周云權(quán)

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)煤礦多數(shù)為煤層透氣性低的高瓦斯礦井[1]。防治煤與瓦斯突出提高煤層瓦斯抽采率和抽采量就要增加煤層透氣性，強(qiáng)化增透技術(shù)來(lái)提高煤層抽采效果[2]。有關(guān)學(xué)者對(duì)爆破荷載下對(duì)煤體致裂增透作用進(jìn)行研究，其中龔敏等[3]建立穿層深孔爆破數(shù)值模型，研究煤巖復(fù)合介質(zhì)條件下應(yīng)力的傳播特性及不同位置抽放孔有效應(yīng)力變化規(guī)律，探討炮孔水平距離對(duì)抽放孔有效應(yīng)力影響；岳中文等[4]通過(guò)爆炸載荷動(dòng)態(tài)焦散線測(cè)試系統(tǒng)建立有機(jī)玻璃模型，研究在爆破過(guò)程中空孔周圍應(yīng)力的變化；張樹川等[5]在實(shí)驗(yàn)室搭建有、無(wú)控制孔的2種試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，借助高速攝像儀記錄模型在爆破荷載下裂紋的萌生、發(fā)育、擴(kuò)展過(guò)程，揭示控制孔對(duì)煤層的增透作用機(jī)理；郭德勇等[6]通過(guò)建立有、無(wú)控制孔2種數(shù)值模型探討控制孔對(duì)應(yīng)力波傳播特性、煤體的裂隙擴(kuò)展規(guī)律的影響；趙寶友等[7]在考慮爆炸波、煤層原始瓦斯壓力、煤層地應(yīng)力的作用下建立煤層深孔控制爆破的力學(xué)模型，研究深孔控制爆破煤體裂隙的擴(kuò)展過(guò)程、機(jī)理及防突效果并在工程實(shí)踐中得到良好應(yīng)用。上述學(xué)者已經(jīng)在瓦斯治理方面進(jìn)行大量研究，但是在闡述瓦斯抽采鉆孔對(duì)煤巖體爆破致裂的作用機(jī)理研究較少。

因此本文通過(guò)數(shù)值模擬、相似模擬試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究瓦斯抽采鉆孔在穿層中爆破荷載的作用下對(duì)煤巖體裂紋擴(kuò)展規(guī)律，分析爆破擾動(dòng)后含瓦斯煤體的裂隙對(duì)煤體增透的效果，對(duì)高瓦斯透氣性差煤層治理具有重要意義。

1 瓦斯抽采鉆孔力學(xué)模型

抽采孔的孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于爆破孔和抽采孔的距離。假定爆炸荷載對(duì)抽采孔的作用視為無(wú)限大介質(zhì)受爆炸荷載作用的彈性力學(xué)模型，在這個(gè)爆炸應(yīng)力場(chǎng)中抽采孔附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力狀態(tài)被改變，其彈性力學(xué)模型，如圖1。

抽采孔附近的切向應(yīng)力為：

σθ=S(1+3a4/r4)cos 2θ

(1)

式中：

S—爆炸應(yīng)力，MPa；

a—抽采孔半徑，m；

r—介質(zhì)中某點(diǎn)到抽采孔圓心的距離，m；

圖1 平面波對(duì)瓦斯抽采鉆孔的作用機(jī)制Fig.1 The action mechanism of plane waves to the gas drainage drilling

θ—某點(diǎn)處應(yīng)力方向與水平線的夾角，° 。

r=a，θ=0或θ=π時(shí)即在A、B點(diǎn)處取得最大值σθ=4S。當(dāng)σθ大于煤體動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，在A、B點(diǎn)處煤體因受到拉伸應(yīng)力作用而被拉裂成向爆破孔方向的徑向裂隙，最終與爆破孔周圍的徑向爆生裂隙形成貫穿裂隙。

瓦斯抽采鉆孔是炸藥爆炸最小抵抗線上的一個(gè)自由面，瓦斯抽采鉆孔可實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)煤體導(dǎo)向致裂，減小爆破阻力，增大裂隙發(fā)展的范圍。當(dāng)應(yīng)力波在不同介質(zhì)面發(fā)生入射時(shí)會(huì)發(fā)生反射和透射傳播，爆炸應(yīng)力波傳播到抽采孔時(shí)，因?yàn)槊簬r介質(zhì)的波阻抗遠(yuǎn)大于抽采孔的波阻抗，抽采孔的波阻抗趨近于0。因此彈性波、入射的壓縮應(yīng)力波在抽采孔的自由面效應(yīng)下反射成拉伸波，在抽采孔附近的煤巖介質(zhì)中形成拉應(yīng)力，當(dāng)抽采孔表面煤巖介質(zhì)的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度小于所受拉應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生霍金遜效應(yīng)，煤巖從瓦斯抽采鉆孔向里片落，使裂隙區(qū)的范圍被增大。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型的建立

應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析。模型尺寸3m×3m×3m，爆破孔、瓦斯抽采鉆孔的孔徑直徑為25mm，模型邊界設(shè)為無(wú)反射邊界，如圖2。

炸藥爆轟過(guò)程采用高能材料模型來(lái)描述，即采用JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程來(lái)描述[9]：

(2)

式中：

P—炸藥爆轟壓力，g/cm3；

圖2 深孔爆破瓦斯抽采鉆孔數(shù)值模型Fig.2 The numerical model of deep hole blasting gas drainage drilling

E0—初始內(nèi)能；GPa

V—相對(duì)體積，m3；

A，B，R1，R2，ω，D—與炸藥相關(guān)的材料常數(shù)。JWL方程與炸藥的參數(shù)，見表1。

表1 炸藥特性參數(shù)Tab.1 Explosive parameters

2.2 數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

煤體在爆炸荷載作用下裂隙主要由壓縮應(yīng)力波入射、折射和反射對(duì)煤巖體產(chǎn)生切向和徑向的拉伸應(yīng)力。切向的拉伸應(yīng)力形成徑向的裂隙，徑向的拉伸應(yīng)力對(duì)煤巖體形成環(huán)向的裂隙。當(dāng)應(yīng)力波傳播到瓦斯抽采鉆孔時(shí)，由應(yīng)力波在不同介質(zhì)面上的反射和透射理論得知，瓦斯抽采鉆孔是爆破孔邊最小抵抗線上的一個(gè)自由面，當(dāng)壓縮應(yīng)力波傳播到瓦斯抽采鉆孔時(shí)，相當(dāng)于彈性波在自由端的反射，則透射波應(yīng)力σt≈0，反射波應(yīng)力與入射波應(yīng)力呈相反的關(guān)系為σr≈-σi，此時(shí)的入射波被反射成拉伸波作用在煤巖介質(zhì)上。當(dāng)反射波拉伸應(yīng)力大于煤巖介質(zhì)的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)即σr>σtd，在反射拉伸波進(jìn)一步拉裂煤巖介質(zhì)，煤巖從抽采鉆孔向里片落，發(fā)生霍金遜效應(yīng)，進(jìn)一步促進(jìn)裂隙發(fā)育。

抽采鉆孔模型應(yīng)力演化數(shù)值模擬結(jié)果，如圖3。炸藥爆炸以后應(yīng)力波開始在煤巖介質(zhì)中傳播，60μs前主要在爆破孔周圍傳播，60μs后在抽采孔的影響下傳播到抽采孔。在抽采孔的自由面的效應(yīng)下反射，炸藥產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波與其他反射波、卸載波相疊加增大應(yīng)力波的幅值，從而增大對(duì)煤體的拉伸應(yīng)力，加大對(duì)煤巖體的損傷及破壞作用。

圖3 瓦斯抽采鉆孔應(yīng)力演化Fig.3 The stress evolution of gas drainage drilling

圖4為數(shù)值模擬的瓦斯抽采鉆孔模型裂隙演化過(guò)程。爆炸初期先在爆破孔的周圍爆炸空腔，之后形成粉碎圈產(chǎn)生爆生裂隙，此時(shí)裂隙的擴(kuò)展受抽采孔的影響比較小。在130μs時(shí)，受到爆破應(yīng)力波反射拉伸所產(chǎn)生的拉應(yīng)力的影響，瓦斯抽采鉆孔向爆破孔方向產(chǎn)生徑向裂隙，與爆破孔方向的爆破裂隙貫通成為主裂紋。在130μs后，主裂隙貫穿瓦斯抽采鉆孔繼續(xù)擴(kuò)展，并向其他方向正常擴(kuò)散。

圖4 瓦斯抽采鉆孔裂隙演化Fig.4 The evolution of fractures in the gas drainage drilling

3 相似模擬試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

根據(jù)Froude相似定律，本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型長(zhǎng)度比近似取1∶10。設(shè)計(jì)的模型尺寸為30cm×30cm×30cm，模擬3m×3m×3m的現(xiàn)場(chǎng)煤巖體，巖層和煤層厚度分別為5和20cm，上下巖層和煤層厚度為7和16cm，如圖5。其中，圖5(a)是1個(gè)爆破孔，1個(gè)瓦斯抽采孔的穿層爆破模型。爆破孔和抽采孔的距離是10cm，抽采孔和爆破孔直徑為16mm，在抽采孔和爆破孔之間布置1#和2#測(cè)點(diǎn)。本次爆破采用氣固耦合爆破模擬試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，該系統(tǒng)由30cm×30cm×30cm的箱體部分和加載裝置組成。

圖5 瓦斯抽采孔穿層模型Fig.5 The cross-layer model for the gas drainage drilling

3.2 試樣模型制作過(guò)程

相似模擬試驗(yàn)原型取自某礦煤層和頂?shù)装?，物理力學(xué)參數(shù)，見表2。

表2 巖層及煤層力學(xué)參數(shù)表Tab.2 The parameter table of the rock and coal seam

爆破模擬煤體材料的組成為：石膏、水泥、粉煤、沙子、云母碎、水。水泥、石膏自身具有膠結(jié)性質(zhì)，可以用來(lái)模擬模型所需要的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等力學(xué)特征；煤體具有孔隙特性，對(duì)瓦斯具有吸附的特性，因此使用粉煤模擬真實(shí)煤體；沙子可以實(shí)現(xiàn)對(duì)孔隙率的調(diào)節(jié)；云母碎可以模擬割理。相似模擬材料配比，見表3。

表3 相似模擬材料配比Tab.3 Similar analog material ratio

將試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶凑請(qǐng)D5設(shè)計(jì)尺寸，從模具的底部逐層鋪設(shè)，在相應(yīng)的位置埋設(shè)應(yīng)變磚和預(yù)留爆破孔。制作好試樣，風(fēng)干后裝入爆破模擬試驗(yàn)裝置，如圖6。試驗(yàn)時(shí)，向爆破孔內(nèi)裝入特制的藥卷和雷管，使用黃泥封孔。

圖6 抽采孔穿層模型Fig.6 The cross-layer model for the drainage hole

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

爆破后，瓦斯抽采孔穿層模型爆破試樣的裂紋擴(kuò)展(如圖7)，煤層底板巖層破壞比較嚴(yán)重，裂縫發(fā)育長(zhǎng)，巖層表面產(chǎn)生貫通裂紋，爆破孔和瓦斯抽采鉆孔之間裂紋貫通，爆破孔上產(chǎn)生的裂隙向抽采孔方向擴(kuò)展；將試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷南潴w內(nèi)取出后，試樣的側(cè)面煤層裂隙發(fā)育如圖7(b)所示，煤體內(nèi)的爆破裂隙發(fā)育與巖層部裂隙貫通，對(duì)煤層致裂增透效果明顯。

圖7 抽采孔穿層模型爆破裂紋發(fā)育Fig.7 The development of blasting fractures in the model of the cross-layer of the drainage hole

通過(guò)在爆破孔和瓦斯抽采孔之間布置的電阻應(yīng)變片進(jìn)行瓦斯抽采鉆孔穿層模型的爆炸應(yīng)力波測(cè)試，應(yīng)變曲線，如圖8。在抽采孔附近的煤體先受到壓縮應(yīng)力再受到拉伸應(yīng)力的作用，在100μs時(shí)先后作用在抽采孔附近的1#、2#測(cè)點(diǎn)的煤體上。爆炸沖擊波作用下爆破孔壁上形成粉碎圈初始徑向爆生裂隙，隨后，沖擊波衰減成應(yīng)力波傳播到煤巖交界面經(jīng)巖層產(chǎn)生反射，反射在煤體上的拉伸應(yīng)力對(duì)煤體產(chǎn)生拉伸作用，使煤體受壓縮和拉伸應(yīng)力波疊加作用，煤巖體結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞。

5 結(jié)論

(1)炸藥爆炸后產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波作用下在抽采孔附近產(chǎn)生的切向拉伸應(yīng)力將煤巖體拉裂為徑向裂縫。應(yīng)力波傳播到煤巖交界面處時(shí)，經(jīng)巖層反射到煤巖體上的拉伸應(yīng)力波對(duì)煤體產(chǎn)生拉伸作用，發(fā)生產(chǎn)生霍金遜效應(yīng)，在拉伸應(yīng)力作用下煤巖從瓦斯抽采鉆孔向里片落，加強(qiáng)裂隙的發(fā)育。

圖8 測(cè)點(diǎn)應(yīng)變圖Fig.8 The strain diagram of the measuring point

(2)通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的瓦斯抽采鉆孔穿層模型的數(shù)值模型和爆破試驗(yàn)的爆破過(guò)程分析，炸藥爆炸后在沖擊波和應(yīng)力波的作用下爆破孔周圍的煤巖體產(chǎn)生多條爆生裂隙，在抽采空的引導(dǎo)下與抽采孔貫通形成交叉裂隙。通過(guò)試驗(yàn)證明爆炸荷載作用下能有效增透煤層的透氣性。