煤岩体巷道壁面钻孔减震吸能性能研究*

伍堂锐，叶　青,2，柳　伟

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

0　引言

煤炭作为我国能源构成的主体，其地位在未来一段时间内不会发生大的改变[1]。市场对煤炭的巨大需求使得一些煤矿企业追求利益最大化而忽视了煤矿的开采安全，导致瓦斯爆炸事故时有发生。瓦斯爆炸不仅仅是造成爆炸地点巷道中的人员伤亡设备损坏和巷道毁坏，其爆炸威力往往影响到临近巷道、采区甚至整个煤矿地下系统，如果瓦斯爆炸威力非常巨大很有可能影响到地面设施，如矿区及附近的湖泊水库、道路桥梁、建筑物等，从而造成更为严重的人员伤亡和经济损失[2]。例如：2016年10月31日11时24分，重庆市某煤矿发生特别重大瓦斯爆炸事故[3]，瓦斯爆炸导致井口处多个巨大的充电机柜被掀倒；正在距离井口40 m处作业的工人被掀出5, 6 m远，造成身体多处受伤；据当地村民陶某描述，爆炸就像炸弹爆炸一样，引起地面颤抖。因此减小瓦斯爆炸对非爆炸地点的影响十分有必要。

当前，有专家学者深入研究了冲击载荷下流体的吸能缓冲特性，并获得大量非常有价值的研究成果[4-6]。其中预裂爆破以其较好的减震作用在许多工程中得到了广泛应用，在预裂减震孔中填充水对爆破震动强度也有所减弱，张志波[7]对气泡帷幕吸能原理展开研究，研究得到：由于气体的可压缩性，冲击波波峰的动能被转化为受压缩气泡的内能，因此冲击波压力会有所衰减，从而起到保护其他设施的作用；樊自建[8]等人通过实验得到空气隔层可以有效衰减波的峰值压力。大量研究表明[9-11]波的传播速度一般来说在固体中较快，流体中较慢，而波衰减程度恰好相反，研究煤岩巷道壁面钻孔在瓦斯爆炸冲击载荷作用下的减震吸能性能实质就是研究波与非连续介质界面之间的相互作用。

目前，关于瓦斯爆炸冲击载荷作用下煤岩巷道壁面钻孔减震吸能性能的研究较少。研究煤岩钻孔减震吸能特性对分析冲击载荷在钻孔区传递规律和对相邻巷道系统以及地面构筑物减震防护具有重要意义。本文运用应变波理论和节理刚度模型分析了煤矿井下巷道围岩钻孔的减震吸能机理。为了深入研究瓦斯爆炸冲击载荷在煤岩巷道壁面钻孔传递衰减规律，利用ANSYS/LS-DYNA建立数值模型进行数值模拟，获得了巷道及煤岩体的压力、速度、应力、应变等值线分布图及顶板和右壁面外壁面测点的压力、速度时程曲线，得到了巷道壁面钻孔减震吸能的一般规律，为深入研究围岩钻孔减震吸能机理提供依据，也为瓦斯爆炸下巷道围岩减震防护技术提供参考依据。

1　巷道煤岩钻孔减震吸能机理

瓦斯爆炸将产生冲击载荷，煤岩体承受的载荷由小到大然后由最高值急剧衰减，由于壁面反射载荷对壁面反复拉伸，并由此引起煤岩体介质产生扰动，这种扰动由巷道煤岩壁面沿煤岩体介质向远处不断传递就形成了瓦斯爆炸应力波。如图1所示，若左边巷道发生瓦斯爆炸事故，径向冲击载荷首先作用在巷道壁面，由此产生的应力波向右传递，在没有钻孔的情况下应力波直接传递会对右边巷道的安全性及稳定性产生一定影响。

图1　应力波的反射和透射Fig.1　Reflection and transmission of stress wave

波在2种介质交界面上的透、反射的规律从定性的角度讲对任何类型的波都是成立的。采用一维平面应变波理论和节理刚度模型来研究应力波与钻孔界面之间的相互作用，应力波在介质界面上的入射如图1所示。在实际研究应用中，往往简化为仅考虑应力波垂直入射钻孔情况，并且假设钻孔两侧煤岩体性质相同，可以导出钻孔和煤岩体应力波的基本方程[12]：

u0-u1=ρ0D(V0-V1)

(1)

P0-P1=ρ0D(u0-u1)

(2)

(3)

(4)

式中：e0，v0，p0，u0和e1，v1，p1，u1分别表示波前、波后介质的比内能、压力、比体积和介质质点速度；ρD为波阻抗；P表示波的幅值；其中下标f代表反射波；r代表入射波；t代表透射波；C为波速；K为法向(切向)刚度；ω入射应力波的频率；ρ煤岩密度。

当波前波后的压差一定时，应力波通过的介质内能变化与体积变化成正比，由于空气的可压缩性远大于煤岩体，因此钻孔隔层在应力波通过后，能量的一部分转变为压缩势能，最终又通过体积的膨胀逐渐释放掉。所以钻孔隔层后集中的能量将被降低，从而可以有效降低其他巷道的震动。透射震幅与入射波频率相关，随入射频率的增大，其透射震幅减小，这恰好表现出了钻孔的高频滤波特征。煤岩的密度和波传播速度均大于空气，所以煤岩的波阻抗远大于空气，钻孔后的压力和质点的速度都有衰减，相对而言右边巷道震动减弱；空气阻碍了波的连续、直接、迅速传播，应力波经钻孔隔层的透、反射后，与直接传播相比应力波能量降低。故有在巷道壁面煤岩体中进行钻孔可以有效地降低临近采区甚至地面震动。

2　数值分析

由于瓦斯爆炸实验费用高昂操作风险性高，因此通过大量瓦斯爆炸实验来定量研究壁面钻孔各参变量对应力波衰减的影响较为困难。数值模拟提供了更经济安全有效的方法，此外数值计算能够提供一些实验中不方便或者不能够观测到的细节 , 就上述煤岩体壁面钻孔设计过程而言，可以很容易地改变钻孔半径、间距和布置方式等，从而得到多个方案，为煤岩体壁面钻孔减震吸能效果优化设计提供参考。

2.1　基本假设

为了便于研究，对模型做出如下合理假设：巷道内气体均为静止的状态，瓦斯气体处于常温常压且均匀混合；巷道内只存在瓦斯爆炸唯一热源，瓦斯气体爆炸过程为单步不可逆反应，忽略化学反应的中间过程；壁面光滑绝热，即不考虑壁面热交换。

2.2　数学模型

瓦斯气体爆炸在数学上可用连续方程、动量方程和能量方程等基本方程表示其气体动力学特征。数学模型可用统一的形式表示[13]:

(5)

式中：ρ为密度;t为时间;u为X方向的速度分量;Tφ为通量φ的交换系数;Sφ为能量源项;μeff为有效黏性;∂为 prandtl 数;φ为通用变量，分别代表速度分量u，v，w，湍流动能k、湍流动能耗散率ε、焓h、可燃性气体质量分数Yfu等。

2.3　物理模型

根据模型的对称性和有效减少运算量，建立1/4的方形模型，划分网格后的有限元模型如图2所示。边长为2.1 m，深20 m，为了研究壁面钻孔的减震吸能作用，在右壁面平行设置了单排竖向钻孔，由于掘进工作面极易发生瓦斯超限，所以设置巷道一端开口，另一端为封闭以相似于掘进巷道。当瓦斯浓度为9.5%时爆炸威力最大，因此在巷道内全填充浓度为9.5%的瓦斯混合气体，在开口处用薄膜将瓦斯混合气体与正常空气隔开，整个模型均采用SOLID164单元。空气采用MAT_NULL材料模型，状态方程采用:*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL[4]；煤岩采用*MAT _SOIL_AND_FOAM材料模型，煤岩体参数见表1，瓦斯混合气体及空气相关参数参照文献[14]。由于瓦斯爆炸的复杂性，因此在数值计算中将爆炸流场区域设为ALE网格，爆炸流场与煤岩壁面结构通过耦合算法实现相互作用 。根据研究需要，规则模型可采用映射网格划分[15]，因此对巷道模型采用了八节点六面体单元形式进行网格划分，模型单元尺寸控制为0.1 m，模型划分后共产生352 800个单元。全过程采用统一单位制(kg-m-s)。

表1　煤岩体参数

图2　网格划分和测点设置Fig.2　Meshing and distribution of measuring points

2.4　结果分析

为了研究巷道壁面钻孔情况下瓦斯爆炸对巷道壁面动力响应情况，在模型右端的外壁面从闭口端向开口方向依次间隔3 m设置6个测点，其中A测点为13 482个单元，坐标(2.1,1.2,3)为了便于比较分析在巷道顶板也按照此方式设置相对应的6个测点，其中A对应的G测点为13 662个单元，坐标(1.2,2.1,3)。测点设置如图2所示，其中点火位置为(0,0,1)。

图3　压力等值线分布Fig.3　Contour maps of pressure

图4　部分测点压力时程曲线Fig.4　Curves of measure some point pressure vs. Time

图6　有效应力等值线分布Fig.6　Contour maps of effective stress

由图3巷道压力等值线分布图可以得到：壁面钻孔的存在对压力等值线的分布有较大影响，在没有钻孔时，整个模型压力等值线分布是呈中心对称的，壁面存在钻孔时，模型压力等值线分布是呈轴对称。模型顶底板压力等值线分布较为规律、连续地向更远处传递，左右壁面压力等值线由于钻孔存在而分布较为密集。由于介质的非连续性，压力波传播受到阻隔便不会规则连续地传递，在钻孔处发生反射、透射和绕射，导致有钻孔煤岩壁面压力等值线分布密集压力较大；又由于煤岩介质和空气介质特性存在本质区别，空气密度低，波在空气中的传播速度低于煤岩体，故波经过钻孔后速度会有所减小，从而在钻孔后震动会有所减弱。

为了便于观察比较，图4仅选取26712，53172，26892，53352号单元测点绘制压力时程曲线：A测点压力曲线较C测点波动幅度偏大，B测点压力曲线较D测点波动幅度偏大，这是由于测点距钻孔较近，钻孔对压力波的不规则反射、透射、绕射，使波叠加而产生应力集中，从图6 有效应力等值线线分布情况可以明显看出煤岩钻孔壁面应力高于顶底板煤岩体。应力集中导致煤岩体发生形变，由图5巷道有效塑性应变等值线分布可以看出当时间为0.02 s时煤岩钻孔壁面开始发生轻微变形，最终0.05 s出现明显变形，煤岩体塑性变形将消耗一部分瓦斯爆炸能量，故相比之下无钻孔的煤岩体直接传递的震动能量会更多。

图5　有效塑性应变等值线分布Fig.5　Contour maps of effective plastic strain

图7　速度等值线分布Fig.7　Contour maps of velocity

图8　测点速度时程曲线Fig.8　Curves of measure point velocity vs. time

由图7巷道的速度等值线分布图可以得到：在瓦斯爆炸初期，强大的爆炸载荷作用于巷道壁面，影响钻孔内空气，造成钻孔内空气压缩朝开口方向迅速流动，因此钻孔内速度较大。在0.03 s时，钻孔内等值线分布密集，且靠壁面外侧，这是由于在波的瞬间作用下空气压缩导致，而空气压缩会吸收波峰能量。在图8速度时程曲线图中，A～F号测点速度依次达到各自速度峰值，相比较G～L号测点，A～F号测点由于距钻孔较近应力集中所以速度上升明显，但振幅明显降低，体现了钻孔的滤波特性。

综上所述：在应力波的作用下，应力波通过钻孔时，由于煤岩介质的非连续性，钻孔内空气性质不同于煤岩性质，使得应力波发生卸载反射和不规则透射，对应力波有较大的阻隔消减作用；空气密度低易压缩，应力波在空气中的传播速度比煤岩低，钻孔具有很好滤波特性，钻孔后波振幅明显降低，压缩空气能够起到缓冲吸能作用；煤岩体壁面发生塑性变形，有效减少能量的传递。

3　结论

1)在巷道的煤岩体壁面进行钻孔导致煤岩体介质非连续，使得应力波发生反射、透射和绕射，又因为空气和煤岩体介质性质存在差异从而有效阻碍了应力波的正常传播。消减了钻孔后煤岩体质点中波的强度及速度，故具有一定的减震吸能作用，可以有效保护临近巷道、采区的安全稳定性。

2)本文只研究了单排钻孔情况，但是对于不同性质煤岩体，钻孔位置、半径、间距、排数、布置方式等，以及孔内填充材料对减震吸能效果的影响等问题还需进一步的探讨和研究。

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