爆破扰动松软煤层对巷道围岩稳定性的影响

高 魁， 刘泽功， 刘 健， 朱飞昊

(1.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001)

随着煤矿开采深度的不断增加，爆破技术在煤矿生产中的应用越来越广泛，如低透气性煤层瓦斯抽采爆破增透[1-5]、坚硬顶板弱化[6-7]、厚煤层综放开采坚硬顶煤预先弱化[8]、爆破掘进[9]、综掘硬岩段深孔超前爆破[10]和石门揭煤[11]等等。

然而，在实际应用中，当爆破扰动到松软煤层，容易诱发煤与瓦斯突出等矿井动力灾害。例如，2009年11月21日，新兴煤矿在构造复杂的南二石门探煤巷爆破诱发煤与瓦斯突出，造成108人死亡。2014年1月4日，中田煤矿主斜井掘进工作面遇煤层变厚，放炮时工作面漏顶诱发煤与瓦斯突出，突出煤量约260 t，瓦斯量约2.4万m3，造成4人死亡。2014年6月11日，贵州新华煤矿1601工作面回风巷2#联络巷掘进工作面从底板揭穿M6煤层，在揭煤过煤门阶段放炮诱发煤与瓦斯突出，突出煤岩量约1 010 t，瓦斯量约12万m3，造成10人死亡，事故调查发现揭煤区域煤层松软变厚[12]。目前煤岩体爆破理论大都建立在均匀、连续介质力学基础上[13]，关于复杂地质条件下爆破扰动构造松软煤层的试验研究还不多见。

鉴于此，本文以爆破扰动松软煤层诱发煤与瓦斯突出为工程背景，针对爆破载荷作用下地质构造带煤岩体的动态应力演化这一科学问题，根据Froude 比例法结合相似理论在实验室进行爆破扰动松软煤层的模拟试验，分析爆破载荷作用下试样的力学特性，结合数值模拟分析其对巷道围岩稳定性的影响，为揭示爆破扰动构造松软煤层诱导煤与瓦斯突出的发生机理提供理论研究基础。

1 爆破扰动松软煤层模拟试验

1.1 试验模型构建

在煤矿井下采用爆破技术进行石门揭煤或者巷道掘进有时会遇到地质构造带、煤层厚度变化或构造软煤分层发育等情况，如图1所示。

图1 爆破扰动松软煤层示意图

将现场简化构建爆破掘进扰动松软煤层的试验模型，爆破孔从岩层开始进入松软煤层。在实验室搭建爆破模拟试验系统如图2所示，试验模型尺寸为50 cm×50 cm×50 cm，试验时对爆破试样的动态应力演变过程进行实时监测，利用高速摄像系统对爆破瞬间裂隙演化进行拍摄。

图2 试验模型示意图

模型中应力测点布置如图3所示，1#测点位于岩层中，距离煤岩交界面2 cm；2#和3#测点均位于煤层中，距煤岩交界面的距离分别为2 cm和6 cm。采用超动态应变数据采集仪实时记录爆破过程应变数据，通过应变值反演出该点的应力值。

图3 爆破试样应力测点布置图

爆破模拟试验的原煤岩力学性质见表1，试验炸药采用雷管和导爆索，爆破孔直径设计为7.5 mm，长度为130 mm，装药长度为80 mm。

表1 爆破模拟试验煤岩力学参数

1.2 相似原理和试验过程

根据Froude相似定律[14]，实验时需要满足比尺因数关系

Kσ=Kρ·Kl

(1)

其他需要满足的关系式有

(2)

式中：m，p分别为试验模型和原型；Ka为加速度比；Kε为应变比；Kμ为泊松值比；KΦ为摩擦角比。长度L、密度ρ和加速度a是基本变量，取加速度比为Ka=1。

模拟试验密度相似比取Kρ=ρm/ρp=0.66，应力比取值Kσ=σm/σp=0.13，则长度比Kl=lm/lp=0.2，可模拟现场2.5 m的煤岩体。

本次试验的材料配比参数见表2。

按照材料配比参数称量所需材料搅拌均匀后倒入模具，在预定位置预留爆破孔，同时在煤岩层中按照设计位置埋设应变砖，试样制作过程和应变砖铺设如图4所示。

表2 爆破模拟试验相似材料配比参数

(a)(b)

图4 模型制作和应变砖埋设

Fig.4 Model making and brick laying

爆破模拟试验现场及应力监测系统如图5所示。试样在室温下养护20天后拆模，然后装药封孔，连接雷管导线和起爆器进行模拟试验。

(a)(b)

图5 爆破试验系统和数据监测

Fig.5 Blasting simulation test system and data monitoring

1.3 试验结果分析

经过多组试验，选取典型的试验结果，如图6所示。从图中可以看出爆破瞬间岩体被粉碎抛出，发生了类似突出的破碎抛掷过程。将爆破试样从岩层部分剖开，在松软煤层炮孔周围主要产生爆破粉碎圈，贯通裂纹较少。

(a) 爆破瞬间高速摄像照片(b) 爆破后煤岩交界面剖面

图6 爆破瞬间和爆破后煤岩交界面裂缝

Fig.6 Blasting instant and the crack between coal and rock interface after blasting

根据预埋应变砖所监测到的应变值，反演出相应位置的应力变化曲线如图7所示，图中应力值的正负说明爆破应力波的不同作用方向。

在0.5～1×10-4s时间段，为爆破载荷的动载阶段，在此阶段，3个应力测点均产生了不同方向的应力峰值，主要是由于爆轰应力冲击波产生的压缩波和卸载波形成。由于是正向起爆，使得距离起爆点较近布置在岩层的1#应力测点先达到应力峰值，并且所产生的应力峰值最大。

随着爆破应力波的传播，2#和3#应力测点相继达到应力峰值。应力波在从岩层传播到松软煤层时，部分应力波从煤岩交界面透射到松软煤层作用于2#和3#应变砖，由于应力波在松软煤层的衰减，使3#应力测点的应力峰值最小，2#次之。

在1×10-4s之后，各个测点的应力值在小范围内浮动，逐渐衰减趋向于0。

爆破应力波从岩层传播到松软煤层时，由于两种介质的波阻抗不同，部分应力波经煤岩交界面反射到岩层继续作用于岩层，使得1#应力测点出现了第二次较大的应力峰值，岩层反复受到爆破应力波的压缩和拉伸作用，破坏严重；另外一部分应力波经过波的透射作用叠加到松软煤层，使得松软煤层的煤体受强烈的爆破冲击波压缩、粉碎，形成爆破空腔[15-16]。

构造松软煤层对爆破应力波具有吸收和反射作用，导致由爆源产生的入射波和松软煤层所反射的反射波在煤岩交界面处产生相互叠加，在煤岩交界面两侧应力差别最大，所受爆破扰动最为强烈。布置炸药一侧的岩石强度虽然远大于构造松软煤层强度，但是炸药距离岩层一侧爆破自由面的距离小于爆破的最小抵抗线长度，如图8所示，最终导致爆破作用方向发生改变。

图8 爆破作用方向发生改变示意图

2 爆破扰动松软煤层对巷道围岩稳定性影响

煤矿井下单孔柱状结构装药爆破对巷道围岩松动圈的影响力学模型如图9所示，σ为爆破应力波在巷道爆破松动圈外缘的入射应力，σ1为垂直于巷道侧面的应力入射分量，σ2为平行巷道侧面的应力入射分量，α为σ和σ1的夹角。

选择炮孔药卷最外端与巷道顶部之间为应力波传播距离，设为r，则沿此方向入射到巷道顶端时的入射应力σ可以表示为

(3)

式中：ρ0为炸药密度，kg/m3；D0为爆轰波的初始速度，m/s；D1为爆轰波的波速，m/s；r0为炮孔半径，m；μd为岩石的动态泊松比；L1为爆破药卷与巷道中心点的水平距离，m；L2为爆破药卷与巷道顶端松动圈外缘的垂直距离，m。

图9 单孔柱状装药爆破对巷道围岩作用示意图

垂直于巷道围岩侧面的应力分量σ1与入射应力σ之间的关系可以表示为

σ1=σ·cosα

(4)

因此，应力分量σ1可以表示为

(5)

由σ1产生的衍生拉应力σθ1的拉伸作用是导致巷道围岩裂纹扩展的主要原因，σθ1和σ1的关系式为

(6)

巷道围岩裂纹的最大扩展长度rmax为

(7)

式中：σD为岩石的动抗压强度，MPa；D为裂纹尖端损伤因子；Lp为原岩应力作用下松动圈的长度，m。巷道围岩受爆破动载作用时所产生的爆破松动圈的长度L可以表示为

L=Lp+rmax

(8)

通过分析可以看出，爆破裂纹扩展是导致巷道围岩破坏的根本原因。当煤矿井下进行爆破揭煤或者爆破掘进扰动到松软煤层时，爆破应力波从岩层入射到松软煤层，由于松软煤层的波阻抗远远小于岩体的波阻抗，爆破应力波会加剧巷道围岩的破坏程度，促使巷道围岩的裂隙进一步扩展发育，进而影响巷道围岩的稳定性[17]。

3 爆破扰动软煤层对巷道围岩影响数值模拟分析

3.1 数值模型

利用DYNA3D软件构建两个数值模型，如图10所示，分别为单孔和三孔爆破。模型中煤层高度10 cm，岩层高度20 cm，长度为30 cm。巷道为半圆拱形，采用锚喷的支护形式，巷道半圆直径为10 cm，巷道中线垂高8 cm。

(a)(b)

图10 爆破扰动松软煤层数值模型

Fig.10 Numerical model of blasting in soft coal seam

数值模型的煤岩和巷道参数设置见表3。

表3 数值模型力学参数

采用JWL方程描述爆轰压力，可表示为

(9)

式中：P为爆轰压力，MPa；V为爆轰产物的相对体积，m3；A，B为炸药参数，GPa；E0为爆轰产物内能，MJ；R1，R2，ω为炸药特性参数，无量纲。数值模型中炸药参数设置见表4。

表4 炸药特性参数

3.2 数值模拟结果分析

一个爆破孔起爆，不同时刻的三维有效应力云图如图11所示。

从图中可以看出，当t=500 μs时，爆破应力波沿爆破孔周围均匀传播；当t=1 000 μs时，爆破应力波传播到松软煤层和巷道，此时应力波传播受松软煤层影响较小，但是在巷道顶端上方开始产生应力集中；在1 000 μs

在爆破应力传播的过程中，松软煤层也遭受到了爆破应力的作用，但是所受应力明显小于岩层。

(a) t=500 μs

(b) t=1 000 μs

(c) t=1 500 μs

(d) t=2 000 μs

(e) t=3 000 μs

(f) t=5 000 μs

由于松软煤层的存在，应力波传播到煤层后会发生透射和反射，透射的应力波作用于煤层使煤体发生破坏，反射的应力波对岩体产生拉伸作用，加速了爆破孔上方靠近松软煤层一侧岩体的破坏。而巷道中间的空气相当于自由介质，在爆破应力波传播到巷道时又加速了爆破孔下方靠近巷道一侧岩体的破坏。同时，由于岩体的波阻抗大于松软煤层的波阻抗，而松软煤层的波阻抗又远大于空气介质，所以靠近巷道一侧的岩体所受应力明显大于靠近松软煤层一侧的应力。松软煤层和巷道中自由面的存在促使巷道围岩裂隙发育扩展。

三个爆破孔同时起爆，不同时刻的三维有效应力云图如图12所示，应力波的传播形式和单孔爆破类似，但是三个爆破孔的爆破应力波相互叠加明显的加剧了巷道围岩和煤层的破坏程度。

(a) t=500 μs

(b) t=1 000 μs

(c) t=1 500 μs

(d) t=2 000 μs

(e) t=3 000 μs

(f) t=5 000 μs

在井下一次爆破药量大，炮孔数目多和需要多次爆破的情况下，爆破振动的累积损伤效应最终将会影响到巷道围岩的稳定性[18]。

爆破模拟试验、理论分析和数值模拟是对煤矿现场进行简化后的结论，没有考虑瓦斯压力所产生的影响。如果煤矿井下同时进行多个炮孔联合起爆，在松软煤层中构造应力、瓦斯压力和循环爆破作业的共同作用下将会产生更加复杂的应力波相互叠加的扰动现象。由于煤体的抗拉强度远远小于抗压强度，爆破瞬间的震动能和爆破应力波反射产生的拉伸波的波动能对煤体有极大的破坏作用。同时，由于构造松软煤层煤体所具有的特殊性质[19-20]，外加上井下爆破掘进和揭煤等作业工作面是循环往复向前推进的一个过程，所以工作面前方构造松软煤层一侧的煤体不断受到爆破所产生的压缩波和稀疏波的扰动，在煤体中不断产生压缩区域和膨胀区域[21-22]，使煤体内产生大量贯通性裂隙。

爆破扰动使得松软煤层经爆破卸压后吸附瓦斯迅速解吸，游离瓦斯经爆破粉碎圈向爆破空腔和爆破裂隙区扩散，如果此时爆破最小抵抗线长度不足以抵抗瓦斯压力和瓦斯膨胀能，就很容易诱发煤与瓦斯突出动力灾害的发生。

4 结 论

(1) 在实验室搭建了爆破扰动松软煤层的动态力学模拟试验系统，试验发现爆破应力波扰动岩体和松软煤体后，产生了类似突出的破碎抛掷过程并在松软煤体内部产生爆破粉碎圈。

(2) 分析了爆破扰动松软煤层导致的巷道围岩损伤破坏机理。裂纹扩展是导致巷道围岩破坏的根本原因，受爆破压缩波和稀疏波的扰动，巷道围岩受到压缩和膨胀拉伸的先后作用，松软煤层和巷道中自由面的存在会加剧巷道围岩的破坏程度，促使巷道围岩的裂隙进一步扩展发育。在一次爆破药量大，炮孔数目多和需要多次爆破的情况下，爆破振动累积损伤会最终影响到巷道的稳定。

(3) 文章虽然对爆破试验条件进行了简化处理，采用的是单孔爆破，但得出的结论使我们初步认识到爆破扰动构造带煤岩诱导煤与瓦斯突出发生的致灾理论基础，为后续深入的研究提供了一条新的思路。