深部煤层水压爆破裂纹扩展规律

李真珍，于建新,，杨小林，褚怀保，王金星，刘焕春

（1. 河南理工大学土木工程学院, 河南 焦作 454003；2. 河南理工大学安全科学与工程学院, 河南 焦作 454003）

煤层气（煤矿瓦斯）是储存在煤层及煤系地层的烃类气体，主要成分是甲烷，其热值与天然气相当，是一种优质的清洁能源。我国煤层气储条件具有低饱和度、低渗透性、低储层压力、高质变程度的特点，煤层气开发难度很高。通过改善煤层裂隙发育水平、提高煤层透气性、疏通渗流通道，可以获得理想的煤层气抽取速率和规模。目前广泛使用的方法主要有保护层开采卸压、煤层致裂增渗、扩大钻孔影响半径等[1-3]。然而，由于深部煤层具有高地应力[4]，含瓦斯煤层的微孔隙、低渗透性和高吸附的赋存特征愈发明显，致裂效果不甚理想，因此瓦斯的抽采难度很大。

煤层爆破增透可以增加开采煤层的透气性系数，提高煤层瓦斯抽取率，为煤层的快速消突提供解决途径。相对于空气介质，水压爆破具有应力波作用时间长、能量利用率高的特点，广泛应用于爆破拆除、爆炸成形与整形中[5]。实践证明，在煤层增透方面，水压爆破的传能效率高、安全性好、增透效果显著，具有绝对的优势和广阔的应用前景[6-8]。

国内外学者采用理论分析、模型实验、动态冲击、数值模拟等方法，对岩石爆破动力学问题开展了大量的研究，取得了丰硕的成果。陈士海等[9]根据水介质特性和爆炸作用特点，得到岩石水压爆破不产生粉碎区时的最佳不耦合系数，计算得出粉碎区、裂隙区与炮孔半径的关系。邵珠山等[10]通过理论分析得到了冲击波在水中的传播规律、孔壁处冲击压力与不耦合系数的关系、岩石质点位移随质点距爆心距离的变化规律，以及岩石在应力波作用下的破裂机理和破裂区范围。徐向宇等[11]通过数值模拟得出裂纹扩展与爆破应力波传播方向的关系，以及最佳装药量、控制孔对爆破应力波的影响。Huang等[12-13]通过水压爆破真三轴模型实验，得出致裂煤体的裂隙范围呈椭圆形，并得到了水压爆破后再进行水力压裂时裂隙煤岩体的裂纹扩展规律；Zhu 等[14-15]采用AUTODYN 2D 分析了起爆位置、边界条件、耦合介质、钻孔直径、装药直径和节理因素对应力波传播及岩石裂纹扩展的影响规律。朱飞昊等[16]利用LS-DYNA 软件建立了水和空气耦合装药的松软煤体爆破模型，得出水耦合装药在松软煤体中形成的裂纹数量以及裂隙区范围明显较优，形成的压、拉应力峰值分别是空气耦合装药爆破的3.71 和2.58 倍。

国内外学者通过理论分析、模型实验及数值模拟等方法，对岩石爆破增透的影响范围、影响因素、增透效果等进行了研究，对于岩石爆破致裂增透技术的应用、水压爆破裂纹扩展及应力波传播规律的探索具有较强的指导意义。然而，目前大多数研究主要针对岩石爆破，对于含有瓦斯的煤岩，其研究成果并不能完全适用。就当前的大部分研究成果而言，关于高地应力条件下的深部煤岩，水压爆破增透研究尚未形成完整的理论体系，不同的地应力、装药量、不耦合系数条件下，水压爆破对煤层爆破致裂效果的分析仍不充分。为此，本研究针对地应力、不耦合系数等因素对水压爆破煤层增透效果进行模拟分析，以期为高地应力条件下的低渗透煤层水压爆破裂纹扩展研究提供一些参考。

1 煤层水压爆破数值模拟

1.1 模型的建立

建立简化平面应变数值计算模型，如图1 所示，中间孔为水压爆破孔，直径为7.5 cm，两侧为控制孔，模型尺寸为100 cm×100 cm。对整个模型施加z方向位移约束，底部施加y方向位移约束，周边施加x方向水平地应力 σx，顶部施加y方向竖直地应力 σy，整个模型四周为非反射边界条件。

图1 数值计算模型Fig. 1 Model of numerical calculation

1.2 材料参数

为考察不同因素（地应力、不耦合系数等）对水压爆破煤层致裂效果的影响，以炮孔周围煤层为研究对象。煤层选用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型进行描述，该模型适用于各向同性和动态塑性硬化模型，并考虑了速度效应，相关力学参数如表1 所示，其中： ρ为密度，E为杨氏模量，c为应变率参数， ν为泊松比。

表1 煤层的主要力学参数Table 1 Main mechanical parameters of coal seam

炸药为2 号岩石乳化炸药，采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 材料模型模拟，状态方程选用*EOS_JWL，其表达式为

式中：p为爆生气体压力，单位MPa；V为相对体积，单位m3；E0为爆轰产物的初始内能比，单位GPa；A、B、R1、R2、 ω为实验确定的常数。相关参数列于表2，其中：D为爆速，pCJ为Chapman-Jouguet 压力。

表2 炸药及其状态方程的主要参数Table 2 Main parameters of explosive and equation of state

表3 空气及其状态方程的主要参数Table 3 Main parameters of air and equation of state

表4 水及其状态方程的主要参数Table 4 Main parameters of water and equation of state

1.3 数值模拟方案

运用ANSYS/LS-DYNA 数值模拟软件，共建立3 组模型。第1 组是不同地应力条件下的单孔水压爆破（双控制孔不耦合系数r=1.5），对整个模型周边x方向和顶部y方向施加模拟地应力，地应力分别为1、5、10、20 MPa，对应的模型编号分别为1、2、3、4，用于考察地应力对水压爆破的影响。第2 组模型是在相同的地应力（20 MPa）条件下，分析不耦合系数对水压爆破的影响，爆破孔径保持7.5 cm 不变，通过改变装药直径调整不耦合系数，不耦合系数r分别为1.0、1.5、2.0、3.0，不耦合系数越大，装药直径越小，装药量越少，对应的模型编号分别为5、6、7、8。第3 组模型是在相同的地应力（10 MPa）和不耦合系数（r=1.5）条件下，对比分析空气介质耦合与水介质耦合对煤层爆破增透效果的影响，水介质耦合和空气介质耦合模型编号分别为9 和10。

2 数值模拟结果分析

2.1 地应力对水压爆破效果的影响

在不同的地应力条件下，对双控制孔不耦合系数r=1.5 的单孔水压爆破进行模拟。令 σx和 σy均等于1、5、10、20 MPa，以模拟不同的围压条件，提取相同时刻、不同地应力条件下水压爆破应力波传播及裂纹扩展图像，如图2 所示。

图2 不同地应力条件下不同时刻应力波的传播及裂纹扩展Fig. 2 Propagation of stress wave and cracks at different time under different geostresses

结果显示，对于双控制孔不耦合系数r=1.5 的单孔水压爆破，应力波（绿色）以爆破中心点为起点向四周扩散，裂纹（白色）扩展方向也由爆破中心向四周扩散，与应力波传播方向一致。爆破孔周围的横向裂纹和纵向裂纹发育明显，形成密集的环形裂纹区域，这是由于爆炸产生的高应力波从水中透射进入煤层，应力波的初始应力远高于煤体抗压强度，在爆破孔附近形成粉碎区，随应力波衰减形成裂隙区[16]。观察图2 所示的裂纹扩展情况可以发现，在同一时刻，随着地应力的增加，裂隙范围逐渐减小，裂纹逐渐变细变短。

利用LS-PrePost 软件中的History 板块Global-Knietic Energy 选项，提取不同地应力条件下破碎区煤层的动能数据，采用Origin 软件绘制水压爆破过程中的动能-时间曲线，如图3 所示。观察图3 可知，煤层水压爆破所产生的动能随地应力的增大而减小，地应力为1 MPa 时的最大动能约为20 MPa 时的1.05 倍。结合图2 可知，双控制孔煤层单孔水压爆破增透时，地应力增大使得煤层中爆破产生的动能减小，阻碍爆破应力波传播，致使裂纹扩展范围减小，爆破效果变差。

图3 不同地应力条件下的动能-时间曲线Fig. 3 Kinetic energy-time curves under different geostress conditions

为分析其原因，在爆破孔与控制孔水平方向上的中间位置选择目标点A，利用LS-PrePost 软件中的History 板块Element-Effective Stress (v-m)选项，提取不同地应力条件下点A的最大有效应力，绘制地应力-最大有效应力曲线，如图4 所示。

从图4 中可以看出，随着地应力的增大，目标点A的最大有效应力逐渐降低，并且1～10 MPa地应力范围内最大有效应力的下降趋势明显，地应力大于10 MPa 时下降趋势变缓，与图2 所示的裂隙区横向和纵向裂纹扩展长度的变化趋势一致。1～10 MPa 地应力区间最大有效应力的下降值是10～20 MPa区间有效应力下降值的83 倍，即随着地应力的增大，点A的最大有效应力下降趋势先增强后减弱，当地应力大于10 MPa 时，深部水压爆破受地应力的影响较小。

图4 点A 的最大有效应力Fig. 4 Maximum effective stress at point A

通过对比分析可知，对于双控制孔不耦合系数r=1.5 的单孔水压爆破，水压爆破应力波对煤层的压力荷载受到地应力的抑制作用，从而影响裂纹扩展发育，随着地应力的增大，煤层裂纹扩展范围逐渐减小，横向和纵向裂纹长度变短、宽度变细，裂隙区范围逐渐减小。由此可以得出：双控制孔煤层单孔水压爆破时，地应力增大会限制煤岩体变形，使爆破空腔缩小，爆破应力波传播受阻，裂纹扩展范围减小，煤层致裂效果变差。

2.2 不耦合系数对水压爆破效果的影响

改变装药直径，在相同围压（ σx、 σy均为20 MPa）条件下，研究不耦合系数对双控制孔煤层单孔水压爆破的影响，不耦合系数不同时各时刻爆破应力波的传播及裂纹扩展情况如图5 所示。

图5 不同时刻不同不耦合系数条件下的应力波传播及裂纹扩展Fig. 5 Propagation of stress wave and cracks at different time under different uncoupling coefficients

模拟结果显示，爆破应力波（绿色）以爆破中心点为起点，随着传播距离的增加而不断衰减，裂纹（白色）扩展方向与爆破应力波传播方向一致。随着不耦合系数的增大，装药直径减小，即装药量减少，起爆能量降低，破碎区范围减小，裂隙区范围先增大后减小。当r=1.0 时，装药量过大，起爆能量高，导致过度破碎，裂纹发育不良，不利于煤层爆破增透；当r=3.0 时，装药量过少，起爆能量低，导致破碎区范围较小，在控制孔的导向作用下，裂纹发育呈“十字形”展开，此时增透效果较差。随着不耦合系数的增大，裂纹发育扩展区域先增大后减小，r=3.0 时的裂隙区扩展范围小于r=2.0 时的情况。

为了分析其原因，在起爆孔与控制孔水平方向上，近起爆点1/3 位置选择目标点B，如图6 所示，提取该点的有效应力，得到不同不耦合系数下有效应力时程曲线，如图7 所示。

图6 目标点B 的选取Fig. 6 Selection of target point B

从图7 可以看出：r在1.0～3.0 区间时，点B的有效应力先增大后减小；当r=2.0 时，有效应力达到最大值，为153 MPa；当r=3.0 时，有效应力峰值最小，为46 MPa；当r在1.0～2.0 区间时，r=2.0 时的有效应力峰值约为r=1.0 时的2.06 倍，有效应力峰值和有效应力作用时间均逐渐增大；当r>2.0 时，点B的有效应力峰值最低，且有效应力峰值和有效应力作用时间均减小，低于r=1.0 时的各项参数，此时装药量过小，起爆能量过低。

图7 目标点B 的有效应力随时间变化曲线Fig. 7 Relationship between effective stress and time at point B

由此可知，对于双控制孔煤层单孔水压爆破，不耦合系数过大或过小均不利于煤层致裂，当不耦合系数r处于1.0～3.0 区间时，不耦合系数为2.0 时的煤层致裂效果最好。

3 耦合介质对爆破效果的影响

在相同的地应力和不耦合系数条件下，对比分析空气介质和水介质对单孔爆破煤层裂纹扩展的影响。结合上述分析，选取地应力为10 MPa，r=1.5，建立水介质和空气介质的煤层单孔爆破模型，爆破应力波传播及裂纹扩展情况如图8 和图9 所示。

图8 水耦合条件下应力波传播及裂纹扩展Fig. 8 Propagation of stress wave and cracks under the condition of water coupling

图9 空气耦合条件下应力波传播及裂纹扩展Fig. 9 Propagation of stress wave and cracks under the condition of air coupling

从碎裂区范围和裂隙区扩展发育情况来看，水介质中的裂纹发育及应力波传播范围均优于空气介质，对于双控制孔煤层单孔爆破，采用水介质时应力波的传播效率更高，裂纹扩展范围更大。如图10所示，在爆破孔与控制孔之间等距离取3 个点C、D、E，绘制各点的有效应力随时间的变化曲线，如图11、图12 和图13 所示。

图10 目标点C、D、E 的选择Fig. 10 Selection of target points C, D and E

图11 目标点C 的有效应力时程曲线Fig. 11 Effective stress-time curves at point C

从图11、图12 和图13 可以看出，水介质中点C、D、E处的有效应力最大值分别是空气介质的1.35、1.93 和2.76 倍，且水介质中点C的有效应力作用时间大于空气介质中，D、E两点处应力波产生的有效应力峰值不足以破坏煤体。总体来看，水介质中的有效应力大于空气介质中的有效应力，说明对于地应力为10 MPa、不耦合系数r=1.5 的双控制孔煤层单孔爆破，选取水作为耦合介质有利于应力波的传播和裂纹的扩展发育。

图12 目标点D 的有效应力时程曲线Fig. 12 Effective stress-time curves at point D

图13 目标点E 的有效应力时程曲线Fig. 13 Effective stress-time curves at point E

4 结 论

(1) 通过对比分析不同地应力情况下双控制孔不耦合系数r=1.5 的单孔水压爆破，发现高地应力对煤层受到的爆破应力荷载产生抵消作用，使爆破产生的裂隙区裂纹的横、纵向扩展范围减小，裂纹变短变细。

(2) 对于双控制孔煤层单孔水压爆破，在相同地应力、不同不耦合系数的条件下，随着不耦合系数的增大，爆破裂隙区范围先增大后减小。炸药过多，会导致粉碎区范围较大，煤层过度粉碎，不利于煤层增透；炸药过少，起爆能量较低，粉碎区和裂隙区范围较小，不能达到煤层增透的效果。模拟实验得出，当地应力为20 MPa、不耦合系数r在1.0～3.0 范围内时，最佳不耦合系数为2.0。

(3) 对比分析了水和空气两种耦合介质对双控制孔煤层单孔爆破增透的影响，水介质条件下应力波的传播范围优于空气介质，煤层爆破产生的裂隙区范围大于空气介质。在煤层爆破有效区域内，水介质条件下产生的有效应力最大值是空气介质条件下的1.35 倍。在地应力为10 MPa、不耦合系数r=1.5 的双控制孔煤层单孔爆破增透中，选取水作为耦合装药介质更有利于能量传播和煤层增透裂纹的扩展发育。