巷帮爆破卸压效果数值模拟研究

2018-07-02孙文斌薛彦超邵建立

中国煤炭 2018年6期

孙文斌薛彦超周斐邵建立

(山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东省青岛市，266590)

随着煤炭工业发展，浅部煤炭资源越来越少，深井开采成为煤矿开采的常态。深井开采面临巷道难支护、岩爆防治等难题。目前，巷道钻孔爆破卸压是防止岩爆的主要方法，可有效降低应力峰值，使围岩应力发生转移，改善巷道受力条件。在实施卸压爆破的过程中，如何在保证卸压效果的前提下，又不使爆破对巷道产生不利的损害，是爆破卸压的关键所在。

近年来，国内外有关学者就巷道卸压进行了大量的研究。李俊平等采用显式非线性动力分析有限元程序ANSYS/LS-DYNA与FLAC3D相结合的方法，模拟了动、静态硬岩巷帮钻孔爆破卸压过程，分析了不同施工条件对卸压效果的影响；杨增强等应用FLAC3D对深井条件两类典型巷道冲击巷帮煤体破坏机理进行了分析，研究了水射流卸压技术对巷帮煤体应力集中区二次分布影响，提出了基于“强弱强”三重防冲结构的水射流卸压防冲方法；宋希贤等采用RFPA2D-Dynamic模拟和分析动载荷作用下巷道围岩动态损伤破坏发展以及围岩中应力场重新分布的过程，揭示动力扰动下深部巷道卸压孔与锚杆联合支护的作用机理。诸多学者运用数值模拟软件分析了巷道卸压前后围岩应力状态分布特征，表现了数值模拟在应用卸压爆破的可行性。但这些研究只进行了隐式算法或显式算法其中一种模拟，没有充分考虑初始地应力的影响，但在高地应力条件下卸压爆破，初始地应力对爆破卸压影响是较大的，因此进行隐式—显式转化是十分必要的。

本文利用ANSYS Multiphysics/LS-DYNA中的隐式算法和显式算法对巷道围岩进行爆破模拟，分析围岩介质的应力、能量变化以及损伤分布特征，为深部岩石巷道卸压爆破参数设计提供一定理论指导。

1 工程概况

华丰煤矿某工作面位于七采区东部，工作面走向长456 m，倾向长209 m。煤层底板标高-1100～-1200 m，平均-1159 m。根据工作面冲击危险性多因素评价，在工作面范围内，对危险区域位置、危险程度进行叠加。通过叠加，将这些危险区域划分为一般危险区、中度危险区和高度危险区三类，如图1所示。由图1可知，绿色代表一般危险区，黄色代表中度危险区，红色代表高度危险区。在工作面开采过程中，对冲击危险区域进行防治，采用巷道爆破卸压，消除冲击危险性。

图1 多因素耦合评价冲击地压危险区划分

2 巷道爆破卸压机理

通过巷道爆破卸压，改变了岩石的有效弹性模量，巷道围岩应力向深部转移，应力集中程度大大降低，起到了改变巷道围岩应力状态的效果。爆破一般是内部爆破，作用范围有限，不波及卸压区巷道围岩表面。根据内部爆破作用机理，爆炸的影响区域有空腔、压碎区、裂隙区、震动区，如图2所示，Rb为空腔半径，Rc为压碎区半径，Rp为裂隙区半径，Rs为震动区半径。

1-扩大空腔；2-压碎区；3-裂隙区；4-震动区图2 爆炸致裂的破坏分区示意

由图2可以看出，从炮孔壁面开始，随着爆炸波的不断传递，爆炸波会出现不同的形式，如爆炸冲击波、爆炸应力波和地震波。爆炸后产生的爆轰产物撞击孔壁，产生非常高的爆炸压力，超过了岩石的介质动态抗压强度。随后，在炮孔四周形成破坏区，在破碎边缘，冲击波转化为应力波，在传播的过程中以弹性波的形式向煤岩体内部传播，经过波的作用，煤岩体径向压应力强度已经低于岩石介质的动态抗压强度，但是波在传播中产生的切向拉应力仍远大于岩石介质的动抗拉强度，此时，岩体将产生拉伸破坏。由于岩体产生了破坏，在粉碎区形成了贯通的径向裂隙，在弹性能的作用下径向裂隙转换成环向裂隙。随着应力波的继续传播，其强度逐渐衰减，转化成地震波，并在距离较远的岩体中产生爆破震动区。从爆破卸压的作用过程可以看出，巷道爆破卸压的主要特征为硬化爆点附近软岩、形成空腔和裂隙区，最终形成长度为炮孔长度和裂隙区半径之和的卸压区，使高应力发生转移，转移到围岩深部较远的卸压区。

3 数值计算模拟的建立

3.1 模型各材料参数及其状态方程

本文运用有限元程序ANSYS Multiphysics /LS-DYNA3D，先对巷道围岩模型进行了围岩初始应力隐式分析，在此基础上进行隐式—显式转换，继而进行岩石爆破的显式分析模拟，观测卸压效果。

对高能炸药的爆轰产物，采用JWL状态方程表达爆轰过程中压力和比容的关系：

(1)

式中：p——压力，GPa；

A、B——炸药特性参数，GPa；

R1、R2——炸药特性参数；

ω——格林爱森参数；

E——爆轰产物的初始比内能，GPa；

V——爆轰产物的初始相对体积，取1。

选用岩石乳化炸药，各参数选取如下：炸药密度1.18 g/cm3，爆炸速度4800 m/s，爆炸压力907 GPa，A取2.144 GPa，B取0.182 GPa，R1取4.2，R2取0.9，ω取0.15，E取4.192 GPa。

岩石模型选取能够反映岩石等脆性材料在大应变、高应变率下的动态响应的H-J-C模型，模型部分参数选取如下：静态屈服强度fc′取48 MPa，损伤因子D取1，岩石损伤常数D1、D2分别取0.04和1，材料的最大拉伸强度T取5 MPa。

3.2 动力有限元计算模型

考察装药爆炸对岩石介质破坏的影响，炮眼垂直于巷道表面，直径为0.1 m，耦合装药长度0.5 m。模型取1.2 m × 0.6 m的准二维岩石域。模型的上下左右四面都加以无反射边界条件以模拟无限体，垂直地应力分别为10 MPa、20 MPa、30 MPa和40 MPa，爆破炮孔长度分别取4.5 m、5.0 m和5.5 m。力学计算模型如图3所示。

图3 动力有限元力学计算模型

4 模拟结果分析

4.1 卸压前后效果对比

模拟中垂直地应力取30 MPa，爆破炮孔长度取5.5 m，模拟分析研究爆破前后应力变化特征及其损伤规律。巷道围岩应力爆破前后垂直应力分布分别如图4和图5所示。由图4可知，爆破前围岩垂直应力最大为86.3 MPa，应力集中系数为2.88。在巷道肩角处，应力集中程度较高，发生岩爆的可能性较大，巷道围岩处于较不稳定状态。由图5可知，爆破后，巷道围岩应力发生了转移，应力集中程度明显降低，应力峰值向爆破空腔附近转移，巷道周围围岩应力得到释放。

图4 爆破前垂直应力分布

图5 爆破后垂直应力分布

图6 t=5000 μs时刻应力分布

t=5000 μs时刻应力分布如图6所示。由图6可以看出，爆破对煤岩体造成损伤，爆源边缘损伤最严重，损伤范围从爆源向周围扩散，损伤程度逐渐减小。该模型爆源附近损伤范围大致为(按边界损伤因子等于0.05确定)水平方向4 m左右，垂直方向2.5 m左右；从能量来看，爆破的同时释放了围岩本身积聚的大量弹性能，在模型中侵蚀内能与侵蚀动能之和为34.3627×109J，如图7所示，解除了岩爆发生所具备的强度条件和能量条件，卸压效果明显。

图7 t=5000 μs时刻能量损失曲线

4.2 巷道埋深对爆破卸压效果的影响分析

为了研究埋深对爆破卸压效果的影响，取垂直地应力分别为10 MPa、20 MPa、30 MPa和40 MPa，炮孔长度为5.5 m的4个模型进行模拟分析。损伤半径、侵蚀能量与地应力关系图如图8所示。

图8 损伤半径、侵蚀能量与地应力关系图

由图8可知，开始随着埋深的增加侵蚀能量与埋深之间呈线性增长关系，但当埋深达到一定程度后，随着埋深的增加，侵蚀能量基本保持不变。损伤半径与埋深之间呈线性增长关系，损伤半径随着埋深的增加而增大。爆破卸压范围随着埋深的增加而增加，炮孔浅时损伤程度超过炮孔长度，影响巷道的另一帮。巷道进行爆破前应力峰值区位于巷道两侧，当埋深较浅时，地应力小，爆破应力波远大于原岩应力，在爆破中起主导作用；当埋深较深时，在巷道为开挖之前已经处于高应力状态，巷道围岩部分发生损伤破坏，在原始地应力与爆破应力波共同作用下，爆源附近损伤严重，巷道围岩周围损伤程度加剧，总体上损伤程度处于较高状态。

4.3 炮孔长度对卸压效果的影响分析

为了研究炮孔长度对卸压效果的影响，取炮孔长度分别为4.5 m、5.0 m和5.5 m，原始地应力取30 MPa进行研究分析。损伤单位面积、侵蚀能量与地应力关系图如图9所示。由图9可知，炮孔长度不同，卸压效果不同。炮孔深度与巷旁损伤面积呈负相关，随着炮孔深度的不断增加，巷旁损伤面积不断减小。从模拟效果来看，当炮孔深度为5.0 m时，侵蚀能量最小，当炮孔深度为5.5 m时，侵蚀能量最大。巷道在实施卸压爆破时，炮孔合理的长度应使爆炸产生的裂隙刚好完全吸收围岩内应力，爆破产生的能量完全用于巷道围岩的释放。当炮孔长度较小时，爆破产生的能量大于卸载所需的能量，而多余的能量一部分传递到巷道表面，使巷道维护更加困难。炮孔长度较长时，爆破产生的能量不能完全卸载围岩内的高应力，同样会造成巷道围岩不稳定。因此，合理的炮孔长度对爆破卸压至关重要。