软分层厚度对煤体爆破致裂效果的数值模拟

2019-09-25王以贤

中国矿业 2019年9期

王以贤

(1.河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000； 2.河南建筑职业技术学院，河南郑州 450064)

0 引言

有效抽放瓦斯能够减少甚至阻止煤与瓦斯突出及瓦斯爆炸[1-4]，从而为煤矿开采提供良好的安全生产环境。但煤体是一个复杂的多孔有机岩体[5-6]，影响抽放瓦斯的因素也很多。多年来，广大科研及科技工作者针对不同地区、不同岩层、不同地质条件下的煤体采用深孔爆破[7]、水力压裂[8-9]、CO2相变致裂[10]等多种途径对抽放瓦斯进行了大量研究，取得了丰硕的理论和实践成果，并形成了一定的理论体系。特别是针对煤岩体爆破致裂理论分别形成了爆炸应力波破坏及爆生气体驱裂理论[11]、冲击动压震裂、应力波传播及爆生气体驱裂叠加理论[12]、爆轰应力波结合爆生气体与瓦斯气体尖劈压裂理论等[13]。但对于具有软分层煤体的瓦斯抽采及灾害防治研究不多，特别是针对软分层厚度变化对煤体爆破致裂效果影响的研究更少。

“软分层”是指煤层煤质、结构和构造等遭受严重破坏的煤分层。大量事实证明，具有软分层的煤体往往更容易产生瓦斯突出[14]。因此，很有必要对存在软分层的煤体进行研究。本文在深入了解九里山矿煤岩体力学基本参数及瓦斯赋存状况的前提下，建立ANSYS/LS-DYNA模型，对具有软分层煤体进行爆破致裂数值模拟，从而得出不同软分层厚度对软分层煤体致裂的影响及作用机理，本项研究对含软分层煤体的爆破致裂及瓦斯抽采具有指导意义。

1 致裂理论

诸多学者通过大量理论分析和试验研究表明[15-17]，煤体爆破裂纹的生成、扩展和连通是爆炸冲击波、应力波、爆生气体、地应力及瓦斯气体等综合作用的结果，并形成以爆炸应力波为主要破坏原因的破碎近区和以爆生气体为主要“气楔”作用的裂纹扩展中远区。

由于煤层地应力相对于冲击波峰值强度很小，因此在求解粉碎圈时可以忽略。但在分析中远裂隙区时，因为裂隙区内爆炸应力波峰值已经较粉碎区冲击波峰值衰减很多，在高地应力情况下，两者差距进一步缩小，就必须考虑地应力对煤体的影响。

爆炸应力波在煤体传播的过程中不但会产生径向的压应力和压应变，而且还会在切向方向上产生拉应力和拉应变，当拉应力大于煤体抗拉强度时，煤体产生拉伸裂隙。

爆生气体随裂隙扩展的规律非常复杂，它不仅与裂隙的扩展时间相关，而且还与裂隙扩展的速度和裂隙长度有着密切的联系。但其主要以“气楔”作用扩展初始及新生裂隙生成煤体中远裂隙区，其力学模型如图1所示。

图1 爆生气体“气楔”作用下裂隙扩展模型Fig.1 Fracture expansion model under the action of “gas wedge” of explosive gas

在图1中，Pg为t时刻裂隙内爆生气体的“气楔”峰值压力，Pa；Lt为t时刻裂纹的扩展长度，m；a为裂隙扩展总长度，m；L0为爆炸所产生的初始裂纹长度，m。

煤体爆破裂纹的产生、扩展与连通不仅与爆炸冲击波最大压应力有关，还与爆炸应力波、爆生气体等在传播过程中综合作用所产生的拉应力有很大关系。炸药在煤体内的致裂区也可以表述为裂隙发育区和裂隙扩展区[11]，不同区域的致裂原因不同。在强动载阶段，当有效应力峰值大于煤体的动抗压强度和动抗拉强度时产生裂隙发育区；在相对静载阶段，当有效应力大于煤体静抗拉强度时产生裂隙扩展区。

2 数值模拟

以河南九里山矿16051底抽巷16采区东翼上部二1煤层为研究对象，具体参数见表2。该矿隶属于河南煤业化工集团焦作煤业有限公司，位于焦作矿区东部、太行山南麓，属于严重的煤与瓦斯突出矿井。该煤层顶、底板为粉砂层，较致密，厚度在6.1～8.1 m之间，平均厚度为7.1 m，软分层厚度不一，最小为15 cm，最大为1 m，采用深孔爆破致裂抽采瓦斯。

2.1 模型建立

图2 研究模型示意图Fig.2 Research model diagram

利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立爆破模型，采用cm-g-μs单位制，建立简化模型示意图，如图2所示(图2中以炮孔中心为坐标原点，沿x、y正向为正，负向为负，下同)。其中，顶板岩层厚度100 cm，上层硬煤层厚度300 cm，软分层厚度视研究工况而定，下层硬煤层厚度200 cm，底板岩层厚度100 cm，炮孔直径80 mm，由于所建模型沿中轴左右对称，为简化计算，只建立右半部分模型，宽度700 cm。

根据弹性力学知识，结合本工程实际，将所研究问题简化为平面应变问题。使用拉格朗日算法，计算时长为4 000 μs，炸药、煤体和岩石采用壳单元plane162，中间对称轴上设置x向约束，顶、底边设置全约束，右边为无反射边界。

2.2 材料模型选取

炸药和煤体分别采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，用*EOS_JWL状态方程来描述炸药爆炸时压力、体积及能量特性，其表达式见式(1)。

(1)

式中：P为炸药爆炸后炸药单元体内的压力，MPa；V为体积变化，m3；E0为初始比内能，MJ；A、B为炸药特性参数，GPa；R1、R2、ω为炸药材料常数，无量纲。

2.3 材料参数选取

所选炸药的具体性能参数见表1，煤体具体参数见表2，其中，ρ1、E1、μ1为坚硬煤层密度、弹性模量和泊松比；ρ2、E2、μ2为软分层煤体密度、弹性模量和泊松比。

表1 炸药参数表Table 1 Explosive parameters

表2 煤体参数Table 2 Coal parameters

2.4 软分层厚度对致裂效果影响

图3为无软分层煤体爆破后裂纹扩展图。

图4为炮孔中心位置固定(炮孔中心距软分层上表面以上25 cm)时，软分层厚度不同时的爆破裂纹扩展情况图。

图3 无软分层煤体爆破裂纹扩展图Fig.3 Extension of blasting crack in non-flexible stratified coal

图4 不同软分层厚度爆破裂纹扩展图Fig.4 Explosive crack growth diagram with different soft delamination thickness

从图3和图4可以看出以下几点。①软分层的存在改变了煤体内部裂纹扩展的方式和规律。无软分层时，煤体的裂纹扩展是沿两个中轴线向四周对称扩展的，而软分层的出现改变了这种状况，导致煤体爆破致裂规律发生了变化。②软分层吸收了大量的爆炸能，导致软分层下部硬煤裂纹较少，扩展长度较小，分布集中度较低。煤体破碎程度和裂纹产生、扩展从根本上来说是由于爆炸能量的传递和转化，当向下传递的能量被软分层吸收以后，势必导致传递到下部硬煤层的爆炸能量降低，就会出现能量较少而不足以产生过多新裂纹和过多裂纹扩展的情况。③大量的爆炸能并没有使软分层产生过多裂隙，相反，软分层的存在阻止了上下硬煤裂隙的贯通。这是因为软分层较硬煤波阻抗小很多，依据波阻抗匹配理论，强爆破能遇到软煤层并不能导致大量裂隙的产生、扩展和连通，也就不可能为瓦斯渗流提供较好的解吸条件和运移通道，这也就是软分层煤体更容易发生瓦斯事故的原因。④软分层厚度对煤体爆破裂纹的数量、集中度及连通性有较大影响。软分层厚度为25 cm时，硬煤层裂隙最多、裂隙最集中、贯通裂隙面积最大，最有利于瓦斯的解吸、扩散与渗流；当软分层厚度为50 cm时，下部硬煤层裂隙数量、集中度及连通性与25 cm软分层相比都有不小的减少；当软分层厚度为75 cm时，下部硬煤层两翼裂隙已减少殆尽，中部裂隙集中度及贯通裂隙面积有明显减少；当软分层厚度为100 cm时，炸药爆破能量经过软分层的吸收已不能致使下部硬煤层产生裂隙。这主要是因为软分层能够较好地吸收爆破能，同时，厚度越大所吸收的爆破能越多，导致随着软分层厚度的增加，下部硬煤层致裂能量逐渐减少。⑤软分层厚度的变化只影响下部硬煤层裂隙的数量、集中度与贯通裂隙面积，对上部硬煤层几乎没有影响。其实，对上部硬煤层而言，软分层的存在改变了爆炸能量的分布规律，导致上部硬煤层两翼裂纹的扩展速度和长度增加，同时也致使两翼裂纹集中度和连通性增大；但软分层厚度的增加并没有进一步改变上部硬煤层裂纹的分布。

图5为软分层厚度与峰值压力之间的拟合关系曲线图，拟合方程表达式及拟合精度见表3。

图5 软分层厚度与峰值压力之间的关系曲线图Fig.5 Curve diagram of the relation between soft layer thickness and peak pressure

表3 拟合曲线方程式及参数表Table 3 Fit curve equation and parameter table

由表3可知，拟合精度R2均在0.96以上，拟合效果很好。从图5和表3可知：①三条曲线整体变化趋势基本一致，随着软分层厚度增加，峰值压力逐渐降低，最后基本趋于稳定；②曲线初期，软分层厚度极小时(小于25 cm)，压力峰值却急剧下降，也就是说，只要存在软分层，都将引起峰值压力的大幅度下降，吸收大量爆炸能，给煤体致裂及瓦斯抽采带来极大困难，这也就是软分层煤体极易发生瓦斯事故的原因；③根据拟合结果可以估算出不同软分层厚度煤体内部某位置处峰值压力大小，结合致裂理论，可以得出含软分层煤体致裂区域，为评估含软分层煤体致裂效果、有效治理瓦斯提供参考。