煤岩爆破致裂中控制孔与邻近爆破孔对爆破效果的影响研究

余 磊，谭力海

(1.中交二航局技术中心， 湖北 武汉 430040； 2.中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410132)

煤岩爆破致裂中控制孔与邻近爆破孔对爆破效果的影响研究

余 磊1，谭力海2

(1.中交二航局技术中心， 湖北 武汉 430040； 2.中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410132)

为了研究控制孔和邻近爆破孔对煤岩爆破致裂效果的影响，采用LS-DYNA建立了4个不同的计算模型进行数值模拟，并对比分析4种条件下煤岩的数值模拟爆破致裂效果和理论计算结果。结果表明控制孔和相邻的爆破孔都有导向致裂作用，但邻近爆破孔对裂隙的扩展长度并无明显影响,为工程爆破方案提供了参考。

控制孔；邻近爆破孔；爆破效果；导向致裂

0 引 言

提高瓦斯在煤岩中的抽采率是研究煤岩预裂爆破的终极目的，目前普遍认为煤岩在爆破时发生的裂隙扩展是地应力、爆炸应力波、爆生气体以及煤岩内部瓦斯压力等几种因素共同作用的结果。近年来，国内外学者对岩石爆破机理的研究逐渐加深，取得了许多研究成果。李志宏[1]在岩石断裂力学、损伤理论等基础上，利用数值模拟对岩石裂隙扩张过程进行分析，指出最大水平地应力与初始裂纹之间的夹角越小，地应力越低，岩石裂纹扩展的就会越长；杨小林，王梦恕[2]认为爆炸时岩石裂纹的扩展过程就是从裂隙尖端到周围岩体的逐渐损伤并且移动的过程，通过建立裂纹尖端的损伤模型，研究了爆生气体作用下裂纹扩展机理；王辉[3]结合损伤力学、断裂力学理论研究了爆破作用下岩石损伤、断裂机理，分析了岩石在爆生气体作用下的裂隙扩展过程并重点探讨了裂纹尖端局部化的损伤模型。国外学者Luis Arnaldo Mejía Camones等人[4]采用双轴和三轴试验来模拟岩石裂纹扩展过程，通过离散单元法(DEM)将含裂隙岩体失效机理做了进一步分析。LABUZ, JOSEPHF[5]分析了岩石断裂过程并研究了岩石裂纹扩展机理，建立了岩石裂隙扩展的概念模型。Trivino Parra, Leonardo Fabian[6]指出在计算岩石损伤时，应该同时考虑应力波和爆轰气体的作用，利用数值模拟研究了应力波对岩石的破坏作用，划分了爆轰气体造成岩石进一步破坏的范围。Mohsen Nicksiar[7]分析了岩石性质、岩石粒度、成分等因素对裂纹萌生压力值的影响，研究结果表明，岩石的各向异性对应力峰值的大小有十分显著的影响，但并不影响裂纹萌生压力。Peng Chen等学者[8]以受压状态下的含瓦斯煤岩为实验装置，研究了煤与瓦斯突出，借助高速摄像机拍摄和观察了煤岩各表面裂隙的发展过程，发现并指出在不同时间下含瓦斯煤岩的裂隙发展规律。

根据上述研究，本文采用LS-DYNA模拟爆破时煤岩裂隙区范围，以研究控制孔和邻近爆破孔对煤岩爆破致裂效果的研究。

1 裂隙区范围理论计算

炸药起爆后对煤岩产生破坏主要有应力波和爆生气体两种方式[9]，根据距起爆点距离的不同呈现出的不同特征，把爆破影响范围分为压缩区、裂隙区和弹性振动区三个区域，各区域示意图如图1所示。

图1 爆破孔周边的煤岩裂隙

对裂隙区的范围理论计算方法可分为按应力波作用计算和按爆生气体作用计算两种。

(1) 按应力波作用确定裂隙区范围。在煤岩抗拉强度低、有应力波作用的情况下，当煤岩所受拉应力超过其抗拉强度，就在煤岩中形成了径向裂隙。其中，裂隙半径的计算公式为：

(1)

式中，β是应力波衰减指数，β=-4.11×10-7ρCp+2.92[10]。

(2) 按爆生气体的准静压作用确定裂隙区范围。当为柱状、不耦合装药时，作用在炮孔壁的准静态压力pj计算公式为：

(2)

2 计算模型的建立

本次模拟共分为4个计算模型，分别建立不耦合装药系数为1.5，单、双爆破孔，有无控制孔4种组合状态下的煤岩预裂爆破模型。爆破孔及控制孔直径都选取90 mm；岩石预裂爆破后的裂隙区半径范围大多是药卷半径的30～70倍[11]，4 个计算模型尺寸设置为12 m×8 m。建立的4个模型分别如图2～图5所示。

图2 模型Ⅰ(单个爆破孔无控制孔)

图3 模型Ⅱ(单个爆破孔，

图4 模型Ⅲ(中心距离为2 m的相邻爆破孔无控制孔)

图5 模型Ⅳ(中心距离为2 m的相邻爆破孔，

3 数值模拟结果

对模型Ⅰ～模型Ⅳ进行模拟爆破致裂，以分析爆炸过程中裂隙扩展情况。鉴于模型尺寸比较大，为了直观、清晰的展现爆破效果，只截取爆炸影响较大的炮孔附近裂隙扩展区域进行研究。

模型Ⅰ～模型Ⅳ中煤岩裂隙在起爆后不同时刻的扩展状态如图6～图9所示。

图6 模型Ⅰ不同时刻裂隙扩展状态

图7 模型Ⅱ在不同时刻裂隙扩展状态

图8 模型Ⅲ在不同时刻裂隙扩展状态

图9 模型Ⅳ在不同时刻裂隙扩展状态

4 数值模拟结果分析

4.1 爆破致裂效果分析

从图6～图9可清晰地观察出煤岩爆破后压缩区和裂隙区，理论分析与数值模拟结果是一致的。径向裂隙衍生造成次生裂纹扩展，最后贯通成环向裂隙，形成了煤岩裂隙区。各模型的裂隙范围理论计算值及数值模拟值见表1。

表1 各模型裂隙范围(单位：mm)

由表1可见，当药卷半径为30 mm，不耦合系数为1.5时，压缩区半径大致为药卷半径的3倍，裂隙区半径的范围大致为药卷半径的15～30倍。

4.2 控制孔对煤岩爆破的影响

通过对比图6与图7可以看出，当一个爆破孔、无控制孔时，爆破致裂效果比较差，裂隙区主要是径向裂隙，少量的环向裂隙仅存在压缩区附近，伴随径向裂隙的不断扩展，尽管不少次生裂纹衍生出，但它们基本没有相互贯通。

在一个爆破孔、有控制孔时，裂隙发育状况有了极大改善，表现在环向裂隙明显增多，裂隙区半径的范围也有一定程度扩大。

根据理论分析，控制孔的存在为爆炸应力波传播提供了自由面，由于自由面的面积有限，因此控制孔的孔壁岩体没有出现剥离现象，控制孔的作用主要表现为：进一步加大爆破孔附近的裂隙区扩展。对比各个裂隙扩展图，在有控制孔时，裂隙区半径的范围要明显大于无控制孔时的半径范围，以模型Ⅰ、模型Ⅱ为例，由表1可见，模型Ⅱ比模型Ⅰ的裂隙半径大近200～300 mm。

4.3 相邻爆破孔对煤岩爆破的影响

通过对比图8与图9可知，当有两个爆破孔时，无论有无控制孔，两个爆破孔中，接近相邻爆破孔的一侧环向裂隙区域和整个裂隙密度都要显著大于另一侧，该现象说明邻近爆破孔同样有着导向致裂的效果。

由表1可见，模型Ⅲ中煤岩裂隙区半径的范围为396.3～844.1 mm，基本与模型Ⅰ中裂隙区半径的范围(314.4～815.7 mm)相同，但相比低于模型Ⅱ裂隙区半径的范围(593.2～1129.9 mm)，说明临近爆破孔对裂隙扩展长度并无显著的影响。

5 结 论

(1) 控制孔、相邻爆破孔都有导向致裂作用，靠近控制孔或相邻爆破孔一侧裂隙区范围，环向裂隙大小和裂隙密度均显著高于另一侧。相邻两爆破孔之间设置控制孔能够帮助贯通两个相邻的裂隙区，可明显地改善裂隙发育效果。

(2) 有两个爆破孔时，无论是否有控制孔，邻近爆破孔都会起到导向致裂作用，表现为增大了环向裂隙分布的范围。然而临近爆破孔对裂隙的扩展长度并无显著影响。

(3) 根据理论估算公式及数值模拟分析结果，煤岩的性质、不耦合装药系数以及控制孔、相邻爆破孔等方面因素都对最终的爆破效果起着重要的作用。

[1]李志宏.爆生气体作用下岩石裂纹扩展机理与数值模拟[D].西安：西安理工大学，2006.

[2]杨小林，王梦恕.爆生气体作用下岩石裂纹的扩展机理[J].爆炸与冲击，2001，21(2)：111-116.

[3]王 辉.爆炸荷载下岩石爆破损伤断裂机理研究[D].西安：西安科技大学，2003.

[4]CAMONES, Luis Arnaldo Mejía, et al. Application of the discrete element method for modeling of rock crack propagation and coalescence in the step-path failure mechanism[J]. Engineering Geology,2013,153(8):80-94. [5]LABUZ，JOSEPH F. A Study of The Fracture Process Zone in Rock (Crack Propagation，Fracture Toughness，Acoustic Emissions，Ultrasound)[D]. State of Illinois: Northwestern University，1985.

[6]Trivino Parra, Leonardo Fabian. Study of Blast-Induced Damage in Rock with Potential Application to Open Pit and Underground Mines[D]. Toronto: University of Toronto,2012.

[7]Nicksiar M, Martin C D. Crack initiation stress in low porosity crystalline and sedimentary rocks[J]. Engineering Ge-ology，2013，154(28):64-76.

[8]Chen P, Wang E, Ou J, et al. Fractal characteristics of surface crack evolution in the process of gas-containing coal extrusion[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2013,23(1):121-126.

[9]衣永亮，曹 平，蒲成志等.静载下预制裂隙类岩石材料断裂实验与分析[J].湖南科技大学学报(自然科学版)，2010，25(1)：67-71.

[10]王文龙.钻眼爆破[M].北京：煤炭工业出版社，1984.

[11]倪小军.深孔爆破松动半径试验研究[D].淮南：安徽理工大学，2009.

2017-02-27)

余 磊，男，湖北丹江口人，工程师，硕士，主要从事岩土工程检测、隧道与地下工程技术研究。Email:yuleigreat@163.com。