徐向宇，姚邦華，魏建平，王登科，王云剛

(1.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，焦作 454000；2.河南理工大學 安全科學與工程學院，焦作 454000；3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，焦作 454000)

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煤層預裂爆破應力波傳播規(guī)律及增透機理模擬研究*

徐向宇1,2,3，姚邦華1,2,3，魏建平1,2,3，王登科1,2,3，王云剛1,2,3

(1.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，焦作 454000；2.河南理工大學 安全科學與工程學院，焦作 454000；3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，焦作 454000)

摘要:預裂爆破可以增加開采煤層的透氣性系數(shù)，提高煤層瓦斯抽采率，為煤層的快速消突提供了一種有效的技術手段。為了考察不同影響因素條件下預裂爆破對煤層的增透效果，基于巖石力學、彈性波、爆破等相關理論，利用有限元模擬軟件ANSYS/LS-DYNA，數(shù)值模擬分析了不同裝藥量、孔間距等條件下的爆破煤體裂紋擴展及爆破應力的傳播特征，得到了裝藥量、孔間距對預裂爆破增透效果的影響特征。研究結(jié)果表明：(1)爆破應力波以爆破點為起點，隨著傳播距離的擴大不斷衰減，裂紋擴展與爆破應力波的傳播方向一致，裂紋的分叉及其貫通具有一定的隨機性。(2)預裂爆破存在一個最佳的裝藥量，裝藥量過大或過小均無法達到充分開裂煤體、增大透氣性的目的。(3)控制孔對爆破應力在傳播過程中具有減緩其衰減的作用，其減緩作用與孔間距有關，呈現(xiàn)隨著孔間距的增加，其減緩作用先增大后減少的規(guī)律。研究成果對利用預裂爆破實現(xiàn)突出煤層卸壓增透、快速消突具有一定的指導意義。

關鍵詞:爆破；裝藥量；控制孔；數(shù)值模擬

我國煤礦已經(jīng)進入了深部開采時代，由此帶來的高地應力、高瓦斯含量、低透氣性的一些系列問題，導致煤層瓦斯抽放效率底下，采掘接替緊張，突出日益嚴重，嚴重制約了我國煤礦生產(chǎn)安全高效發(fā)展。預裂爆破利用爆破能量，使開采煤體應力環(huán)境發(fā)生變化，不僅增加了卸壓區(qū)的范圍，同時原本裂隙不太發(fā)育的煤體變?yōu)榱严栋l(fā)育體，提高了煤層的透氣性，進而縮短了煤層預抽周期，為煤層的快速消突提供了一種有效的技術手段，并得到廣泛的試驗驗證[1]。

在巖石爆破理論方面國內(nèi)外學者已經(jīng)開展了大量的研究，早在上個世紀五十年代W l Duvall等人首先提出了巖石爆破反射波理論，隨后國外一些學者完善和發(fā)展了爆破理論及技術，并進一步提出了巖石爆破的彈性力學模型[2]、斷裂力學模型[3]、損傷力學模型以及逾滲模型等[4-6]。之后，美國學者D K Holmes通過大量的實驗和理論研究在光面爆破的基礎上發(fā)明了預裂爆破，并在水利，隧道開挖等工程中得到了廣泛的應用[7]。

在工程爆破中引入控制孔，主要是為了使爆破應力波在控制孔周圍發(fā)生反射和入射作用[8]，當爆破主裂紋擴展到控制孔附近時，主裂紋尖端動態(tài)應力強度因子會出現(xiàn)上升的趨勢，使其在整個爆破過程中起到了能量聚集和引導爆破裂紋生成的作用[9,10]。有研究表明若控制孔尺寸越大，爆破后其周圍形成的裂隙帶就越明顯，致裂效果就越明顯[11]。有學者研究認為預裂爆破可以改變煤的微觀結(jié)構[12,13]，而煤體本身的硬度、煤層的瓦斯壓力及地質(zhì)構造(如斷層)對預裂爆破提高煤層透氣性具有促進效果[14-16]。煤體在爆炸荷載作用下，裂紋的形成和擴展主要是由于壓縮波和卸載波共同作用形成的，但是隨著開采深度的增加，地應力的不斷升高，地應力對爆破裂紋的擴展抑制作用就越大[17]。而不同的耦合裝藥結(jié)構對爆破應力波能量衰減很大影響，合理的耦合裝藥系數(shù)是可以減緩應力波能量衰速度，提高爆破的增透效果[18]。

雖然國內(nèi)外學者在控制爆破理論和試驗等方面取得了很多有價值的研究成果，但預裂爆破的工程參數(shù)對爆破效果的影響等方面還缺乏深入的研究。為此，就裝藥量和爆破孔與控制孔的間距等因素對預裂爆破的消突效果進行模擬分析，研究成果對指導現(xiàn)場實踐中利用預裂爆破對突出煤層進行快速消突具有一定的指導意義。

1預裂爆破卸壓消突機理

根據(jù)應力分布情況，我們將采掘工作面前方煤體可分為：卸壓區(qū)、集中應力區(qū)和原始應力區(qū)。由于受到采掘作業(yè)的影響，卸壓區(qū)內(nèi)地應力得到充分釋放，煤層瓦斯壓力及含量降低，這使得該區(qū)域成為預防煤與瓦斯突出的保護區(qū)；而在集中應力區(qū)內(nèi)，地應力較大、煤層透氣較差，煤層瓦斯釋放通道被堵塞，因此成為發(fā)生煤與瓦斯突出的主要區(qū)域。煤層預裂爆破通過爆破對掘進工作面前方煤體的爆破預裂，使得應力集中區(qū)煤層應力降低，轉(zhuǎn)換為卸壓區(qū)，這樣就人為的加大防突保護區(qū)的范圍,提高了突出煤層的透氣性，增大了瓦斯的抽放率、從而達到了快速卸壓消突作用。

2預裂爆破數(shù)值模型的建立

2.1數(shù)值模型的建立

為考察不同因素條件(裝藥量、爆破孔與控制孔不同孔間距等)對爆破效果的影響，以鶴壁八礦3水平為研究區(qū)域，根據(jù)礦區(qū)巖石力學測試資料，整理得到了模型的相關的力學參數(shù)(見表1)。

表1　煤巖體材料物理力學參數(shù)

建立的數(shù)值計算模型如圖1所示，分別為不同裝藥量下的單孔爆破數(shù)值模型以及具有單個控制孔的單孔爆破模型，模型大小均為20 m×20 m。數(shù)值計算模型的邊界條件為：(1)對于煤層的變形，模型左側(cè)和右側(cè)約束x軸方向的位移；模型底部約束y方向的位移，模型頂部施加15 MPa的垂直應力，模擬600 m的覆巖載荷作用。(2)對于煤層爆破，模型四邊均為無反射邊界條件。

2.2數(shù)值模擬方案

運用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件，共建立了兩組爆破數(shù)值模型。第一組模型為單孔爆破，不設控制孔，孔徑分別為0.03 m、0.05 m、0.08 m和0.11 m，孔徑越大，裝藥量越多，模型編號分別為1、2、3、4，此組模型用以考察裝藥量對爆破效果的影響；在上述模型模擬結(jié)果的基礎上，第二組模型保持模擬得到的最佳裝藥量數(shù)值不變，在爆破模型中加入控制孔，探究不同孔間距條件下的爆破應力波傳播特點以及爆破裂紋的擴展規(guī)律，爆破孔與控制孔間距分別為2 m、3 m、4 m，模型編號分別為5、6、7。數(shù)值模擬方案如表2所示。

表2　數(shù)值模擬方案

3數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1不同裝藥量下的單孔爆破模擬分析

不同裝藥量條件下的爆破應力波傳播及裂紋擴展狀態(tài)分別如圖2～圖5所示，模擬結(jié)果顯示，不同裝藥量條件下，爆破應力波以爆破點為起點，隨著傳播距離的擴大不斷衰減，裂紋擴展與爆破應力波的傳播方向一致；從圖中可以看到，鉆孔爆破后鉆孔附近形成了破碎帶和裂隙帶，同時，裂紋的擴展與應力的傳播方向一致，而裂紋分叉和貫通則具有一定的隨機性。

通過觀察圖2～圖5裂紋擴展情況，發(fā)現(xiàn)隨著裝藥量的增大裂隙帶的范圍是先增大后變小，其裂紋分岔和裂隙之間的連通性也呈現(xiàn)相似的規(guī)律，從裂紋擴展和發(fā)育來看，孔徑為0.08 m時爆破對煤層卸壓增透效果最佳，而裝藥量較小的模型1和模型2，由于裝藥量小，導致爆破后就不能產(chǎn)生足夠能量，因此也就不能夠使煤體大范圍的開裂。裝藥越大所產(chǎn)生的爆破能量也就越大，煤體中裂紋發(fā)育本應該越充分，但從模擬結(jié)果來看并非如此，反而是裝藥量較大的模型4，爆破后裂紋發(fā)育情況要差于模型3。為了分析其原因，將不同裝藥量爆破過程中不同時刻的應力峰值提取出來，繪制不同裝藥量下應力隨時間變化關系圖，如圖6所示。

從圖6中可以看出，各模型中爆破應力強度均隨時間不斷衰減，并且裝藥量越大(如模型4)，其爆破應力衰減幅度也就越大，即裝藥量越大前期爆破能量損失也就越大，這一部分損失能量主要煤體破碎做功，損失能量越大，爆破后形成的破碎帶就越大，從裂紋擴展圖中也顯著的反映了這一點。

而預裂爆破技術作為一種消突措施，其根本目的并非是破碎煤體，而是為了開裂煤體，增大煤體裂隙及提高煤體裂隙的貫通性，進而達到對突出煤層卸壓增透的目的。若裝藥量過大，不僅會浪費炸藥，而且爆破會使得煤體過分破碎，有可能會因爆破誘導突出，這是非常危險的；但如果裝藥量過小，就無法達到充分開裂煤體，增大煤體透氣性的目的，因此，預裂爆破存在一個最佳的裝藥量。在本文模擬條件下，最佳的裝藥量對應的爆破孔孔徑為0.08 m左右。

3.2單個控制孔的單孔爆破數(shù)值模擬分析

上述模擬得到的最佳裝藥量(孔徑為80 mm)保持不變，同時將控制孔引入到爆破模型中，建立不同控制孔與爆破孔孔間距(2 m、3 m、4 m)的爆破數(shù)值模型，模擬得到的爆破應力波傳播及裂紋擴展狀態(tài)，如圖7～圖9所示。

從裂紋擴展圖中可以看出，模型6無論是爆破裂紋的長度還是密度相比于模型5、模型7都要理想。即在上述條件下，爆破增透效果最佳對應的鉆孔間距為3 m。為分析其原因，在模型3、模型5、模型6、模型7中分別將距爆破孔中心5 m、6 m、7 m、8 m、9 m五個位置上的最大應力峰值提取出來，得到最大應力峰值與傳播距離的關系圖(如圖10所示)。

通過對比分析，發(fā)現(xiàn)各模型中最大應力峰值均隨著距爆破中心的距離的增加而降低，這表明控制孔只能減緩爆破應力在傳播中的衰減幅度，從而延長爆破應力的有效作用時間，但并不能增加爆破應力對煤體的破壞強度。爆破應力在傳播衰減過程中，隨著控制孔的間距的增加，對其減緩作用先增大后減少，這是因為若間距過小，由于初始爆破應力較大，此時爆破應力就會直接將爆破孔與控制孔之間的煤體致裂，而控制孔的導向致裂作用還未發(fā)生，應力波就已經(jīng)傳播過去；而間距過大時應力衰減較大，當傳播到控制孔后其峰值應力已經(jīng)很小了，即使與控制孔表面的拉伸應力與爆破應力共同作用，也不足以使控制孔周圍發(fā)生致裂現(xiàn)象，此時控制孔的導向至裂作用雖然已經(jīng)發(fā)生，但是卻因爆破應力過小未能致裂煤體，使其減緩應力衰減的作用未發(fā)揮；只有在合理的孔間距時，控制孔表面沿其與爆破孔中心連線方向的拉伸應力和爆破應力共同作用，使爆破應力以較小的能量損失將煤體開裂，這樣才能發(fā)揮控制孔減緩應力衰減的作用。因而在預裂爆破技術中是存在一個最佳的控制孔與爆破孔孔間距，間距過大或過小均不能將控制孔的減緩作用完全發(fā)揮出來。通過數(shù)值模擬可知孔間距為3m時，控制孔對減緩爆破應力傳播的衰減作用的效果最好。

4結(jié)論

利用計算機有限元模擬軟件ANSYS/LS-DYNA，對裝藥量和爆破與控制孔的間距等不同因素對煤層預裂爆破卸壓增透及消突效果進行了模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1)爆破應力波以爆破點為起點，隨著傳播距離的擴大不斷衰減，裂紋擴展與爆破應力波的傳播方向一致，裂紋的分叉及其貫通具有一定的隨機性。

(2)模擬分析了不同裝藥量條件下預裂爆破的裂隙發(fā)育情況，研究結(jié)果顯示，只有合理的裝藥量可以預裂爆破防突的效果，藥量過大，容易使得爆破使煤體過分粉碎，很有可能會因爆破誘導突出；而裝藥量過小，就無法達到充分開裂煤體、卸壓增透的目的。在本文的模擬條件下，最佳的裝藥量對應的爆破孔孔徑為0.08 m左右。

(3)在最佳裝藥量的基礎上，建立了不同的爆破孔與控制孔孔間距的預裂爆破模型，得出了控制孔對裂紋擴展特征，及爆破應力的傳播影響規(guī)律。研究結(jié)果顯示，控制孔對爆破應力在傳播過程中具有減緩其衰減的作用，其減緩作用與孔間距有關，呈現(xiàn)隨著孔間距的增加，其減緩作用先增大后減少的規(guī)律。在模擬條件下，爆破孔與控制孔之間最佳間距為3 m左右。

研究結(jié)果對于指導煤礦生產(chǎn)過程中預裂爆破煤層增透有一定的參考意義，但由于現(xiàn)場情況的復雜性和多樣性，在實際工程應用中，需要結(jié)合具體的工況，在保證礦井安全生產(chǎn)的前提下，確定最佳的預裂爆破裝藥量、爆破孔與控制孔間距等條件，以實現(xiàn)預裂爆破對突出煤層最佳的卸壓增透效果。

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Numerical Study of Stress Wave Propagation Behavior and Permability-increasing Mechanism of Pre-splitting Blasting in Coal Seam

XUXiang-yu1,2,3,YAOBang-hua1,2,3,WEIJian-ping1,2,3,WANGDeng-ke1,2,3,WANGYun-gang1,2,3

(1.State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas control,Jiaozuo 454000,China;2.School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;3.Collaborative Innovation Center of Coal Work Safety，Jiaozuo 454000,China)

Abstract:The pre-splitting blasting provides an effective technical means for the rapid elimination of coal seam due to the characteristics of increasing the permeability coefficient of coal seam and improving the coal seam gas drainage rate.In order to investigate the effect of pre-splitting blasting in coal seam under different influence factors,the finite element software ANSYS/LS-DYNA was used to simulate the propagation characteristics of crack propagation and blasting stress in explosive coal under different loading and hole spacing based on the theory of rock mechanics,elastic wave,blasting and so on,by which the effects of charge weight,hole spacing on control pre-splitting blasting were obtained.The results show that:(1)the blasting stress wave propagated from the hole and decreased with the distance increasing,while the fissures expanded along the blasting stress direction;(2) an optimal charge amount of the pre-splitting blasting existed,and the fully cracked coal body or increased permeability won′t be obtained on the case of too large or too small charging;(3)the controlled hole didn′t increase the blasting stress intensity,but slowed down the attenuation in the course of propagation,which related to the hole spacing.The research results help to perform coal seam discharge and pressure increase,rapid elimination process in presplit blasting.

Key words:blasting; charge amount; control hole; numerical simulation

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.007

收稿日期:2016-05-08

作者簡介:徐向宇(1985-)，男，河南鶴壁人，碩士、助教，從事煤巖動力災害防治方面的研究，(E-mail) xuxiangyu@hpu.edu.cn。 通訊作者:姚邦華(1984-)，男，山東濰坊人，博士、講師，從事煤礦動力災害防治方面的研究，(E-mail) yaobanghua@126.com。

基金項目:國家自然科學基金項目(51574112、51404100、51304072)；教育部科學技術研究重點項目(213022A)；河南省科技廳基礎與前沿技術研究計劃(142300413211)；山西省自然科學基金項目(2012012015)；河南省高等學校重點科研項目(15A440010)

中圖分類號:TD235.3

文獻標識碼:A

文章編號:1001-487X(2016)02-0032-07