低透气煤层双孔预裂爆破增透有效影响范围研究*

王公忠，赵文彬

(1.河南工程学院 安全工程学院，郑州 451191；2.山东科技大学 安全与环境工程学院，青岛 266590)

煤层深孔预裂爆破增透技术能够显著提高低透气性煤层瓦斯的抽采效率，炸药在煤体深部爆炸后，产生压缩粉碎圈和贯穿控制孔爆破裂隙面，压缩粉碎圈和爆破裂隙面的形成，可有效增加煤层透气性，提高瓦斯抽放率。在预裂爆破施工工艺、理论计算和数值模拟等方面，国内外许多专家、学者对深孔预裂爆破技术进行了系统的研究，并取得了一定的成果[1-6]。梁冰、丁学丞等采用数值模拟的研究方法研究了双孔连续爆破应力波的传播过程及对煤层影响的范围[7]。刘泽功、蔡峰利用二维数值模拟和现场测试相结合方法，分析了爆破孔间距对爆生裂纹和增透效果的影响[8,9]。徐伟通过数值模拟和现场检验，得出高瓦斯低透气煤层松动爆破合理间距[10]。刘健、刘泽功分析爆破载荷作用下试样的动态力学特性和裂纹扩展特性，得出裂纹主要是由压缩波与卸载波共同作用形成的，裂纹扩展方向与炮孔轴线方向垂直[11]。穆朝民对定向聚能爆破控制裂纹演化方向的理论和方法进行研究[12]。龚敏[13]、余永强等利用数值模拟和现场应用对低透气性煤层进行了控制爆破，以此来提高瓦斯抽采效率[14]。

综上，目前煤层预裂爆破增透主要以单孔起爆和两孔连续起爆两种爆破方式为主，不同爆破方法对煤体的破坏范围不同。而对于两孔连续爆破不耦合装药结构研究较少。

采用LS-DYNA 分析软件，以新安煤矿二1煤层预裂增透为研究对象，建立6个两孔连续爆破模型，采用耦合装药结构和不耦合结构的有限元计算模型，进行煤层介质双孔预裂爆破的数值模拟，分析了双孔同时起爆应力波的传播特性，为低透气性煤层预裂增投提高瓦斯抽采效率提供依据。

1 新安煤矿二1煤层双孔预裂爆破数值模型

1.1 新安煤矿预裂爆破工作面概况

新安煤矿受区域地质构造控制，全层构造软煤发育、煤体结构达到Ⅲ～Ⅴ类，煤层厚度变化大、透气性差。其主采的二1煤层具有瓦斯突出危险性。15150工作面在位于15采区下山，煤厚为2.0～7.2 m，平均煤厚3.2 m，比较稳定，性脆，易破碎。工作面煤层煤体坚固性系数在0.17～0.38，透气性系数为[0.028～0.13 m2/(MPa2·d)]，钻孔瓦斯流量衰减系数为(0.054d-1～0.058d-1)，瓦斯放散初速度ΔP为9.5～29.5，煤层测定a值为27.448～35.512 m3/t，b值为0.515～0.762 Mp-1。

二1煤层赋存于下二叠统山西组下部，位于大占砂岩和二1煤层底板砂泥岩之间，顶板岩性：该工作面二1煤伪顶局部发育，偶见黑色炭质泥岩，松软易碎0～0.5 m；二1煤层直接顶板主要为泥岩，厚度2.2 m，比较稳定，性脆，易破碎。老顶为灰色-浅灰色中粒石英砂岩，层面富集云母片，具斜层理，厚19.2 m。底板岩性：二1煤层底板主要为砂质泥岩，少量为粉砂岩或细砂岩，厚度10.1 m。老底为硅质泥岩，厚度5.2 m，岩层硬度较大。

1.2 数值模拟参数

采用有限元软件LS-DYNA建立模型，数值模型单位制为g-mm-μs。共建立6个爆破模型，模型尺寸均为为14 m×8 m，两炮孔直径均为80 mm。①模型1:炮孔间距为 4 m，药卷直径64 mm。②模型 2:炮孔间距为 4 m，药卷直径80 mm。③模型3:炮孔间距为6 m，药卷直径64 mm。④模型 4:炮孔间距为 6 m，药卷直径80 mm。⑤模型5:炮孔间距为8 m，药卷直径64 mm。⑥模型6:炮孔间距为8 m，药卷直径80 mm。模型划分网格单元采用六面体Solid164实体单元，在划分网格时，靠近炸药的部分应力应变比较复杂，因此网格划分相对于其他部分相对细密。岩石和堵塞材料采用Lagrange网格，空气和炸药材料选用Euler网格，通过关键字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID来定义岩体物质、炮泥与炸药等流体物质之间的流固耦合作用。

由于模型的炮孔大小和相对位置在纵向上不随模型的尺寸而变化，因此将模型简化为二维的平面应变模型，模拟研究过程建立3D的单层网格模型，即在厚度的方向为单层网格施加位移约束，能够更真实的模拟岩石中的爆破情况。根据对称性简化模型，建立1/4模型。在模型的上边界和右边界施加无反射边界条件，以消除爆炸应力波在模型边界发生反射现象，从而形成拉伸应力波对模拟结果产生影响。模型的左边界和下边界施加对称约束。煤层与顶底板物理力学参数见表1，炸药与JWL状态方程参数见表2。

表1 煤层与顶底板物理力学参数Table 1 The physical and mechanics parameters of the coal seam and roof and floor

表2 炸药与JWL状态方程参数Table 2 The parameter of explosive and JWL

2 数值模拟结果与分析

2.1 爆破应力波传播及裂纹扩展规律分析

炸药在无限介质中爆炸时，爆炸能量将以药包中心为球心，呈同心球向四周传播。爆破作用将形成粉碎圈、裂隙圈和振动圈。图1～图6为不同爆破模型爆破应力波传播及裂纹扩展规律。两炮孔在爆破初期以各自药包中心为球心，呈同心球向四周传播，随传播距离的增加而不断衰减。当应力波传播至两爆破孔连线的中心处相遇(图1～图6中(a)所示)；然后会发生应力波叠加效应(图1～图6中(b)所示)；最终两炮孔应力波传播及裂纹扩展(图1～图6中(c)所示)。

由图1～图6可以看出：随着孔间距的增加应力波发生叠加现象的时间越晚，且应力波叠加效应会沿着爆破孔连线的中心处垂直方向发展；不耦合装药破碎圈半径明显小于耦合装药破碎圈半径。经量取孔间距为 6 m，不耦合系数为1.25时，粉碎圈半径为155 mm，是6种爆破模型中最小，孔间距为 4 m，耦合装药时，粉碎圈半径为212 cm，是6种爆破模型中最大；不耦合装药裂隙圈半径明显大于耦合装药裂隙圈半径，孔间距为 6 m，不耦合系数为1.25时，裂隙圈半径为3500 mm，是6种爆破模型中最大，孔间距为 4 m，耦合装药时，裂隙圈半径为2180 mm，是6种爆破模型中最小。

炸药在无限介质中爆炸初期，作用在药室壁面上的初始压力远远高于煤岩体的抗压能力，致使药包附近产生粉碎破坏，且消耗能量较多。对比图1～图6，可以看出，孔间距为 6 m 时，不耦合系数为1.25时，裂纹密度最均匀，裂隙圈半径最大。原因一:爆破孔孔间距越小，叠加应力衰减就会越快，致使能量浪费，从而影响裂纹的扩展；若孔间距越大，虽然叠加应力衰减很慢，但发生叠加应力效应前的原始应力就会越小，达不到煤岩材料的失效准则，煤体裂隙的就不会继续扩展。原因二：不耦合装药粉碎圈半径，能量损失小。综合所得最佳爆破孔间距为6 m，不耦合系数1.25。

2.2 单元压力峰值对比分析

为了对比分析6种爆破模型爆炸应力波在炮孔周围岩体的分布和衰减规律，对每个计算模型的炮孔连心线的中心位置单方向每隔50 cm选取一个典型单元，直至炮孔周围粉碎圈处。将单元压力随着炮孔连心线与中心单元位置的距离变化趋势拟合成曲线，如图7所示。从图7变化曲线可以看出，在沿炮孔连心线走向方向，6种计算模型单元压力峰值变化趋势是一致的，随着应力波向炮孔连心线的中心位置传播各单元压力急剧衰减。当应力波在两炮孔中心位置叠加时，单元压力有所增加，更易于裂纹在炮孔中心处垂直方向的扩展。对比相同孔间距模型，可以发现不耦合系数1.25的炮孔周围单元压力峰值大于耦合装药的炮孔周围单元压力，这说明了耦合装药起爆时在炮孔粉碎圈损耗了大量能量。

3 现场爆破试验

为验证数值模拟的合理性，在新安煤矿15150工作面瓦斯巷分别进行了炮孔间距为4 m、6 m、8 m两孔连续爆破的爆破试验，分别采用耦合装药结构和不耦合装药结构，对6个试验区爆破孔中间位置考察孔进行了为期15 d的瓦斯浓度及流量观测，如图8所示。间距 6 m、8 m，不耦合系数1.25，爆破试验考察孔累计瓦斯抽采纯量分别为465 m3、385 m3，抽采效果明显，间距 4 m，耦合装药时，爆破试验考察孔累计瓦斯抽采纯量为290 m3，抽采效果不佳。说明双孔爆破试验两爆破孔间距在6 m、8 m范围内对煤层均产生了有效的塑性破坏，但6 m的效果更好，这与数值模拟中两爆破孔合理布置间距为6 m，不耦合系数1.25一致。

4 结论

(1)爆破应力波在煤体中的传播以爆破中心为起点，呈圆形向四周传播，随着孔间距的增加应力波发生叠加现象的时间越晚，且随着爆破距离的增大不断衰减，应力波叠加效应会沿着爆破孔连线的中心处垂直方向发展。

(2)煤体双孔连续爆破模型，不耦合装药破碎圈半径明显小于耦合装药破碎圈半径，作用于粉碎圈的爆炸能量消耗小，有利于爆破应力波传播及裂纹扩展，且裂纹密度均匀；不耦合装药裂隙圈半径明显大于耦合装药裂隙圈半径，能够显著提高低透气性煤层瓦斯的抽采效率。

(3)炮孔间距为4 m时，炮孔水平方向及2个爆破孔连线的中心处垂直方向煤体裂纹扩展良好，但在炮孔中心45°方向裂纹发育不好；炮孔间距为8 m时，不耦合装药煤体裂纹扩展明显好于耦合装药，而在耦合装药时，爆破孔连线的中心处垂直方向及炮孔中心45°方向煤体裂纹扩展不好；炮孔间距为6 m，不耦合系数1.25时，裂纹密度最均匀，裂隙圈半径最大。

(4)依据新安煤矿的煤质条件，双孔爆破模型两爆破孔合理布置间距为6 m，不耦合装药系数1.25。孔距6 m与8 m爆破模型均在爆破孔连心线中点附近的单元产生了塑性破坏，但孔距6 m比孔距8 m爆破孔模型产生的塑性破坏强烈，可以显著提高煤层瓦斯渗透率，数值模拟结果与现场试验数据基本吻合。