劉世明 王國超 陳維新 趙美芳

(1.黑龍江科技大學礦業(yè)研究院；2.大同煤礦集團金莊煤業(yè)有限責任公司)

堅硬薄煤層長鉆孔爆破松動半徑范圍研究

劉世明1王國超2陳維新1趙美芳1

(1.黑龍江科技大學礦業(yè)研究院；2.大同煤礦集團金莊煤業(yè)有限責任公司)

為合理確定長鉆孔爆破松動半徑范圍，以安泰煤礦三采區(qū)堅硬煤體為對象，建立了長鉆孔松動爆破計算模型，利用ANSYS/LS-DYNA有限元程序，模擬了單個爆破孔及爆破孔在有控制孔作用下應力波的傳播過程及爆生氣體驅動裂紋的擴展過程。結果表明：控制孔有利于爆破裂紋擴展及裂隙區(qū)增大，且在爆破過程中起到了應力集中和應力導向的作用；確定了該試驗煤層實施長鉆孔爆破后的有效松動半徑為2～2.5 m。

長鉆孔松動爆破 薄煤層 松動半徑 數(shù)值模擬

長鉆孔松動爆破是通過在被爆破對象中打鉆、裝藥，利用炸藥爆炸所產生的能量，使被爆破對象產生裂隙，并逐漸成為裂隙發(fā)育體，最終使被爆破對象得到有效松動的爆破技術[1-3]。近年來，隨著該技術的不斷發(fā)展、完善，將其與薄煤層開采結合到一起，可以為硬質薄煤層的高效回采提供新的技術途徑。但在堅硬薄煤層中實施長鉆孔松動爆破技術后，松動效果的制約因素較多，如測試爆破效果技術比較滯后。近年來有不少學者對爆破過程進行了數(shù)值模擬研究[4-6]，但模擬對象大多是巖石，建立的模型較單一，對于結果參數(shù)的分析也相對單一。為此，筆者以安泰煤礦三采區(qū)堅硬煤體為研究對象，采用數(shù)值模擬方法，對試驗煤層實施長鉆孔松動爆破后的有效松動半徑范圍展開研究，為類似條件煤層現(xiàn)場施工提供可靠參數(shù)。

1 計算模型及材料參數(shù)

1.1 長鉆孔松動爆破數(shù)值計算模型

安泰煤礦三采區(qū)35層煤結構單一，賦存穩(wěn)定，厚度為0.6～0.8 m，傾角為8°～26°，普氏系數(shù)f=2.379，屬堅硬煤層。

為計算方便，將長鉆孔松動爆破模型假設為各向同性的均質彈性體，且由于爆破孔的直徑遠小于其長度，將爆破過程當做平面問題進行研究。為定性分析爆破松動半徑，建立如圖1所示的兩個計算模型：模型1為單個爆破孔，模型尺寸為600 cm×600 cm；模型2在爆破孔周圍布有不裝藥的控制孔，間距為200 cm，模型尺寸為600 cm×600 cm，各模型均采用g-cm-μs的單位制。根據(jù)現(xiàn)場試驗參數(shù)，爆破孔裝藥直徑為50 mm，爆破孔與控制孔直徑均為75 mm，不耦合系數(shù)為1.5。

圖1 計算模型(單位：cm)

1.2 邊界條件

考慮長鉆孔松動爆破過程的瞬時、超動態(tài)性，測量各模型的邊界位移相對較難，故計算模型的邊界條件均采用零位移。各模型左右兩側施加水平(X軸)方向的約束，上下兩端施加垂直(Y軸)方向的約束。

1.3 煤體狀態(tài)方程參數(shù)

選取ANSYS/LS-DYNA材料庫中的彈塑性模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC來代替煤體，各項物理力學參數(shù)如表1所示。

1.4 炸藥狀態(tài)方程參數(shù)

選取ANSYS/LS-DYNA材料庫中的高能炸藥模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN代替炸藥，采用EOS_JWL狀態(tài)方程[7-8]描述炸藥爆炸時的壓力-體積膨脹關系：

(1)

表1 煤層物理力學參數(shù)

式中，P為炸藥爆炸產生的壓力；A、B、R1、R2、ω為炸藥特性參數(shù);V為相對體積;E0為爆轟產物的初始比內能。

具體參數(shù)如表2所示。

表2 炸藥參數(shù)

2 數(shù)值模擬結果及分析

根據(jù)有關材料參數(shù)，在ANSYS軟件中調用LS-DYNA程序進行求解，在后處理器LS-PREPOST中形象地描述出了兩個模型在炸藥爆炸之后，爆破應力波的傳播過程及爆生氣體驅動裂紋擴展過程。

2.1 爆破應力波傳播過程

兩模型應力波傳播過程如圖2、圖3所示。

圖2 模型1不同時刻應力波傳播狀態(tài)

為分析爆破后距爆源不同煤體質點處的應力大小，在控制孔與爆破孔的水平連線上設4個觀測點：A、B、C、D，距爆源分別為1，1.5，2，2.5 m，各觀測點達到有效應力峰值時所對應的爆源距離如圖4所示。

圖3 模型2不同時刻應力波傳播狀態(tài)

圖4 觀測點距離爆破孔與其有效應力峰值關系

2.2 爆生氣體驅動裂紋擴展過程

通過關鍵字*MAT_ADD_EROSION將煤體的動態(tài)抗拉強度作為單元破壞的計算判據(jù)，采用單元失效在煤體中產生裂紋的方法。爆生氣體驅動裂紋的擴展過程如圖5、圖6所示。

2.3 模擬結果分析

由圖2和圖3可知，在煤體長鉆孔松動爆破過程中，爆破應力波以爆破孔為中心，呈同心圓狀向周圍煤體傳播。由圖3分析得出，模型2應力波傳播過程中，所產生的最大應力都是在爆破孔與控制孔的連線上。對比圖2可知，控制孔有效控制了爆炸能量的作用方向，使得炮孔區(qū)間及其范圍內的煤體能充分利用爆炸所產生的能量，由此說明控制孔在爆破過程中起到了應力導向和應力集中的作用。

圖5 模型1不同時刻裂紋的擴展狀態(tài)

圖6 模型2不同時刻裂紋的擴展狀態(tài)

長鉆孔松動爆破是一個超動態(tài)瞬時過程，本文以動態(tài)抗拉強度來判斷觀測單元是否失效，煤體動態(tài)抗拉強度為30 MPa，如果煤體單元的應力值超過30 MPa，則該單元失效。由圖4模型1可知，觀測點A、B、C的有效應力值均超過了30 MPa，觀測點D的有效應力值低于30 MPa，而應力值30 MPa 處的煤體單元距離爆破孔的距離為2.3 m左右，因此，模型1爆生氣體裂紋的有效范圍應為2～2.5 m，即有效松動半徑為2～2.5 m。

由圖4模型2可知，煤體單元距離爆破孔2.45 m 之內時，該單元的有效應力值超過30 MPa，因此，模型2的有效裂紋長度為2.45 m，即有效松動半徑范圍為2.45 m。有效裂紋長度稍大于模型1，說明控制孔有利于其附近裂紋的擴展。

對比圖5和圖6可知，模型2產生的裂紋數(shù)比模型1更多、更發(fā)育，特別是控制孔附近。說明控制孔確實有利于裂紋的擴展以及裂隙區(qū)的增大，同時驗證了前文分析的正確性。

3 結 語

采用數(shù)值計算方法，模擬出了不同布孔參數(shù)下長鉆孔松動爆破應力波的傳播過程及爆生氣體驅動裂紋的擴展過程，數(shù)值模擬結果說明控制孔在爆破過程中起到了應力集中、導向及有利于裂紋擴展的作用，從而達到更好的松動爆破效果，模擬煤層長鉆孔爆破的有效松動半徑為2～2.5 m。

利用數(shù)值模擬研究提供的結果，應用到安泰煤礦三采區(qū)3363刨煤機工作面長鉆孔松動爆破工程參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)爆破效果跟班寫實數(shù)據(jù)可知，參數(shù)優(yōu)化后，爆破松動效果良好，日產量較之前提高了近3倍。該研究可為類似條件煤層施工長鉆孔松動爆破技術提供參考。

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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)

劉世明(1986—)，男，助教，碩士，150022 黑龍江省哈爾濱市松北區(qū)浦源路2468號。