王以賢

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000； 2.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450064)

0 引 言

有效抽放瓦斯能夠減少甚至阻止煤與瓦斯突出及瓦斯爆炸[1-4]，從而為煤礦開采提供良好的安全生產(chǎn)環(huán)境。但煤體是一個復(fù)雜的多孔有機(jī)巖體[5-6]，影響抽放瓦斯的因素也很多。多年來，廣大科研及科技工作者針對不同地區(qū)、不同巖層、不同地質(zhì)條件下的煤體采用深孔爆破[7]、水力壓裂[8-9]、CO2相變致裂[10]等多種途徑對抽放瓦斯進(jìn)行了大量研究，取得了豐碩的理論和實踐成果，并形成了一定的理論體系。特別是針對煤巖體爆破致裂理論分別形成了爆炸應(yīng)力波破壞及爆生氣體驅(qū)裂理論[11]、沖擊動壓震裂、應(yīng)力波傳播及爆生氣體驅(qū)裂疊加理論[12]、爆轟應(yīng)力波結(jié)合爆生氣體與瓦斯氣體尖劈壓裂理論等[13]。但對于具有軟分層煤體的瓦斯抽采及災(zāi)害防治研究不多，特別是針對軟分層厚度變化對煤體爆破致裂效果影響的研究更少。

“軟分層”是指煤層煤質(zhì)、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等遭受嚴(yán)重破壞的煤分層。大量事實證明，具有軟分層的煤體往往更容易產(chǎn)生瓦斯突出[14]。因此，很有必要對存在軟分層的煤體進(jìn)行研究。本文在深入了解九里山礦煤巖體力學(xué)基本參數(shù)及瓦斯賦存狀況的前提下，建立ANSYS/LS-DYNA模型，對具有軟分層煤體進(jìn)行爆破致裂數(shù)值模擬，從而得出不同軟分層厚度對軟分層煤體致裂的影響及作用機(jī)理，本項研究對含軟分層煤體的爆破致裂及瓦斯抽采具有指導(dǎo)意義。

1 致裂理論

諸多學(xué)者通過大量理論分析和試驗研究表明[15-17]，煤體爆破裂紋的生成、擴(kuò)展和連通是爆炸沖擊波、應(yīng)力波、爆生氣體、地應(yīng)力及瓦斯氣體等綜合作用的結(jié)果，并形成以爆炸應(yīng)力波為主要破壞原因的破碎近區(qū)和以爆生氣體為主要“氣楔”作用的裂紋擴(kuò)展中遠(yuǎn)區(qū)。

由于煤層地應(yīng)力相對于沖擊波峰值強(qiáng)度很小，因此在求解粉碎圈時可以忽略。但在分析中遠(yuǎn)裂隙區(qū)時，因為裂隙區(qū)內(nèi)爆炸應(yīng)力波峰值已經(jīng)較粉碎區(qū)沖擊波峰值衰減很多，在高地應(yīng)力情況下，兩者差距進(jìn)一步縮小，就必須考慮地應(yīng)力對煤體的影響。

爆炸應(yīng)力波在煤體傳播的過程中不但會產(chǎn)生徑向的壓應(yīng)力和壓應(yīng)變，而且還會在切向方向上產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉應(yīng)變，當(dāng)拉應(yīng)力大于煤體抗拉強(qiáng)度時，煤體產(chǎn)生拉伸裂隙。

爆生氣體隨裂隙擴(kuò)展的規(guī)律非常復(fù)雜，它不僅與裂隙的擴(kuò)展時間相關(guān)，而且還與裂隙擴(kuò)展的速度和裂隙長度有著密切的聯(lián)系。但其主要以“氣楔”作用擴(kuò)展初始及新生裂隙生成煤體中遠(yuǎn)裂隙區(qū)，其力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 爆生氣體“氣楔”作用下裂隙擴(kuò)展模型Fig.1 Fracture expansion model under the action of “gas wedge” of explosive gas

在圖1中，Pg為t時刻裂隙內(nèi)爆生氣體的“氣楔”峰值壓力，Pa；Lt為t時刻裂紋的擴(kuò)展長度，m；a為裂隙擴(kuò)展總長度，m；L0為爆炸所產(chǎn)生的初始裂紋長度，m。

煤體爆破裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展與連通不僅與爆炸沖擊波最大壓應(yīng)力有關(guān)，還與爆炸應(yīng)力波、爆生氣體等在傳播過程中綜合作用所產(chǎn)生的拉應(yīng)力有很大關(guān)系。炸藥在煤體內(nèi)的致裂區(qū)也可以表述為裂隙發(fā)育區(qū)和裂隙擴(kuò)展區(qū)[11]，不同區(qū)域的致裂原因不同。在強(qiáng)動載階段，當(dāng)有效應(yīng)力峰值大于煤體的動抗壓強(qiáng)度和動抗拉強(qiáng)度時產(chǎn)生裂隙發(fā)育區(qū)；在相對靜載階段，當(dāng)有效應(yīng)力大于煤體靜抗拉強(qiáng)度時產(chǎn)生裂隙擴(kuò)展區(qū)。

2 數(shù)值模擬

以河南九里山礦16051底抽巷16采區(qū)東翼上部二1煤層為研究對象，具體參數(shù)見表2。該礦隸屬于河南煤業(yè)化工集團(tuán)焦作煤業(yè)有限公司，位于焦作礦區(qū)東部、太行山南麓，屬于嚴(yán)重的煤與瓦斯突出礦井。該煤層頂、底板為粉砂層，較致密，厚度在6.1～8.1 m之間，平均厚度為7.1 m，軟分層厚度不一，最小為15 cm，最大為1 m，采用深孔爆破致裂抽采瓦斯。

2.1 模型建立

圖2 研究模型示意圖Fig.2 Research model diagram

利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立爆破模型，采用cm-g-μs單位制，建立簡化模型示意圖，如圖2所示(圖2中以炮孔中心為坐標(biāo)原點，沿x、y正向為正，負(fù)向為負(fù)，下同)。其中，頂板巖層厚度100 cm，上層硬煤層厚度300 cm，軟分層厚度視研究工況而定，下層硬煤層厚度200 cm，底板巖層厚度100 cm，炮孔直徑80 mm，由于所建模型沿中軸左右對稱，為簡化計算，只建立右半部分模型，寬度700 cm。

根據(jù)彈性力學(xué)知識，結(jié)合本工程實際，將所研究問題簡化為平面應(yīng)變問題。使用拉格朗日算法，計算時長為4 000 μs，炸藥、煤體和巖石采用殼單元plane162，中間對稱軸上設(shè)置x向約束，頂、底邊設(shè)置全約束，右邊為無反射邊界。

2.2 材料模型選取

炸藥和煤體分別采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，用*EOS_JWL狀態(tài)方程來描述炸藥爆炸時壓力、體積及能量特性，其表達(dá)式見式(1)。

(1)

式中：P為炸藥爆炸后炸藥單元體內(nèi)的壓力，MPa；V為體積變化，m3；E0為初始比內(nèi)能，MJ；A、B為炸藥特性參數(shù)，GPa；R1、R2、ω為炸藥材料常數(shù)，無量綱。

2.3 材料參數(shù)選取

所選炸藥的具體性能參數(shù)見表1，煤體具體參數(shù)見表2，其中，ρ1、E1、μ1為堅硬煤層密度、彈性模量和泊松比；ρ2、E2、μ2為軟分層煤體密度、彈性模量和泊松比。

表1 炸藥參數(shù)表Table 1 Explosive parameters

表2 煤體參數(shù)Table 2 Coal parameters

2.4 軟分層厚度對致裂效果影響

圖3為無軟分層煤體爆破后裂紋擴(kuò)展圖。

圖4為炮孔中心位置固定(炮孔中心距軟分層上表面以上25 cm)時，軟分層厚度不同時的爆破裂紋擴(kuò)展情況圖。

圖3 無軟分層煤體爆破裂紋擴(kuò)展圖Fig.3 Extension of blasting crack in non-flexible stratified coal

圖4 不同軟分層厚度爆破裂紋擴(kuò)展圖Fig.4 Explosive crack growth diagram with different soft delamination thickness

從圖3和圖4可以看出以下幾點。①軟分層的存在改變了煤體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的方式和規(guī)律。無軟分層時，煤體的裂紋擴(kuò)展是沿兩個中軸線向四周對稱擴(kuò)展的，而軟分層的出現(xiàn)改變了這種狀況，導(dǎo)致煤體爆破致裂規(guī)律發(fā)生了變化。②軟分層吸收了大量的爆炸能，導(dǎo)致軟分層下部硬煤裂紋較少，擴(kuò)展長度較小，分布集中度較低。煤體破碎程度和裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展從根本上來說是由于爆炸能量的傳遞和轉(zhuǎn)化，當(dāng)向下傳遞的能量被軟分層吸收以后，勢必導(dǎo)致傳遞到下部硬煤層的爆炸能量降低，就會出現(xiàn)能量較少而不足以產(chǎn)生過多新裂紋和過多裂紋擴(kuò)展的情況。③大量的爆炸能并沒有使軟分層產(chǎn)生過多裂隙，相反，軟分層的存在阻止了上下硬煤裂隙的貫通。這是因為軟分層較硬煤波阻抗小很多，依據(jù)波阻抗匹配理論，強(qiáng)爆破能遇到軟煤層并不能導(dǎo)致大量裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展和連通，也就不可能為瓦斯?jié)B流提供較好的解吸條件和運移通道，這也就是軟分層煤體更容易發(fā)生瓦斯事故的原因。④軟分層厚度對煤體爆破裂紋的數(shù)量、集中度及連通性有較大影響。軟分層厚度為25 cm時，硬煤層裂隙最多、裂隙最集中、貫通裂隙面積最大，最有利于瓦斯的解吸、擴(kuò)散與滲流；當(dāng)軟分層厚度為50 cm時，下部硬煤層裂隙數(shù)量、集中度及連通性與25 cm軟分層相比都有不小的減少；當(dāng)軟分層厚度為75 cm時，下部硬煤層兩翼裂隙已減少殆盡，中部裂隙集中度及貫通裂隙面積有明顯減少；當(dāng)軟分層厚度為100 cm時， 炸藥爆破能量經(jīng)過軟分層的吸收已不能致使下部硬煤層產(chǎn)生裂隙。這主要是因為軟分層能夠較好地吸收爆破能，同時，厚度越大所吸收的爆破能越多，導(dǎo)致隨著軟分層厚度的增加，下部硬煤層致裂能量逐漸減少。⑤軟分層厚度的變化只影響下部硬煤層裂隙的數(shù)量、集中度與貫通裂隙面積，對上部硬煤層幾乎沒有影響。其實，對上部硬煤層而言，軟分層的存在改變了爆炸能量的分布規(guī)律，導(dǎo)致上部硬煤層兩翼裂紋的擴(kuò)展速度和長度增加，同時也致使兩翼裂紋集中度和連通性增大；但軟分層厚度的增加并沒有進(jìn)一步改變上部硬煤層裂紋的分布。

圖5為軟分層厚度與峰值壓力之間的擬合關(guān)系曲線圖，擬合方程表達(dá)式及擬合精度見表3。

圖5 軟分層厚度與峰值壓力之間的關(guān)系曲線圖Fig.5 Curve diagram of the relation between soft layer thickness and peak pressure

表3 擬合曲線方程式及參數(shù)表Table 3 Fit curve equation and parameter table

由表3可知，擬合精度R2均在0.96以上，擬合效果很好。從圖5和表3可知：①三條曲線整體變化趨勢基本一致，隨著軟分層厚度增加，峰值壓力逐漸降低，最后基本趨于穩(wěn)定；②曲線初期，軟分層厚度極小時(小于25 cm)，壓力峰值卻急劇下降，也就是說，只要存在軟分層，都將引起峰值壓力的大幅度下降，吸收大量爆炸能，給煤體致裂及瓦斯抽采帶來極大困難，這也就是軟分層煤體極易發(fā)生瓦斯事故的原因；③根據(jù)擬合結(jié)果可以估算出不同軟分層厚度煤體內(nèi)部某位置處峰值壓力大小，結(jié)合致裂理論，可以得出含軟分層煤體致裂區(qū)域，為評估含軟分層煤體致裂效果、有效治理瓦斯提供參考。

3 結(jié) 論

1) 軟分層的存在改變了煤體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的方式和規(guī)律，導(dǎo)致上部硬煤層裂隙增多，下部硬煤層裂隙減少，同時軟分層的存在阻止了上下部硬煤層裂隙的貫通；軟分層厚度越大,吸收爆炸能越多，下部硬煤層裂紋越少,致裂效果越差。

2) 軟分層厚度變化只影響下部硬煤層裂隙的數(shù)量、集中度及貫通面積，對上部硬煤層幾乎沒有影響。

3) 得出了軟分層厚度與峰值壓力之間的擬合曲線圖，通過該擬合曲線結(jié)合致裂理論，可以估算出含軟分層煤體致裂區(qū)域，為評估含軟分層煤體致裂效果及有效治理瓦斯提供參考。