层进行快速消突具有一定的指导意义。

1预裂爆破卸压消突机理

根据应力分布情况，我们将采掘工作面前方煤体可分为：卸压区、集中应力区和原始应力区。由于受到采掘作业的影响，卸压区内地应力得到充分释放，煤层瓦斯压力及含量降低，这使得该区域成为预防煤与瓦斯突出的保护区；而在集中应力区内，地应力较大、煤层透气较差，煤层瓦斯释放通道被堵塞，因此成为发生煤与瓦斯突出的主要区域。煤层预裂爆破通过爆破对掘进工作面前方煤体的爆破预裂，使得应力集中区煤层应力降低，转换为卸压区，这样就人为的加大防突保护区的范围,提高了突出煤层的透气性，增大了瓦斯的抽放率、从而达到了快速卸压消突作用。

2预裂爆破数值模型的建立

2.1数值模型的建立

为考察不同因素条件(装药量、爆破孔与控制孔不同孔间距等)对爆破效果的影响，以鹤壁八矿3水平为研究区域，根据矿区岩石力学测试资料，整理得到了模型的相关的力学参数(见表1)。

表1　煤岩体材料物理力学参数

建立的数值计算模型如图1所示，分别为不同装药量下的单孔爆破数值模型以及具有单个控制孔的单孔爆破模型，模型大小均为20 m×20 m。数值计算模型的边界条件为：(1)对于煤层的变形，模型左侧和右侧约束x轴方向的位移；模型底部约束y方向的位移，模型顶部施加15 MPa的垂直应力，模拟600 m的覆岩载荷作用。(2)对于煤层爆破，模型四边均为无反射边界条件。

2.2数值模拟方案

运用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件，共建立了两组爆破数值模型。第一组模型为单孔爆破，不设控制孔，孔径分别为0.03 m、0.05 m、0.08 m和0.11 m，孔径越大，装药量越多，模型编号分别为1、2、3、4，此组模型用以考察装药量对爆破效果的影响；在上述模型模拟结果的基础上，第二组模型保持模拟得到的最佳装药量数值不变，在爆破模型中加入控制孔，探究不同孔间距条件下的爆破应力波传播特点以及爆破裂纹的扩展规律，爆破孔与控制孔间距分别为2 m、3 m、4 m，模型编号分别为5、6、7。数值模拟方案如表2所示。

表2　数值模拟方案

3数值模拟结果及分析

3.1不同装药量下的单孔爆破模拟分析

不同装药量条件下的爆破应力波传播及裂纹扩展状态分别如图2～图5所示，模拟结果显示，不同装药量条件下，爆破应力波以爆破点为起点，随着传播距离的扩大不断衰减，裂纹扩展与爆破应力波的传播方向一致；从图中可以看到，钻孔爆破后钻孔附近形成了破碎带和裂隙带，同时，裂纹的扩展与应力的传播方向一致，而裂纹分叉和贯通则具有一定的随机性。

通过观察图2～图5裂纹扩展情况，发现随着装药量的增大裂隙带的范围是先增大后变小，其裂纹分岔和裂隙之间的连通性也呈现相似的规律，从裂纹扩展和发育来看，孔径为0.08 m时爆破对煤层卸压增透效果最佳，而装药量较小的模型1和模型2，由于装药量小，导致爆破后就不能产生足够能量，因此也就不能够使煤体大范围的开裂。装药越大所产生的爆破能量也就越大，煤体中裂纹发育本应该越充分，但从模拟结果来看并非如此，反而是装药量较大的模型4，爆破后裂纹发育情况要差于模型3。为了分析其原因，将不同装药量爆破过程中不同时刻的应力峰值提取出来，绘制不同装药量下应力随时间变化关系图，如图6所示。

从图6中可以看出，各模型中爆破应力强度均随时间不断衰减，并且装药量越大(如模型4)，其爆破应力衰减幅度也就越大，即装药量越大前期爆破能量损失也就越大，这一部分损失能量主要煤体破碎做功，损失能量越大，爆破后形成的破碎带就越大，从裂纹扩展图中也显著的反映了这一点。

而预裂爆破技术作为一种消突措施，其根本目的并非是破碎煤体，而是为了开裂煤体，增大煤体裂隙及提高煤体裂隙的贯通性，进而达到对突出煤层卸压增透的目的。若装药量过大，不仅会浪费炸药，而且爆破会使得煤体过分破碎，有可能会因爆破诱导突出，这是非常危险的；但如果装药量过小，就无法达到充分开裂煤体，增大煤体透气性的目的，因此，预裂爆破存在一个最佳的装药量。在本文模拟条件下，最佳的装药量对应的爆破孔孔径为0.08 m左右。

3.2单个控制孔的单孔爆破数值模拟分析

上述模拟得到的最佳装药量(孔径为80 mm)保持不变，同时将控制孔引入到爆破模型中，建立不同控制孔与爆破孔孔间距(2 m、3 m、4 m)的爆破数值模型，模拟得到的爆破应力波传播及裂纹扩展状态，如图7～图9所示。

从裂纹扩展图中可以看出，模型6无论是爆破裂纹的长度还是密度相比于模型5、模型7都要理想。即在上述条件下，爆破增透效果最佳对应的钻孔间距为3 m。为分析其原因，在模型3、模型5、模型6、模型7中分别将距爆破孔中心5 m、6 m、7 m、8 m、9 m五个位置上的最大应力峰值提取出来，得到最大应力峰值与传播距离的关系图(如图10所示)。

通过对比分析，发现各模型中最大应力峰值均随着距爆破中心的距离的增加而降低，这表明控制孔只能减缓爆破应力在传播中的衰减幅度，从而延长爆破应力的有效作用时间，但并不能增加爆破应力对煤体的破坏强度。爆破应力在传播衰减过程中，随着控制孔的间距的增加，对其减缓作用先增大后减少，这是因为若间距过小，由于初始爆破应力较大，此时爆破应力就会直接将爆破孔与控制孔之间的煤体致裂，而控制孔的导向致裂作用还未发生，应力波就已经传播过去；而间距过大时应力衰减较大，当传播到控制孔后其峰值应力已经很小了，即使与控制孔表面的拉伸应力与爆破应力共同作用，也不足以使控制孔周围发生致裂现象，此时控制孔的导向至裂作用虽然已经发生，但是却因爆破应力过小未能致裂煤体，使其减缓应力衰减的作用未发挥；只有在合理的孔间距时，控制孔表面沿其与爆破孔中心连线方向的拉伸应力和爆破应力共同作用，使爆破应力以较小的能量损失将煤体开裂，这样才能发挥控制孔减缓应力衰减的作用。因而在预裂爆破技术中是存在一个最佳的控制孔与爆破孔孔间距，间距过大或过小均不能将控制孔的减缓作用完全发挥出来。通过数值模拟可知孔间距为3m时，控制孔对减缓爆破应力传播的衰减作用的效果最好。

4结论

利用计算机有限元模拟软件ANSYS/LS-DYNA，对装药量和爆破与控制孔的间距等不同因素对煤层预裂爆破卸压增透及消突效果进行了模拟分析，得出以下结论：

(1)爆破应力波以爆破点为起点，随着传播距离的扩大不断衰减，裂纹扩展与爆破应力波的传播方向一致，裂纹的分叉及其贯通具有一定的随机性。

(2)模拟分析了不同装药量条件下预裂爆破的裂隙发育情况，研究结果显示，只有合理的装药量可以预裂爆破防突的效果，药量过大，容易使得爆破使煤体过分粉碎，很有可能会因爆破诱导突出；而装药量过小，就无法达到充分开裂煤体、卸压增透的目的。在本文的模拟条件下，最佳的装药量对应的爆破孔孔径为0.08 m左右。

(3)在最佳装药量的基础上，建立了不同的爆破孔与控制孔孔间距的预裂爆破模型，得出了控制孔对裂纹扩展特征，及爆破应力的传播影响规律。研究结果显示，控制孔对爆破应力在传播过程中具有减缓其衰减的作用，其减缓作用与孔间距有关，呈现随着孔间距的增加，其减缓作用先增大后减少的规律。在模拟条件下，爆破孔与控制孔之间最佳间距为3 m左右。

研究结果对于指导煤矿生产过程中预裂爆破煤层增透有一定的参考意义，但由于现场情况的复杂性和多样性，在实际工程应用中，需要结合具体的工况，在保证矿井安全生产的前提下，确定最佳的预裂爆破装药量、爆破孔与控制孔间距等条件，以实现预裂爆破对突出煤层最佳的卸压增透效果。

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Numerical Study of Stress Wave Propagation Behavior and Permability-increasing Mechanism of Pre-splitting Blasting in Coal Seam

XUXiang-yu1,2,3,YAOBang-hua1,2,3,WEIJian-ping1,2,3,WANGDeng-ke1,2,3,WANGYun-gang1,2,3

(1.State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas control,Jiaozuo 454000,China;2.School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;3.Collaborative Innovation Center of Coal Work Safety，Jiaozuo 454000,China)

Abstract:The pre-splitting blasting provides an effective technical means for the rapid elimination of coal seam due to the characteristics of increasing the permeability coefficient of coal seam and improving the coal seam gas drainage rate.In order to investigate the effect of pre-splitting blasting in coal seam under different influence factors,the finite element software ANSYS/LS-DYNA was used to simulate the propagation characteristics of crack propagation and blasting stress in explosive coal under different loading and hole spacing based on the theory of rock mechanics,elastic wave,blasting and so on,by which the effects of charge weight,hole spacing on control pre-splitting blasting were obtained.The results show that:(1)the blasting stress wave propagated from the hole and decreased with the distance increasing,while the fissures expanded along the blasting stress direction;(2) an optimal charge amount of the pre-splitting blasting existed,and the fully cracked coal body or increased permeability won′t be obtained on the case of too large or too small charging;(3)the controlled hole didn′t increase the blasting stress intensity,but slowed down the attenuation in the course of propagation,which related to the hole spacing.The research results help to perform coal seam discharge and pressure increase,rapid elimination process in presplit blasting.

Key words:blasting; charge amount; control hole; numerical simulation

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.007

收稿日期:2016-05-08

作者简介:徐向宇(1985-)，男，河南鹤壁人，硕士、助教，从事煤岩动力灾害防治方面的研究，(E-mail) xuxiangyu@hpu.edu.cn。 通讯作者:姚邦华(1984-)，男，山东潍坊人，博士、讲师，从事煤矿动力灾害防治方面的研究，(E-mail) yaobanghua@126.com。

基金项目:国家自然科学基金项目(51574112、51404100、51304072)；教育部科学技术研究重点项目(213022A)；河南省科技厅基础与前沿技术研究计划(142300413211)；山西省自然科学基金项目(2012012015)；河南省高等学校重点科研项目(15A440010)

中图分类号:TD235.3

文献标识码:A

文章编号:1001-487X(2016)02-0032-07