开元煤矿深孔爆破有效松动圈半径研究

姚 彬

(山西宏厦第一建设有限责任公司，山西 阳泉 045000)



开元煤矿深孔爆破有效松动圈半径研究

姚 彬

(山西宏厦第一建设有限责任公司，山西 阳泉 045000)

为了达到对煤体卸压和增加透气性的效果，合理布置深孔爆破参数是至关重要的。针对开元煤矿3#煤层，结合ANSYS软件为考察爆破孔与控制孔不同间距时的爆破效果，建立了3个爆破模型，对3个模型在不同时刻或不同状态时的应力状态进行对比，对比结果表明：开元煤矿3#煤层煤体深孔爆破的有效松动半径范围为2.5～2.8 m，为现场试验提供了参考数据。

深孔爆破；有效松动半径；ANSYS模拟；应力值；爆破孔；控制孔

1 工作面瓦斯涌现概述

开元煤矿在回采时3#煤层工作面回风流中瓦斯含量出现异常增大甚至超限现象，而在3#煤层开采前已经在该工作面下顺槽专门实施了煤层注水措施，煤体的瓦斯含量一直较低。一般来说，煤矿回采工作面的瓦斯主要来源于采空区，而采空区瓦斯来源于本煤层开采过程中煤壁释放的瓦斯和邻近采空区聚集的瓦斯。采空区聚集的瓦斯沿着松动圈裂隙带随风流不断流向工作面回风流中，导致上隅角和回风流中瓦斯超限[1].

矿井瓦斯抽采实践认为：该矿井瓦斯主要来源于采、掘工作面瓦斯涌出和采空区，中央采区瓦斯主要来源于掘进工作面和采空区，因中央区采空区比较集中，且煤层间距较薄，主要受断层影响，瓦斯涌出量随着开采深度的增加而增加。3#煤层距上方的煤层2.0～34.0 m，平均22.0 m，采空区瓦斯及3#煤层3405工作面瓦斯通过3上煤层超前支承压力造成的底板裂隙上涌，造成上方的煤层工作面回风巷道瓦斯浓度异常[2].

抽采必要性分析：由于巷道断面小，只靠增加风量来解决瓦斯超限问题十分困难，巷道风速超限会给防尘工作带来诸多不利因素，同时也不利于安全生产。经过技术可行性分析及经济方案对比，该矿决定对尚未回采的3#煤层3405工作面进行深孔松动控制爆破，达到卸压和增加透气性系数的目的，并对煤体瓦斯进行预抽，预防瓦斯突出事故的发生，随后观测3#煤层工作面回风流中瓦斯含量变化情况。

2 建立模拟方案

本文模拟的工作面煤层厚度2.05 m，平均倾角20°，普氏系数4～5. 由于炸药是中心起爆，具有结构对称性，建模时只建二分之一模型，以减少求解过程的运算量。后处理时，对原有模型做XZ平面对称镜像。炸药、空气材料采用欧拉网格建模，单元使用多物质ALE算法，煤岩采用拉格朗日网格建模，空气与炸药、煤岩采用流固耦合。根据理论分析及现场实际，模型中的孔径皆为75 mm，孔心位置沿煤层中线单排布置，药径50 mm，径向不耦合系数为1.5.

为考察爆破孔与控制孔不同间距时的爆破效果，建立如下3个简化模型[3]：

1) 模型1：大小800 cm×400 cm×5 cm，两边为爆破孔，中心为控制孔，爆破孔与控制孔间距200 cm.

2) 模型2：大小1 000 cm×500 cm×5 cm，两边为爆破孔，中心为控制孔，爆破孔与控制孔间距250 cm.

3) 模型3：大小1 200 cm×600 cm×5 cm，两边为爆破孔，中心为控制孔，爆破孔与控制孔间距300 cm.

3 模拟结果及分析

本文在ANSYS软件中进行前处理，根据模型选用的有关材料参数，调用LS-DYNA程序设置求解结束时间、输出间隔、能量控制选项、输出类型和步数等选项。

3.1 模型1结果

在LS．PREPSOT3.0中打开模型1的结果文件，选择特定4个时间的应力传播图，见图1.

图1 模型1的应力图

由图1可知，在煤体爆破过程中，爆破孔炸药爆炸所产生的应力波以爆破孔为中心，以近似同心圆的状态向煤体四周传播。在249.92 μs时，两应力波到达控制孔，在孔心线上形成反射拉伸波；439.97 μs时，两爆破应力波开始叠加，使控制孔附近的煤体向里片落，产生径向裂隙[4-5].

为了便于分析爆破之后距离爆源不同煤体质点处的应力大小，在控制孔与爆破孔的水平连线上设置A、B、C 3个观测点，距离爆破孔分别为1 m、1.5 m、1.8 m，读取各单元应力时程曲线，见图2.

图2 模型1的单元应力时程曲线图

3.2 模型2结果

在LS-PREPSOT3.0中打开模型2的结果文件，参照模型l的结果，选择特定4个时间的应力传播图，见图3.

由图3可知，在煤体爆破过程中，爆破孔炸药爆炸所产生的应力波以爆破孔为中心，以近似同心圆的状态向煤体四周传播。在324.97 μs时，两应力波到达控制孔，在孔心线上形成反射拉伸波；559.96 μs时，两爆破应力波开始叠加，使控制孔附近的煤体向里片落，产生径向裂隙。

参考模型1，在控制孔与爆破孔的水平连线上设置A、B、C、D 4个观测点，距离爆破孔的距离分别为l m、1.5 m、1.8 m、2.3 m，读取各单元应力时程曲线，见图4.

3.3 模型3结果

在LS．PREPSOT3.0中打开模型3的结果文件，参照模型l、2的结果，选择特定4个时间的应力传播图，见图5.

由图5可知，在煤体爆破过程中，爆破孔炸药爆炸所产生的应力波以爆破孔为中心，以近似同心圆的状态向煤体四周传播。在419.99 μs时，两应力波到达控制孔，在孔心线上形成反射拉伸波；659.92 μs时，两爆破应力波开始叠加，使控制孔附近的煤体向里片落，产生径向裂隙。

图3 模型2的应力图

图4 模型2的单元应力时程曲线图

参考模型1、模型2，在控制孔与爆破孔的水平连线上设置A、B、C、D 4个观测点，距离爆破孔的距离分别为1 m、1.8 m、2.3 m、2.8 m，读取各单元应力时程曲线，见图6.

3.4 结果分析

后处理时，选择了前后4个时刻的应力图：第2幅应力图时间约94.9 μs，对应的时间步长数值为20；第2幅应力图时间约194.9 μs，对应的时间步长数值为40；第3幅应力图表示相向的应力波同时到达控制孔的图像；第4幅应力图表示相向的应力波发生明显的交错叠加。

图5 模型3的应力图

图6 模型3的单元应力时程曲线图

1) 通过对模拟结果中3个模型在不同时刻或不同状态时的应力图对比，可得出如下结论：

a) 在煤体爆破过程中，爆破孔炸药爆炸所产生的应力波以爆破孔为中心，以近似同心圆的状态向煤体四周传播，随着传播距离的增加应力波不断衰减，在爆破孔周围产生环向裂隙。当两应力波到达控制孔时，在孔心线上形成反射拉伸波；之后，两爆破应力波发生叠加，使控制孔附近的煤体向里片落，产生径向裂隙。

b) 对比各个模型应力传播图中第4个图的颜色，可知：爆破孔与控制孔间距为2.5 m时，发生叠加的应力波强度比间距为2.0 m时大：间距为3.0 m时，发生叠加的应力波强度比间距为2.5 m时小，但比间距为2.0 m时稍大。这说明随着爆破孔与控制孔间距的增加，爆破所产生的有效裂纹扩展变缓，爆破孔与控制孔之间的影响也在相互减弱，由此推断合适的布置孔距在2.5～3 m，接近2.5 m.

c) 放大图1，图3，图5爆破中心的应力图，可观察到两个爆破孔沿控制孔方向的裂纹密度明显多于反方向上的裂纹密度。因此，可以说明控制孔在爆破过程中确实起到了应力导向作用。

2) 通过各观测点应力时程曲线关系图可知：

a) 应力波强度随着传播时间的增加而不断衰减。

b) 同一爆破模型中，各观测点的应力峰值随其距爆破孔中心距离的增加而减小。

c) 本文研究的煤体抗拉强度为0.40 MPa，如果煤体单元的应力值超过0.40 MPa，则该单元失效。由图2可知，观测点A、B、C的有效应力值均>0.8 MPa；由图4可知，观测点A、B、C的有效应力值均>0.8 MPa，观测点D的有效应力值稍高于0.4 MPa；由图6可知，观测点A、B、C的有效应力值均>0.4 MPa，观测点D的有效应力值稍低于0.4 MPa. 因此，爆破气体裂纹的有效范围应在2.3～2.8 m，即深孔爆破的有效松动半径范围在2.3～2.8 m.

综上所述，不耦合系数为1.5，双爆孔起爆时，爆破孔与中部控制孔距离适度增大可以利用煤体爆破所产生的能量，有利于裂纹的发展；但超过一定范围，应力波强度衰减，不足以使煤体产生松动裂隙。通过数值模拟得到：在开元煤矿3#煤层煤体实施深孔爆破的有效松动半径范围为2.5～2.8 m.

4 结 论

本文依据开元煤矿3#煤层煤岩的物理力学参数建立了爆破数值计算模型，设置了模型的非反射边界条件，选择了相对合适的材料类型、状态方程及参数。在此基础上，调用LS.DYNA程序进行求解，得出了不耦合系数为1.5时，不同孔距下的爆破效果。通过后处理器LS-PREPOST描绘出一系列的数值模拟结果，经对比分析，得出开元煤矿3#煤层煤体深孔爆破的有效松动半径范围为2.5～2.8 m，为现场试验提供了参考数据。

[1] 袁 亮.低透气煤层群首采关键层卸压开采采空侧瓦斯分布特征与抽采技术[J].煤炭学报，2008(12):1323-1326.

[2] 汪有刚,李宏艳,齐庆新.采动煤层渗透率演化与卸压瓦斯抽放技术[J].煤炭学报，2010(3):564-567.

[3] 程远平,付建华,俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J].采矿与安全工程学报，2009(2):354-357.

[4] 胡国忠,王宏图,李晓红.急倾斜俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯抽采优化设计[J].煤炭学报，2009(1):54-58.

[5] 袁 亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J].煤炭学报，2009(1)：33-35.

Study on Effective Loosening Radius of Deep Hole
Blasting in Kaiyuan Coal Mine

YAO Bin

In order to achieve the effect of pressure relief and increase the permeability of coal, it is very important to arrange the deep hole blasting parameters reasonably. For the purpose of testing the blasting effect under different distance between the blasting hole and the control hole, 3 blasting models were established, during which the stress states were compared. The results show that the effective radius of the deep hole blasting in the No.3 coal seam is 2.5～2.8 m, which could be reference data for field test.

Deep hole blasting; Effective loosening radius; ANSYS simulation; Stress value; Blasting hole; Control hole

2017-02-20

姚 彬(1987—)，男，安徽阜阳人，2012年毕业于中国矿业大学，助理工程师，主要从事煤矿安全生产管理工作

(E-mail)271648929@qq.com

TD235.3

A

1672-0652(2017)04-0019-04