含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破技术研究*

潘泱波，刘泽功

(1.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 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)

0 引言

在煤炭需求量不断提高，煤矿开采强度不断增大的同时，所采煤层的赋存条件逐渐恶劣、开采难度大的问题也随之而来，其中包括开采含有硬夹矸的高瓦斯低透气性复杂煤层。一方面，煤层中的硬夹矸层制约了采煤机的正常割煤作业，严重影响工作面的采出率[1]；另一方面，高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采困难，容易引发瓦斯事故[2-3]。因此，找到一个既能弱化煤层中的硬夹矸，又能使煤层增透的方法成了解决此类复杂煤层开采问题的关键。

近年来，对于深孔预裂爆破在高瓦斯低透气性煤层增透中的应用，许多学者进行了研究。刘健等[4-5]分析了深孔预裂爆破含瓦斯煤体的作用机理;黄文尧等[6]分析了水胶药柱深孔预裂爆破时应力场的分布和爆破裂隙圈的形成过程。然而，由于其爆破裂隙是沿着爆破孔径向无序扩展，能量过于分散无法集中作用，因此学者们在此基础上进行了改进，采用双向聚能爆破的方式将爆破能量汇聚在煤体破碎的方向上。其中穆朝民等[7]对聚能爆破聚能方向和非聚能方向裂隙的演化进行了研究;吕鹏飞等[8-9]探讨了高瓦斯低透气性煤层聚能爆破煤岩体在动载荷下的破坏特性;郭德勇等[10]对聚能爆破煤体致裂过程进行了数值模拟研究，探讨了聚能射流的成型机理、爆炸应力波的传播特征及裂隙扩展机理。

在前人的研究基础上，继续将双向聚能爆破技术进行改进，提出了多向聚能的装药方式[11-12]，通过理论分析、模拟试验和数值模拟相结合的方法，研究多向聚能爆破作用下含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层中煤体与夹矸的损伤特性，研究成果对爆破处理含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层的复杂问题有重要的理论意义和应用价值。

1 多向聚能爆破煤与夹矸致裂机制

普通圆柱形药包爆破后，爆轰产物沿径向无规则的向外传播，而聚能爆破是采用特殊的装药结构，局部提高爆破能量的爆破方式[13]。通过在药卷内部设置聚能罩，使爆轰产物沿垂直于聚能罩两翼面的方向压缩聚能罩，形成高速、高压的聚能射流对围岩侵彻，产生导向裂隙。若聚能罩以延展性金属为材料，则可形成破坏力强的金属射流[14]。多向聚能爆破是从爆破的实际需要出发，通过设置多个聚能罩，在多个方向上形成能量积聚的爆破技术。

在解决含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层的问题中，基于三花眼的布孔方式，相邻的2个爆破孔分别位于夹矸层上下两侧的煤层中。在药包的装药结构上，在水平方向上的两侧分别设置1个聚能罩，在垂直指向夹矸层的方向上设置1个聚能罩，由此形成三向聚能的爆破装药结构。爆破孔布置方式及聚能药卷模型如图1所示。

图1 爆破孔布置方式及聚能药卷模型Fig.1 Layout ways of blasting hole and shaped charge explosive cartridge model

由于爆破孔布置于煤层当中，在垂直方向上，进入孔壁的应力波将由煤体向夹矸传播，在通过煤与夹矸的交界面时，由于介质波阻抗的不同，应力波会发生反射和透射的现象[15]。根据应力波垂直入射不同介质交界面的传播理论，令应力波由煤体向夹矸入射的反射系数为R，透射系数为T，煤的波阻抗为Z1，夹矸的波阻抗为Z2，则有：

(1)

由于煤体波阻抗小于夹矸，则R>0，T>1，即经过交界面后，透射波的强度提高。当采用不耦合装药方式时，进入爆破孔壁的冲击波应力为：

(2)

式中：ρ0为炸药密度，kg/m3;D为爆速，m/s;rb为爆破孔半径，m;rc为药卷半径，m;n为爆轰产物撞击爆破孔内壁时压力增大系数n=8～11。

由于爆破孔位于煤体中，则应力波在煤体内的压力P1随传播距离衰减的规律为：

(3)

在煤体增透的水平方向上，应力波衰减规律为：

(4)

在夹矸弱化的竖直方向上，当应力波到达煤与夹矸交界面后，透射进入夹矸的应力波压力P2为：

(5)

透射波压力P3随传播距离的衰减规律为：

(6)

沿径向传播的应力波在煤与夹矸的切向产生拉伸应力，从而形成拉伸破坏产生径向裂隙，根据von-mises准则，煤体(夹矸)产生裂隙的条件为：

σx≥σtd煤，σy≥σtd矸

(7)

式中：σx，σy分别为普通爆破中水平方向上裂隙区内煤体和垂直方向上裂隙区内夹矸内任意一点的有效应力，MPa。

由图1所示聚能药卷的结构可以看出，聚能罩分布呈轴对称且非中心对称的结构，因此，可认为水平方向上左右两侧聚能效果相同，且垂直的单向聚能效果与水平的双向聚能效果不同，从而引入水平方向聚能系数K1和垂直方向聚能系数K2，即水平聚能方向上裂隙区内煤体和垂直聚能方向上裂隙区内夹矸内任意一点的有效应力分别满足：

(8)

令普通爆破煤与夹矸内产生的裂隙范围分别为Rx和Ry，多向聚能爆破时煤体与夹矸内产生的裂隙范围为Rx′，Ry′，联立式(4)～(8)，可得聚能爆破和普通爆破煤与夹矸内产生的裂隙范围的关系为：

(9)

2 爆破测试分析

2.1 测试方案及模型设计

为了验证多向聚能爆破的实际效果，利用爆破试验装置(图2)进行普通装药和多向聚能装药的爆破对比试验。制作的试件为边长300 mm 的正立方体，由水泥、砂子和石膏等按比例制作而成。

图2 爆破试验装置Fig.2 Blasting test device

2.2 聚能药包制作

爆破采用自制药包，药包的外壳采用PVC线管，长度为100 mm，直径为20 mm，壁厚约1 mm。对于多向聚能药卷，聚能罩的材料选取厚度为0.08 mm的紫铜片，制成时首先取3个100 mm×12 mm的紫铜片，沿中轴线折起，使其锥角约为60°，利用AB胶将聚能罩粘贴于PVC 管内壁，如图3所示。为了达到对比普通爆破与聚能爆破效果的目的，2组试验将采用相同的装药量。试验采用8号雷管，雷管内含有起爆药雷酸汞约0.4 g，猛炸药黑索金约0.7 g，炸药选用水胶炸药，根据前期爆破测试经验，该尺寸试件达到较好的爆破效果时，水胶炸药使用量为3～4 g，本次试验选择药量为3.5 g。

图3 多向聚能药卷Fig.3 Multi-direction shaped charge explosive cartridge

2.3 测试结果分析

制作好的相似模拟试件需养护4周后开始试验。普通爆破后，试件表面产生的裂隙如图4(a)所示，裂隙以爆破孔为中心向外无规则发散，其形态蜿蜒曲折，且每条裂隙的宽度基本相同，充分反映了普通爆破中爆轰产物沿径向传播的均匀性。而从图4(b)所示的多向聚能爆破后试件损伤情况可以看出，水平双向及竖直单向的聚能爆破使得试件产生的裂隙呈现明显规律性，主裂隙发育的方向为3个聚能罩所对应的方向，而没有聚能罩的方向上，爆破孔周围仅存在极小的裂纹。较普通爆破而言，裂隙的宽度更大，形状更加笔直。由此可见，聚能罩对爆轰产物具有导向作用，将能量集中在设定的3个方向上，产生了更宽、更直的主裂隙，从而验证了多向聚能爆破的可行性和科学性。

图4 不同装药方式爆破后试件的损伤Fig.4 Damage of specimens after blasting with different charging modes

3 数值模拟分析

3.1 计算模型建立

模拟的现场实际煤层厚度为1.8 m，其中含有厚度为0.4 m的夹矸，为减少计算量，只考虑煤、夹矸和小部分顶底板岩层，利用ANSYS/LS-DYNA软件建立2个单层单元的有限元模型，模型尺寸为长2 m、高3 m，如图5所示。将模型的左右两侧设为对称边界，上下两侧设为透射边界，爆破孔孔径为75 mm，相邻2个孔位于夹矸上下两侧的煤层之中。

图5 数值计算模型Fig.5 Numerical calculation model

3.2 模型材料的状态方程及参数

1)空气采用Null材料模型。状态方程采用Linear Polynomial多线性状态方程：

P=c0+c1μ+c2μ2+c3μ3+(c4+c5μ+c6μ2)E

(10)

式中：c0～c6是状态方程系数，c0=c1=c2=c3=c6=0，c4=c5=0.4；μ为体积比，μ=1.4；E为单位体积内能，2.5×105J/m3。

2)煤体、夹矸及煤层顶底板岩石均采用Plastic Kinematic材料模型，由于材料的破坏主要为受压破坏和受拉破坏2种形式，因此定义当各材料中质点单元所受应力小于等于最大抗压强度时受压破坏，大于等于最小抗拉强度时受拉破坏。各材料的物理力学参数见表1。

表1 各材料的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of each material

3)炸药采用High Explosive Burn材料模型和JWL状态方程，其表达式为：

(11)

式中：A，B，R1，R2和ω均为炸药参数，A=340 GPa，B=7.33 GPa，R1=4.15，R2=0.95，ω=0.3；E为单位体积炸药爆轰能量，7.0×109J/m3；V为相对体积，V=1。炸药密度为1 630 kg/m3，爆速为6 930 m/s。

4)金属聚能罩采用Johnson Cook材料模型及Gruneisen状态方程，其压力表达式为：

(12)

式中：C为vs-vp曲线的截距，m/s；vs和vp分别为爆轰波速和质点速度，m/s；s1，s2和s3分别为vs-vp曲线斜率的系数，s1=1.49，s2=0.6，s3=0；γ0为Gruneisen系数，γ0=1.99；a为γ0的一阶修正系数，a=0.47；μ为体积比，μ=ρ/ρ0-1，ρ和ρ0分别为材料变形后的密度和初始密度，kg/m3，ρ0=8 960 kg/m3。

3.3 模拟结果与分析

运用LS-Prepost后处理软件对模拟的结果进行分析，首先沿YZ面将模型对称展开，分别截取2组模型在300，600和900 μs时的裂隙发育图，如图6、图7所示。在爆破初期，爆轰产物冲击爆破孔围岩，在一定范围内形成粉碎区，在300 μs时，2组模型均处于粉碎区的形成过程，而图7(a)中，在爆破孔的两侧及面向夹矸的一侧已经形成了初始导向裂隙。

在粉碎区之后，随着冲击波的衰减，围岩在环向拉应力的作用下形成径向裂隙向外延伸，对比图6(b)和7(b)，聚能爆破中，在初始导向裂隙的引导下，爆轰产物继续对煤体及夹矸侵彻，在沿着3个聚能罩的方向上形成了3条明显的导向裂隙，而在没有聚能罩的方向上，仅形成较小的裂隙。普通爆破产生的裂隙则是向四周发散的网状结构，从裂隙的宽度和形态上看，聚能爆破的裂隙发育都明显优于普通爆破。

图6 普通爆破不同时刻裂隙发育Fig.6 Crack development of ordinary blasting at different times

随着应力波继续向外传播，900 μs时，聚能爆破中伴随着3条导向裂隙的延伸，其上形成了许多分支裂隙，如图7(c)所示，而普通爆破裂隙则是在原有裂隙的基础上向外做了延伸。对比图6(c)和7(c)，在裂隙发育区，聚能爆破的裂隙发育长度更长，穿透力更大，在聚能方向上影响的范围更广。

图7 多向聚能爆破不同时刻裂隙发育Fig.7 Crack development of multi-direction shaped charge blasting at different times

对比图4、图6和图7，在裂隙发育的形态上，2组爆破模型的模拟结果与试验测试的实际结果较为吻合，此外，由多向聚能爆破的裂隙发育过程可以看出，聚能罩对爆炸能量的积聚及裂隙发育起着关键作用，在设置聚能罩的方向上，导向裂隙形成，而在无聚能罩的方向上则反之。为考察形成导向裂隙前冲击波的传播规律，截取2组模型在爆破初期100，150和200 μs时的有效应力云图，如图8、图9所示。

当应力波从煤体进入夹矸时，由于夹矸的波阻抗大于煤体，透射波叠加增强，又因为应力波在不同介质中波速的不同，因此应力云图呈现图8(a)和9(a)中的形态。100 μs时，相比较普通爆破，在垂直向上的方向，聚能爆破已初显应力积聚现象；150 μs时，由图8(b) 和图9(b)可以清晰地看出聚能爆破中高应力区开始在3个聚能方向上集中，而在非聚能方向，应力相对减弱。随着应力波继续传播，到200 μs时，高应力区进一步在聚能方向上向外推移。为考察多向聚能装药在不同方向上对爆破的影响，在3个方向上距离爆破孔同为200 mm处取点(如图5中所示1,2和3)，导出各点的有效应力时程曲线，如图10、图11所示。

图8 普通爆破初始阶段不同时刻有效应力Fig.8 Effective stress at different times in initial stage of ordinary blasting

图9 多向聚能爆破初始阶段不同时刻有效应力Fig.9 Effective stress at different times in initial stage of multi-direction shaped charge blasting

图10 普通爆破各测点应力时程曲线Fig.10 Time history curves of stress at each measuring point in ordinary blasting

图11 多向聚能爆破各测点应力时程曲线Fig.11 Time history curves of stress at each measuring point in multi-direction shaped charge blasting

普通爆破时，2和3点由于同处煤层中，与爆破孔距离相同，其应力峰值及曲线形态较为相似，而1点处于夹矸中，由于透射波叠加增强的特点，1点应力峰值略高于其余2点。对比2种爆破方式，聚能爆破中1和2点的应力峰值得到增强，而3点减弱。2组模型中1测点的应力峰值分别为10.34 MPa和12.51 MPa，在夹矸弱化聚能方向上，聚能爆破的应力峰值是普通爆破的1.21倍，即为垂直方向聚能系数K2；2测点的应力峰值分别为9.85 MPa和11.97 MPa，在煤层增透聚能方向上，聚能爆破的应力峰值是普通爆破的1.16倍，即为水平方向聚能系数K1；3测点的应力峰值分别为9.78 MPa和7.94 MPa，在非聚能方向上，聚能爆破的应力峰值是普通爆破的0.81倍。由此可见，多向聚能爆破在不同的聚能方向上应力波峰值得以不同程度的增强，而在非聚能方向上，应力波峰值大幅降低。

4 结论

1)在双向聚能爆破的基础上，提出了多向聚能爆破技术，从理论上分析了普通爆破和多向聚能爆破应力波的传播规律，研究了多向聚能装药对爆破的影响，引入了夹矸弱化和煤层增透方向的聚能影响系数，并计算得出了不同方向上裂隙的范围。

2)相似模拟试验表明聚能罩能够积聚爆破能量，并在其方向上形成导向裂隙，验证了多向聚能爆破的可行性和科学性。数值模拟结果表明，普通爆破产生的裂隙呈发散的网状结构，而多向聚能爆破在聚能方向上形成了以3条明显的导向裂隙为主，大量分支裂隙为辅的裂隙网，较普通爆破的影响效果更佳。应力云图中，聚能方向上为高应力区，从各个方向上距爆破孔相同距离测点的应力时程曲线发现，多向聚能爆破在夹矸弱化和煤层增透方向上应力峰值分别为普通爆破的1.21和1.16倍。

3)通过在药卷内设置多个聚能罩，将爆破能量集中在多个方向上，产生更规则、更长、更宽，穿透力更强的导向裂隙，在含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层的复杂问题中，爆破能量在3个方向上得到聚集，在提高破碎坚硬夹矸能力的同时提升煤体中裂隙的发育程度，大幅优化了爆破效果。