朱飛昊， 劉澤功， 高 魁， 劉 健

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

爆破技術(shù)在我國的煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，如煤層深孔爆破預(yù)裂增透[1]，堅(jiān)硬頂板[2]以及堅(jiān)硬頂煤爆破弱化[3]，爆破掘進(jìn)[4]等。然而，爆破產(chǎn)生的爆生裂紋無序擴(kuò)展，當(dāng)爆破點(diǎn)位于構(gòu)造帶時(shí)，爆破容易誘發(fā)瓦斯動(dòng)力學(xué)災(zāi)害事故。根據(jù)前人的統(tǒng)計(jì)和研究[5-7]，爆破與煤與瓦斯突出有直接聯(lián)系,即大多數(shù)的煤與瓦斯突出事故是爆破引起的。同時(shí)，前人對(duì)地質(zhì)構(gòu)造帶與煤與瓦斯突出的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和研究，統(tǒng)計(jì)[8-10]表明我國的極大多數(shù)煤與瓦斯突出事故發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶。邵強(qiáng)等[11]對(duì)華北366對(duì)主要生產(chǎn)礦井進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出構(gòu)造煤分布對(duì)煤與瓦斯突出的控制規(guī)律。韓軍等[12]針對(duì)向斜構(gòu)造探討了煤與瓦斯突出的機(jī)理。郭德勇等[13]研究了平頂山礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育規(guī)律，得到了4 類極易發(fā)生突出的地質(zhì)構(gòu)造類型。然而，將爆破、構(gòu)造帶、煤與瓦斯突出三者聯(lián)系在一起的研究相對(duì)缺乏，且主要集中在統(tǒng)計(jì)規(guī)律上，并沒有針對(duì)爆炸載荷作用下構(gòu)造帶煤巖的損傷破壞特征以及爆生裂紋在構(gòu)造煤巖中的演化規(guī)律進(jìn)行深入的研究。

貴州中田煤礦[14]項(xiàng)目部開掘主斜井，掘進(jìn)至距離井口400 m時(shí)，地質(zhì)條件發(fā)生變化，煤層變厚。2014年1月4日11時(shí)29分，井下爆破掘進(jìn)導(dǎo)致了工作面漏頂，進(jìn)而誘發(fā)煤與瓦斯突出事故，事故造成了4人死亡，構(gòu)成直接經(jīng)濟(jì)損失約427萬元。中田煤礦事故剖面示意圖，如圖1所示。

圖1 中田煤礦“1·4” 較大煤與瓦斯突出事故剖面示意圖

煤厚變異反映了煤層頂?shù)装瀹a(chǎn)狀的變化[15]，是構(gòu)造形式的一種。文章以爆破擾動(dòng)煤厚變異區(qū)的煤巖體為研究對(duì)象，通過理論研究、實(shí)驗(yàn)室模擬以及計(jì)算機(jī)數(shù)值分析相結(jié)合的方法，研究爆破載荷作用下煤厚變異區(qū)的損傷破壞特征，研究成果對(duì)揭示爆破擾動(dòng)煤厚變異帶誘發(fā)煤與瓦斯突出的機(jī)制有重要指導(dǎo)意義。

1 煤厚變異區(qū)力學(xué)模型與應(yīng)力波傳播規(guī)律

1.1 煤厚變異區(qū)煤巖的彈性力學(xué)模型

沒有采掘活動(dòng)干擾時(shí)，頂?shù)装鍘r層與煤層均處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，假設(shè)巖層和煤層均處在線彈性階段，將煤巖結(jié)構(gòu)簡化為組合的彈簧結(jié)構(gòu)，通過3個(gè)彈性元件的串并聯(lián)來描述煤巖組合的力學(xué)模型，煤厚變異區(qū)的煤巖層的彈性力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 煤厚變異區(qū)煤巖的彈性力學(xué)模型圖

煤層和巖層串聯(lián)處的等效彈性模量E表示為：

(1)

式中：E煤為煤體的彈性模量，E巖為巖體的彈性模量；H=Hx+Hy，Hx為煤層的厚度，Hy為巖層的厚度，Hx與Hy均為厚度變量。

根據(jù)彈性力學(xué)平衡原理得到煤巖體的本構(gòu)關(guān)系式

σ1=Eaε

(2)

σ2=Ebε

(3)

σ3=E煤ε

(4)

式中：σ1，σ2，σ3分別為薄煤層區(qū)、煤層變異區(qū)以及厚煤層區(qū)的應(yīng)力；Ea為薄煤層區(qū)的等效彈性模量，Eb為煤厚變異區(qū)的等效彈性模量；ε為模型的應(yīng)變。

聯(lián)系式(1)～(4)，可得

(5)

由于一般情況下E煤σ3，即薄煤層區(qū)的原巖應(yīng)力比厚煤層區(qū)大。

同理可驗(yàn)證σ2>σ3，σ1>σ2即σ1>σ2>σ3，說明隨著煤體厚度的增加，原巖應(yīng)力不斷隨之減小。

為了研究Hx/H的變化對(duì)σ1/σ3值的影響，假定巖煤的彈性模量比值為常數(shù)5，得到煤厚減小率Hx/H與原巖應(yīng)力σ1/σ3的關(guān)系曲線，如圖3所示。

由圖中可知，當(dāng)煤厚減小率從0增長到95%，σ1/σ3的值從1增長為3.57，隨著煤厚減小率的增長，煤厚局部變異區(qū)的應(yīng)力變化梯度不斷增大。

1.2 爆破應(yīng)力波在煤巖體中的反射與透射機(jī)理

波阻抗是指介質(zhì)的密度ρ與其縱波速度c的乘積。爆炸產(chǎn)生的爆破應(yīng)力波從介質(zhì)1(ρ1，c1)穿過交界面進(jìn)入介質(zhì)2(ρ2，c2)，如果兩介質(zhì)的波阻抗不同，則應(yīng)力波在兩介質(zhì)的交界面上將發(fā)生反射與透射現(xiàn)象。由于應(yīng)力波在兩介質(zhì)交界面上具有連續(xù)性，則兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)的振速相等，即

圖3 原巖應(yīng)力比值與煤厚減小率的關(guān)系曲線

vT=vI+vR

(6)

同時(shí)，作用力與反作用力在兩介質(zhì)的交界面上保持守恒，則兩側(cè)的應(yīng)力值相等，即

σT=σI+σR

(7)

式中：下標(biāo)T代表透射波，I代表入射波，R代表反射波。

如果傳播中的爆破應(yīng)力波為縱波，則根據(jù)σ=ρcv，得

(8)

結(jié)合式(6)～(8)得

(9)

可知

1+F=T

(10)

當(dāng)應(yīng)力波由軟介質(zhì)傳入硬介質(zhì)時(shí)，由于波阻抗ρ2Cp2>ρ1Cp2，則F>0，此時(shí)，入射波和反射波同號(hào)，入射壓縮波反射之后仍為壓縮波。同時(shí)，透射系數(shù)T>1，透射波的強(qiáng)度高于入射波。

當(dāng)應(yīng)力波由硬材料傳入軟材料時(shí)，由于波阻抗ρ2Cp2<ρ1Cp2，則F<0，此時(shí)，入射波和反射波異號(hào)，入射壓縮波反射之后變?yōu)槔觳?。同時(shí)，透射系數(shù)T<1，透射波的強(qiáng)度小于入射波。

當(dāng)爆破應(yīng)力波從巖層入射到構(gòu)造松軟煤層時(shí)，是由硬材料傳入軟材料，在煤巖交界面會(huì)出現(xiàn)反射拉伸波，反作用于巖體上，由于巖體的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，因此反射拉伸波會(huì)加劇煤巖交界面處巖體側(cè)的破壞損傷程度。

2 爆破擾動(dòng)煤厚變異區(qū)相似模擬實(shí)驗(yàn)

為了研究爆破載荷作用下煤厚變異區(qū)的損傷破壞特征，在實(shí)驗(yàn)室中搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并建立含變厚軟弱煤層的煤巖體試塊進(jìn)行爆破實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

在實(shí)驗(yàn)室中搭建內(nèi)部腔體尺寸為30 cm×30 cm×30 cm的前后可拆卸實(shí)驗(yàn)箱體，實(shí)驗(yàn)箱體模型如圖4所示。

圖4 爆破實(shí)驗(yàn)箱體示意圖

在箱體兩側(cè)利用φ22 mm的鋼柱制作支撐架，同時(shí)，支撐架上利用Q345的槽鋼制作反力板，由此組成了反力架結(jié)構(gòu)。箱體的上鋼板外側(cè)設(shè)置支撐座以及強(qiáng)力彈簧，支撐座與箱體內(nèi)部的一活動(dòng)板相連。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將液壓千斤頂放置在支撐座上向上加壓，由反力架實(shí)現(xiàn)反作用力，壓力通過支撐座傳至與其相連的活動(dòng)板后，均勻的作用在箱體內(nèi)的試塊模型上，達(dá)到模擬地應(yīng)力的效果。

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

實(shí)驗(yàn)原型取淮南礦區(qū)某礦頂板和構(gòu)造煤層力學(xué)參數(shù)[16]，見表1。

表1 爆破模擬實(shí)驗(yàn)原巖力學(xué)參數(shù)

通過多組材料配比實(shí)驗(yàn),確定了本次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟牧吓浔葏?shù)，見表2。

表2 爆破模擬實(shí)驗(yàn)材料配比參數(shù)

采用CSS-YAM3000電液伺服壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)來測定試塊的力學(xué)性能參數(shù)，并利用YE2538程控靜態(tài)應(yīng)變儀采集出數(shù)據(jù)，得到爆破模擬實(shí)驗(yàn)材料的力學(xué)參數(shù)，見表3。

表3 爆破模擬實(shí)驗(yàn)材料力學(xué)參數(shù)

沿著炮孔垂直向上、向下距離3 cm，6 cm，9 cm，分別埋設(shè)6個(gè)應(yīng)力磚，實(shí)驗(yàn)時(shí)利用SDY2107A超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，應(yīng)力測點(diǎn)的具體布置位置，如圖5所示。

圖5 應(yīng)力測點(diǎn)位置示意圖

利用木板制作成內(nèi)部腔體尺寸為30 cm×30 cm×50 cm的可拆卸木箱澆筑實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停谀鞠涞膬蓚?cè)預(yù)先安置用彩色水筆描繪好變化圖形的紙板。將所需的材料按配比參數(shù)計(jì)算后稱量，在攪拌機(jī)中攪拌均勻，按照紙板上的圖形澆筑試塊，在設(shè)計(jì)位置上預(yù)留爆破孔，同時(shí)在煤巖層中按照應(yīng)力測點(diǎn)設(shè)計(jì)位置埋設(shè)6個(gè)應(yīng)變磚。具體過程，如圖6所示。

圖6 含構(gòu)造軟煤試塊制作示意圖

試塊養(yǎng)護(hù)28天[18]后從木箱中取出，并移入實(shí)驗(yàn)箱體。實(shí)驗(yàn)中使用的炸藥為雷管加導(dǎo)爆索，爆破孔孔徑為15 mm，長度為300 mm，裝藥長度160 mm，前后利用黃泥封孔，封孔長度各為70 mm。利用液壓千斤頂加載12個(gè)小時(shí)后，將雷管和導(dǎo)爆索與起爆器連接，數(shù)據(jù)采集線與SDY2107A超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接，便進(jìn)行爆破模擬實(shí)驗(yàn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

爆破實(shí)驗(yàn)后，拆卸箱體的前后鋼板，試塊正面爆破造成的破壞以及爆生裂紋演化，如圖7所示。

圖7 試塊正面的破壞與裂紋圖

Fig.7 Failure and crack diagram of the front of the specimen

爆破后產(chǎn)生的爆炸沖擊波，其壓力遠(yuǎn)大于巖體的抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致巖體粉碎性破壞，形成的粉碎區(qū)范圍約為36 mm，是爆破孔的2.4倍。在粉碎區(qū)外，爆炸沖擊波傳播并衰減為壓縮應(yīng)力波，其強(qiáng)度不足以使巖石產(chǎn)生壓縮破壞，但會(huì)在巖體的環(huán)向上產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度，當(dāng)拉應(yīng)力值大于巖體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，在巖體中產(chǎn)生徑向裂紋，爆生裂紋沿爆破孔不斷向四周延伸。

圖7中所示，在爆炸應(yīng)力波傳播至煤層時(shí)，發(fā)生了波的透射與反射現(xiàn)象，由于煤體的波阻抗遠(yuǎn)小于巖體的波阻抗，壓縮應(yīng)力波反射成為拉伸波，拉伸波在煤體處形成了反射拉伸裂紋，反射拉伸裂紋沿煤層向下延伸，長度約為35 mm，最終與沿爆破孔向上延伸的徑向裂紋相溝通。

將試塊從箱體中取出，觀察煤層變厚區(qū)域的損傷破壞情況發(fā)現(xiàn)，爆生裂紋均向煤層變厚區(qū)域匯集延伸，形成了一個(gè)集中破壞區(qū)，如圖8所示。

(a) 破壞圖(b) 裂紋圖

圖8 試塊側(cè)面的破壞與裂紋圖

Fig.8 Failure and crack diagram of the side of the specimen

爆破實(shí)驗(yàn)中，由于煤層逐漸變厚，煤體與爆破孔之間的距離不斷縮小，由巖體入射到煤體的爆炸應(yīng)力波強(qiáng)度隨之增大，反射波強(qiáng)度也隨之增大，反射拉伸應(yīng)力在變厚煤體外巖體處形成了更多的拉伸裂紋。同時(shí)，薄煤層與漸變煤層的交匯，形成了一個(gè)半封閉包圍區(qū)域，增加了煤體與爆炸應(yīng)力波的接觸面積，當(dāng)爆炸應(yīng)力波傳播至薄煤層與漸變煤層時(shí)，入射波與反射拉伸波在此包圍區(qū)域內(nèi)交匯，發(fā)生相互疊加作用，形成了應(yīng)力疊加破壞區(qū)，造成的累加傷害導(dǎo)致巖體嚴(yán)重破壞。反射拉伸波造成的巖體破壞而產(chǎn)生的弱面，同時(shí)又引導(dǎo)了其余方向的爆生裂紋向此延伸擴(kuò)展，水平延伸的爆生裂紋最終向煤厚變異區(qū)匯集，致使該處巖體裂紋叢生，裂紋的匯集溝通再次加劇煤厚變異區(qū)外巖體的破壞程度。圖8中，爆破后變厚煤體也出現(xiàn)了損傷，相較于巖體側(cè)，破壞程度較輕。

利用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集并反演計(jì)算得出測點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線，如圖9與10所示。應(yīng)力變化曲線中，負(fù)值代表壓應(yīng)力，正值代表拉應(yīng)力。

圖9 相似模擬1#、2#、3#應(yīng)力測點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

圖9中，1#、2#、3#應(yīng)力測點(diǎn)均布置在爆破孔下方巖層內(nèi)，且與爆破孔保持著等差間距，由于爆轟波在相同介質(zhì)條件下傳播，3個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力曲線呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。爆破后，應(yīng)力均在500 μs內(nèi)出現(xiàn)兩次應(yīng)力峰值，1#應(yīng)力測點(diǎn)的壓、拉應(yīng)力峰值分別為-0.4 MPa和0.39 MPa，2#應(yīng)力測點(diǎn)的壓、拉應(yīng)力峰值分別為-0.29 MPa和0.3 MPa，3#應(yīng)力測點(diǎn)的壓、拉應(yīng)力峰值分別為-0.19 MPa和0.2 MPa。隨著測點(diǎn)與爆破孔距離的增大，采集到的壓、拉應(yīng)力峰值依次減小。

圖10 相似模擬4#、5#、6#應(yīng)力測點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

圖10中，4#測點(diǎn)和1#測點(diǎn)與爆破孔的距離相同，采集得到的應(yīng)力峰值以及曲線的變化規(guī)律也基本一致。5#應(yīng)力測點(diǎn)位于變厚煤層外的巖體處，應(yīng)力變化曲線顯示，500 μs時(shí)拉應(yīng)力出現(xiàn)第一次峰值，應(yīng)力值為0.3 MPa，隨后應(yīng)力曲線經(jīng)過了一段正負(fù)交替，在800 μs時(shí)，拉應(yīng)力出現(xiàn)第二次峰值，應(yīng)力值為0.2 MPa。出現(xiàn)的第二次拉應(yīng)力峰值，是由于入射壓縮波遇到了構(gòu)造軟弱煤層，反射成為拉應(yīng)力反作用于巖體所致。與爆破孔相同距離的2#應(yīng)力測點(diǎn)作比較，相同時(shí)段內(nèi)，5#測點(diǎn)的拉應(yīng)力峰值較2#測點(diǎn)增大了近2倍。6#應(yīng)力測點(diǎn)位于構(gòu)造煤體內(nèi)，壓、拉應(yīng)力峰值分別為-0.09 MPa和0.1 MPa，應(yīng)力波在煤巖交界面發(fā)生透射后，煤體中的應(yīng)力波強(qiáng)度大幅度減弱，但松軟煤體本身的強(qiáng)度較低，透射波依舊存在擾動(dòng)影響。

3 爆破擾動(dòng)煤厚變異區(qū)數(shù)值模擬分析

3.1 建立模型及網(wǎng)格劃分

運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA三維數(shù)值模擬分析軟件，建立尺寸為30 cm×30 cm×30 cm含變厚煤層的煤巖體模型，煤厚變化由2 cm～10 cm，爆破孔孔徑為15 mm，爆破孔位于變厚煤層垂直下方5 cm的位置。建模過程中分別對(duì)巖層、煤層以及爆破孔進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了細(xì)致研究爆破對(duì)周圍的煤巖體的影響，因此細(xì)化爆破孔的網(wǎng)格，模型劃分網(wǎng)格數(shù)共1 068 903個(gè)，計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分，如圖11所示。

(a) 網(wǎng)格劃分圖(b) 沿X-Y垂直截面圖

圖11 數(shù)值模型示意圖及網(wǎng)格劃分

Fig.11 Numerical model and mesh generation

在模型各面上施加無反射邊界條件，即模擬煤巖體模型處在煤礦井下無限大的范圍內(nèi)。數(shù)值計(jì)算模型中，煤巖體采用常應(yīng)力實(shí)體單元LAGRANGE算法，炸藥采用中心單點(diǎn)積分 ALE 多物質(zhì)算法，炸藥和煤巖體之間采用共節(jié)點(diǎn)的方式作用傳力。

3.2 炸藥的狀態(tài)方程及參數(shù)

炸藥采用ANSYS /LS-DYNA軟件中的高能材料模型(MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)來定義，程序以JWL方程作為炸藥的狀態(tài)方程，JWL狀態(tài)方程是表述爆轟產(chǎn)物系統(tǒng)中壓力、體積、溫度等物理量之間的關(guān)系式，能夠體現(xiàn)出炸藥做功的能力，并且能夠較精確地描述爆轟產(chǎn)物膨脹驅(qū)動(dòng)的全過程，因此成為研究和計(jì)算爆炸力學(xué)問題的基礎(chǔ)，JWL狀態(tài)方程如下：

式中：A，B為炸藥特性參數(shù)，GPa；R1、R2、ω為炸藥特性參數(shù)，無量綱；P為炸藥爆炸產(chǎn)生的壓力，MPa；E0為爆轟產(chǎn)物的初始內(nèi)能比，GPa；V為相對(duì)體積，m3。

數(shù)值計(jì)算中，煤巖層的參數(shù)如表所示，模擬過程中炸藥的各項(xiàng)具體參數(shù)，見表4。

表4 炸藥材料參數(shù)表

3.3 材料的參數(shù)及破壞準(zhǔn)則

數(shù)值模擬中的煤巖材料定義，參考相似模擬實(shí)驗(yàn)中爆破試塊的相關(guān)參數(shù)，具體力學(xué)參數(shù)，見表5。

由于爆破時(shí)煤巖體的應(yīng)變率效應(yīng)明顯，因此采用包含應(yīng)變率效應(yīng)的隨動(dòng)塑性硬化材料模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC 來定義煤巖材料。爆炸載荷作用下，煤巖體的破壞形式主要有壓應(yīng)力破壞與拉應(yīng)力破壞兩種，因此定義煤巖體所受拉、壓應(yīng)力 P滿足下式時(shí)，材料破裂失效：

(11)

式中：Pmax表示煤巖體的最大抗壓強(qiáng)度；Pmin表示煤巖體的最小抗拉強(qiáng)度。

表5 煤與巖體物理力學(xué)參數(shù)表

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

模擬運(yùn)算結(jié)束后，用后處理LS-PREPOST軟件進(jìn)行分析，將模型自爆破孔位置，沿X-Y垂直面截開，展現(xiàn)的爆破應(yīng)力云圖，如圖12所示。

(a) t=10 μs

(b) t=20 μs

(c) t=30 μs

(d) t=40 μs

(e) t=50 μs

(f) t=60 μs

應(yīng)力云圖中不同的顏色代表著不同的應(yīng)力波強(qiáng)度。t=10 μs時(shí)，爆破處于初始階段，炸藥在巖體內(nèi)起爆后，產(chǎn)生的有效應(yīng)力在Y-Z面上以規(guī)則的圓環(huán)狀向外輻射。同時(shí)在X方向上，有效應(yīng)力沿炮孔軸向呈圓錐狀傳播。t=20 μs時(shí)，在Y-Z面上，有效應(yīng)力的外圈開始接觸到構(gòu)造軟煤邊緣。t=30 μs時(shí)，有效應(yīng)力傳播至漸變煤層。t=40～50 μs，應(yīng)力波在煤巖體交界面發(fā)生了透射和反射，從顏色上分辨，煤體中透射波的應(yīng)力值較小，而在巖體側(cè)，反射形成的拉伸波與入射應(yīng)力波疊加，形成高應(yīng)力區(qū)域。觀察t=60 μs時(shí)的應(yīng)力云圖，應(yīng)力波在漸變煤層處形成的應(yīng)力疊加區(qū)域最為明顯，該區(qū)域正對(duì)應(yīng)相似模擬實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力波疊加破壞區(qū)，說明爆破應(yīng)力波在此區(qū)域造成的累加破壞最為嚴(yán)重。

在數(shù)值模型中選取6個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，位置與相似模擬試塊的測點(diǎn)一致，繪制出的有效應(yīng)力變化曲線如圖13、圖14所示。應(yīng)力曲線中，負(fù)值代表壓應(yīng)力，正值代表拉應(yīng)力。

圖13 數(shù)值模擬1#、2#、3#應(yīng)力測點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

圖13中， 1#，2#，3#應(yīng)力測點(diǎn)位于巖體中，爆破后主要承受壓應(yīng)力作用，三條曲線均在50 μs左右出現(xiàn)應(yīng)力峰值，分別為-4.2 MPa、-3.1 MPa和-1.9 MPa，隨著測點(diǎn)與爆破孔距離的增大，應(yīng)力峰值呈規(guī)律性衰減，差值為1.1 MPa左右。

圖14 數(shù)值模擬4#、5#、6#應(yīng)力測點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

圖14中，4#應(yīng)力測點(diǎn)位于爆破孔上方3 cm處，應(yīng)力曲線變化規(guī)律與1#應(yīng)力測點(diǎn)基本一致，應(yīng)力峰值為-4.4 MPa。5#應(yīng)力測點(diǎn)位于煤巖交界面巖體側(cè)，應(yīng)力曲線在30 μs～50 μs間出現(xiàn)兩次應(yīng)力峰值，分別為-1.5 MPa和0.6 MPa。爆炸應(yīng)力波傳播到軟煤層時(shí)壓縮應(yīng)力波反射為拉伸應(yīng)力波，形成的拉應(yīng)力峰值為0.6 MPa，大于巖體的抗拉強(qiáng)度。6#應(yīng)力測點(diǎn)位于煤體內(nèi)，應(yīng)力波的應(yīng)力峰值為-1.1 MPa，對(duì)比與炮孔相同距離的3#測點(diǎn)的應(yīng)力峰值減小了0.8 MPa，爆炸應(yīng)力波在煤巖體交界面發(fā)生透射與反射后，透射到煤體中應(yīng)力波的值小于入射波的應(yīng)力值。數(shù)值模擬與爆破模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本一致。

4 爆破擾動(dòng)煤厚變異區(qū)誘發(fā)煤與瓦斯突出的機(jī)制探討

綜合理論分析、相似模擬和數(shù)值模擬，建立爆破載荷作用下變厚煤體的損傷破壞模型，如圖15所示。

根據(jù)理論分析中建立的煤厚變異區(qū)煤巖彈性力學(xué)模型可知，煤厚變異區(qū)的應(yīng)力變化梯度隨著煤厚減小率的增大而增大，因此較大幅度的煤層厚度變化將會(huì)導(dǎo)致煤體內(nèi)部的應(yīng)力分布極不均衡，加劇煤巖交界面上的應(yīng)力集中程度，致使變異區(qū)的煤體受力破碎形成了構(gòu)造軟煤，構(gòu)造軟煤的透氣性低，且存在大量孔隙，比表面積顯著增加，十分有助于瓦斯積累，為煤與瓦斯突出提供了有利條件。

圖15 爆破載荷下變厚煤體的損傷破壞模型

圖15中，爆破后，爆炸應(yīng)力波自爆源向周圍巖體傳播，當(dāng)傳播至構(gòu)造軟煤時(shí)，入射的壓縮波反射成為拉伸波，導(dǎo)致煤巖交界面巖體側(cè)受拉破壞。同時(shí)，漸變煤體包圍出一個(gè)半封閉區(qū)域，有助于反射拉伸波與入射波在該區(qū)域內(nèi)相互疊加作用，形成應(yīng)力波疊加破壞區(qū)，加劇巖體的損傷破壞程度。同時(shí)，透射應(yīng)力波擾動(dòng)松軟煤體，促使吸附的瓦斯解吸，增大瓦斯壓力，為煤與瓦斯突出提供動(dòng)力條件。

綜上可知，當(dāng)煤厚變異區(qū)爆破作業(yè)時(shí)，由于構(gòu)造軟煤發(fā)育，爆炸應(yīng)力波容易導(dǎo)致支護(hù)巖體嚴(yán)重破壞，同時(shí)，透射應(yīng)力波對(duì)軟弱煤層造成擾動(dòng)影響，促使煤體吸附的瓦斯解吸，在瓦斯壓力和地應(yīng)力的作用下極易發(fā)生煤與瓦斯突出。因此，井下爆破施工遇煤厚變異帶時(shí)，須嚴(yán)格按照安全規(guī)程，減小炸藥量并及時(shí)支護(hù)頂?shù)装澹苑缆╉斦T發(fā)突出事故。

5 結(jié) 論

(1) 理論上，通過建立煤巖組合彈性力學(xué)模型發(fā)現(xiàn)，煤厚局部變異區(qū)的應(yīng)力變化梯度隨著煤厚減小率的增大而增大，煤層厚度的大幅度變化造成極不均勻的應(yīng)力分布會(huì)導(dǎo)致煤體破碎；同時(shí)，根據(jù)爆炸應(yīng)力波在煤巖介質(zhì)中的傳播與作用規(guī)律研究得出，壓縮波由巖體傳播至構(gòu)造煤時(shí)會(huì)反射成為拉伸波，將加劇煤巖交界面巖體側(cè)的損傷破壞程度。

(2) 爆破模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，變厚煤層的特殊煤巖結(jié)構(gòu)有益于入射波與反射波的相互累加作用，應(yīng)力波在漸變煤層外的巖體處形成了疊加破壞區(qū)，該區(qū)域測點(diǎn)的應(yīng)力曲線出現(xiàn)2次較大的拉應(yīng)力峰值，破壞區(qū)同時(shí)又引導(dǎo)了其余方向的爆生裂紋向其延伸匯集，爆破對(duì)煤厚變異區(qū)外的巖體造成了嚴(yán)重破壞。

(3) 較大幅度的煤厚變化有利于構(gòu)造軟煤發(fā)育，入射波與反射波疊加作用容易造成煤厚變異區(qū)外的支護(hù)巖體嚴(yán)重破壞，當(dāng)透射應(yīng)力波擾動(dòng)到構(gòu)造煤體，促使吸附瓦斯解吸時(shí)，煤厚變異區(qū)域極易發(fā)生的瓦斯動(dòng)力災(zāi)害事故。