极薄煤层长钻孔松动爆破的数值模拟及应用

李凤仪， 陈维新， 王维维

(1.黑龙江科技学院 安全工程学院，2.黑龙江科技学院 黑龙江矿业研究院，哈尔滨 150027)

极薄煤层长钻孔松动爆破的数值模拟及应用

李凤仪1，2， 陈维新2， 王维维1，2

(1.黑龙江科技学院 安全工程学院，2.黑龙江科技学院 黑龙江矿业研究院，哈尔滨 150027)

为了使长钻孔爆破能够松动大面积煤岩体，提高采煤效率，以安泰煤矿极薄硬质煤层为研究对象，利用ANASYS/LS－DYNA程序算法原理对爆炸后应力波的传播过程进行数值模拟，得到既能达到松动效果又不大面积损坏上覆岩的不耦合系数，以及装药孔壁径向初始应力峰值，通过理论计算得出其他爆破参数。实践证明:应用该方法能有效提高采煤效率，现场松动爆破后，月产煤量由原来的900 t提高到1 840 t。

松动爆破;数值模拟;爆破参数

0 引言

长钻孔松动爆破是指装药距离大于5 m，使爆破对象成为裂隙发育体，且不产生抛掷。其中不耦合装药的爆破原理，是利用不耦合装药削减孔壁上的爆压峰值，减少能量在短时间内的损耗，延长冲击波及爆生气体在煤岩体的作用时间，从而使爆破对象产生尽可能多的裂纹［1］。

ANSYS/LS－DYNA是世界上著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题。它以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法;以结构分析为主，兼有热分析、流体—结构耦合功能;以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能;是军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元程序［2］。笔者以黑龙江龙煤集团安泰煤矿六井35#工作面极薄硬质煤层为研究对象。利用ANASYS/LS－DYNA程序算法对应力波传播过程进行数值模拟，得出爆破参数。

1 计算模型与参数

1.1 计算模型

长钻孔松动爆破模拟应用对象工作面长110 m，煤厚0.6 m，以暗煤为主，煤层倾角为7°;伪顶为4.0～5.0 m的白砂岩;底板为8.7 m的细砂岩，以长石、石英为主，胶结较好。由于煤层含部分夹矸，普氏系数最大为f=3.3，采用刨煤机刨煤，刨头截齿损耗较大，效率不高，因此在上巷下帮煤壁单排布置长度为60 m左右的爆破孔爆破松动大面积煤岩体，以提高刨煤机的采煤效率。

为了传递支架对老顶的部分约束力，任何条件下都希望直接顶保持其整体性［3］，否则顶板垮落会影响刨煤机的正常工作。按此工作面以往经验得知，顶板裂隙发育超过0.5 m有可能产生冒顶，影响回采的正常进行。

建立3个相同尺寸的模型，如图1所示。其中顶板高100 cm，煤层高60 cm，厚度为1 cm，3个模型炮孔的直径分别为 55、75、93 cm，药径均为50 cm。

图1 1/2模型Fig.1 1/2 of model

岩石与煤岩、空气与煤岩、炸药与空气的边界采用流固耦合算法，空气、炸药材料采用欧拉网格建模，单元使用多物质ALE算法，煤、顶板采用拉格朗日建模［4］。由于是柱形装药，在中心线起爆条件下不考虑端部效应时，可将模型简化为平面对称问题，建1/2模型，后处理时做YZ平面对称镜像;导爆索传爆速度极快，炸药几乎同时引爆，所以模型采用单层(1个单元厚度)实体网格建模［1］。

1.2 材料参数

(1)岩石。岩石拟定为弹塑性材料本构(* MAT－PLASTIC－KNEMATIC)［5］。煤岩及顶板(白砂岩)的主要力学参数见表1。白

表1 煤岩与顶板主要力学参数Table 1 Main mechanics parameters of coal and roof

(2)炸药。炸药采用殉爆距离大、爆速高、猛度高、抗水性好的煤矿许用三级乳化炸药(*MATHIGH－EX PLOSIVE－BURN)［5］，爆速D=0.36 cm/μs，ρ0=1.310 g/cm3，并定义状态方程(*EOS－JWL)，方程中的参数具体为:A=47.6 GPa，B=0.529 GPa，R1=3.50，R2=0.90，W=1.30，E=45 GPa。

(3)空气。空气采用MAT－NULL材料本构［5］，材料参数:ρ=1.292 9 g/cm3，C4=C5=0.4，E= 3.5×10－4Pa，V0=1.0。

2 数值模拟结果分析

根据煤矿的实际情况，钻头直径d1有55、75、93 mm。现采用药径d2为50 mm的煤矿许用三级乳化炸药，模型考虑爆炸后1 ms内不同孔径下爆炸应力波的传播过程，模型具体参数见表2。

表2 模型参数Table 2 Definite mechanics of model

2.1 不同时刻有效应力云图

在lS－PREPOST后处理器的有效应力动画中分别输出模型1、2、3在250、500、1 000 μs时的有效应力，如图2所示。图2a中模型1应力波的衰减明显，而模型2和模型3的应力波的直径约是煤层的厚度。图2b中三模型的应力波主要集中在顶板，且在煤岩和顶板中的应力波区域大小呈模型1＜模型2＜模型3的趋势。图2c模型2与3在煤岩中的应力波大体相同，而模型2在顶板的应力波明显少于模型3。可见爆破后模型1在煤岩和顶板的应力波的传播距离小，时间短，而模型2和3在煤岩和顶板的应力波的传播距离较大，时间较长。

图2 模型1、2、3的有效应力云图Fig.2 Effective stress cloud picture of modle 1，2，3

2.2 压力时程曲线

在lS－POEPOST后处理器History中分别输出模型1、2、3中正对炸药顶板内0.5 m处的1#特征单元(A)，以及煤岩体垂直炸药轴线1 m处2#特征单元(B)的压力时程曲线，如图3、4所示。

图3 模型2孔壁处单元压力时程曲线Fig.3 Pressure time－histories curve in pore wall element of modle 2

在图4b中1#特征单元的压力时程曲线的压力峰值是29.5 MPa，小于图4a和c的压力峰值;并且在煤岩中的2#特征单元压力时程曲线的压力峰值也最大，为62.45 MPa，作用时间也相对最长。

总结以上模拟结果，最能接近预期效果的为模型2，即取孔径为75 mm，不耦合系数取1.50，对应孔壁处特征单元的压力峰值(应力波初始径向应力峰值)为p=755.62 MPa，如图3。

图4 模型特征单元压力时程曲线Fig.4 Pressure time－histories curves of characteristic element in model

3 理论计算

3.1 最小抵抗线

最小抵抗线半径为

式中:Rp——松动圈半径;

p——应力波初始径向应力峰值;

λ——λ=μ/(1－μ);

α——应力波衰减值，α=2－λ;

σt——岩体的抗拉强度，MPa;

μ——煤岩的泊松比;

rb——炮孔的半径，mm。

将p=755.62 MPa，μ=0.37，λ=0.59，α= 1.412 7，rb=37.5 mm，σt=4.80 MPa代入式(1)，得Rp=924 mm。

最小抵抗线半径等于松动半径时，形成松动爆破［1］，因此，确定最小抵抗线w=1 m，即炮孔的松动半径1 m。炮孔间距为两个炮孔爆破时松动半径之和。因此，两炮孔的间距为2 m。

3.2 装药量

每孔装药量计算m为

式中:m——每个炮眼实际装药量，kg;

e——爆力系数，取1.0～1.3;

q——标准条件下爆破每单位体积所需炸药量，一般取0.2～0.35 kg/m3;

g——爆眼堵塞系数;

L——炮眼深度，m;

w——最小抵抗线，m;

nc——炮眼深度对炸药消耗量的影响系数。

将e=1.3，q=0.35 kg/m3，g=1.5，L=65 m，w=1 m，nc=0.6，代入式(2)，m=66.54 kg，即每孔三级乳化炸药的装药量为66.54 kg。

4 结论

(1)用数值模拟技术确定不耦合系数及应力波初始径向应力峰值，精确性增加，实验量减少，能够节约经济成本。

(2)文中计算的爆破参数应用于实际松动爆破后，月产煤量由原来的900 t提高到1 840 t，产出量提高两倍多，达到长钻孔松动爆破的预期效果。

［1］李春茂，樊少武.复杂地质条件下综采工作面深孔松动爆破技术［J］.煤炭科学技术，2007，35(5):33－35.

［2］顾宏伟，赵燕明，金 文.柱状药包岩石中爆炸的数值模拟［J］.工程爆破，2007，13(1):24－27.

［3］钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

［4］李春睿，康立军，齐庆新，等.深孔爆破数值模拟及其在煤矿顶板弱化中的应用［J］.煤炭学报，2009，34(12):1632－1636.

［5］徐 颖，刘永胜，傅萄根.软弱层带爆炸注浆理论与实践［M］.北京:中国科学技术出版社，2008.

Application and numerical simulation of long-drilling loose blasting in extremely thin coal seam

LI Fengyi1，2， CHEN Weixin2， WANG Weiwei1，2
(1.College of Safety Engineering，Heilongjiang Institute of Sience＆Technology; 2.Heilongjiang Mining Industry Research Institute，Heilongjiang Institute of Sience＆Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at allowing large areas of coal and rock mass to be loosened by long-drilling blasting to improve the efficiency of coal mining，this paper introduces the numerical simulation of the propagation process of stress wave due to blast in the extremely thin and hard coal seam of Antai Mine，by using the program algorithm principle in ANASYS/LS－DYNA.The simulation gives no-coupling parameter and initial vertical stress peak in pore wall which affords the loose effect，without much damage to the overlying rocks.The theoretical calculation gives the other blasting parameters.The practice proves this method allows an effective improvement in the efficiency of coal mining and gives monthly increase from 900 t to 1 840 t in coal production.

loose blasting;numerical simulation;blasting parameter

TD235.4

A

1671－0118(2011)04－0273－04

2011－04－12

李凤仪(1963－)，男，回族，黑龙江省鸡西人，教授，博士，研究方向:煤矿围岩灾变及控制、长钻孔松动爆破、矸石山灭火、采空区回填，E-mail:lifyxz@163.com。

(编辑徐 岩)