爆破荷载下瓦斯抽采钻孔致裂增透作用机理研究

2022-07-08周云权

安全 2022年6期

周云权

(安徽理工大学安全科学与工程学院，安徽淮南 232001)

0 引言

目前国内煤矿多数为煤层透气性低的高瓦斯矿井[1]。防治煤与瓦斯突出提高煤层瓦斯抽采率和抽采量就要增加煤层透气性，强化增透技术来提高煤层抽采效果[2]。有关学者对爆破荷载下对煤体致裂增透作用进行研究，其中龚敏等[3]建立穿层深孔爆破数值模型，研究煤岩复合介质条件下应力的传播特性及不同位置抽放孔有效应力变化规律，探讨炮孔水平距离对抽放孔有效应力影响；岳中文等[4]通过爆炸载荷动态焦散线测试系统建立有机玻璃模型，研究在爆破过程中空孔周围应力的变化；张树川等[5]在实验室搭建有、无控制孔的2种试验模型，借助高速摄像仪记录模型在爆破荷载下裂纹的萌生、发育、扩展过程，揭示控制孔对煤层的增透作用机理；郭德勇等[6]通过建立有、无控制孔2种数值模型探讨控制孔对应力波传播特性、煤体的裂隙扩展规律的影响；赵宝友等[7]在考虑爆炸波、煤层原始瓦斯压力、煤层地应力的作用下建立煤层深孔控制爆破的力学模型，研究深孔控制爆破煤体裂隙的扩展过程、机理及防突效果并在工程实践中得到良好应用。上述学者已经在瓦斯治理方面进行大量研究，但是在阐述瓦斯抽采钻孔对煤岩体爆破致裂的作用机理研究较少。

因此本文通过数值模拟、相似模拟试验相结合的方法，研究瓦斯抽采钻孔在穿层中爆破荷载的作用下对煤岩体裂纹扩展规律，分析爆破扰动后含瓦斯煤体的裂隙对煤体增透的效果，对高瓦斯透气性差煤层治理具有重要意义。

1 瓦斯抽采钻孔力学模型

抽采孔的孔径远远小于爆破孔和抽采孔的距离。假定爆炸荷载对抽采孔的作用视为无限大介质受爆炸荷载作用的弹性力学模型，在这个爆炸应力场中抽采孔附近产生应力集中，应力状态被改变，其弹性力学模型，如图1。

抽采孔附近的切向应力为：

σθ=S(1+3a4/r4)cos 2θ

(1)

式中：

S—爆炸应力，MPa；

a—抽采孔半径，m；

r—介质中某点到抽采孔圆心的距离，m；

图1 平面波对瓦斯抽采钻孔的作用机制Fig.1 The action mechanism of plane waves to the gas drainage drilling

θ—某点处应力方向与水平线的夹角，° 。

r=a，θ=0或θ=π时即在A、B点处取得最大值σθ=4S。当σθ大于煤体动态抗拉强度时，在A、B点处煤体因受到拉伸应力作用而被拉裂成向爆破孔方向的径向裂隙，最终与爆破孔周围的径向爆生裂隙形成贯穿裂隙。

瓦斯抽采钻孔是炸药爆炸最小抵抗线上的一个自由面，瓦斯抽采钻孔可实现引导煤体导向致裂，减小爆破阻力，增大裂隙发展的范围。当应力波在不同介质面发生入射时会发生反射和透射传播，爆炸应力波传播到抽采孔时，因为煤岩介质的波阻抗远大于抽采孔的波阻抗，抽采孔的波阻抗趋近于0。因此弹性波、入射的压缩应力波在抽采孔的自由面效应下反射成拉伸波，在抽采孔附近的煤岩介质中形成拉应力，当抽采孔表面煤岩介质的动态抗拉强度小于所受拉应力强度时，就会产生霍金逊效应，煤岩从瓦斯抽采钻孔向里片落，使裂隙区的范围被增大。

2 数值模拟分析

2.1 数值模型的建立

应用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件进行模拟分析。模型尺寸3m×3m×3m，爆破孔、瓦斯抽采钻孔的孔径直径为25mm，模型边界设为无反射边界，如图2。

炸药爆轰过程采用高能材料模型来描述，即采用JWL(Jones-Wilkins-Lee)状态方程来描述[9]：

(2)

式中：

P—炸药爆轰压力，g/cm3；

图2 深孔爆破瓦斯抽采钻孔数值模型Fig.2 The numerical model of deep hole blasting gas drainage drilling

E0—初始内能；GPa

V—相对体积，m3；

A，B，R1，R2，ω，D—与炸药相关的材料常数。JWL方程与炸药的参数，见表1。

表1 炸药特性参数Tab.1 Explosive parameters

2.2 数值计算及结果分析

煤体在爆炸荷载作用下裂隙主要由压缩应力波入射、折射和反射对煤岩体产生切向和径向的拉伸应力。切向的拉伸应力形成径向的裂隙，径向的拉伸应力对煤岩体形成环向的裂隙。当应力波传播到瓦斯抽采钻孔时，由应力波在不同介质面上的反射和透射理论得知，瓦斯抽采钻孔是爆破孔边最小抵抗线上的一个自由面，当压缩应力波传播到瓦斯抽采钻孔时，相当于弹性波在自由端的反射，则透射波应力σt≈0，反射波应力与入射波应力呈相反的关系为σr≈-σi，此时的入射波被反射成拉伸波作用在煤岩介质上。当反射波拉伸应力大于煤岩介质的动态抗拉强度时即σr>σtd，在反射拉伸波进一步拉裂煤岩介质，煤岩从抽采钻孔向里片落，发生霍金逊效应，进一步促进裂隙发育。

抽采钻孔模型应力演化数值模拟结果，如图3。炸药爆炸以后应力波开始在煤岩介质中传播，60μs前主要在爆破孔周围传播，60μs后在抽采孔的影响下传播到抽采孔。在抽采孔的自由面的效应下反射，炸药产生的爆炸应力波与其他反射波、卸载波相叠加增大应力波的幅值，从而增大对煤体的拉伸应力，加大对煤岩体的损伤及破坏作用。

图3 瓦斯抽采钻孔应力演化Fig.3 The stress evolution of gas drainage drilling

图4为数值模拟的瓦斯抽采钻孔模型裂隙演化过程。爆炸初期先在爆破孔的周围爆炸空腔，之后形成粉碎圈产生爆生裂隙，此时裂隙的扩展受抽采孔的影响比较小。在130μs时，受到爆破应力波反射拉伸所产生的拉应力的影响，瓦斯抽采钻孔向爆破孔方向产生径向裂隙，与爆破孔方向的爆破裂隙贯通成为主裂纹。在130μs后，主裂隙贯穿瓦斯抽采钻孔继续扩展，并向其他方向正常扩散。

图4 瓦斯抽采钻孔裂隙演化Fig.4 The evolution of fractures in the gas drainage drilling

3 相似模拟试验

3.1 试验模型构建

根据Froude相似定律，本次试验模型与原型长度比近似取1∶10。设计的模型尺寸为30cm×30cm×30cm，模拟3m×3m×3m的现场煤岩体，岩层和煤层厚度分别为5和20cm，上下岩层和煤层厚度为7和16cm，如图5。其中，图5(a)是1个爆破孔，1个瓦斯抽采孔的穿层爆破模型。爆破孔和抽采孔的距离是10cm，抽采孔和爆破孔直径为16mm，在抽采孔和爆破孔之间布置1#和2#测点。本次爆破采用气固耦合爆破模拟试验装置系统，该系统由30cm×30cm×30cm的箱体部分和加载装置组成。

图5 瓦斯抽采孔穿层模型Fig.5 The cross-layer model for the gas drainage drilling

3.2 试样模型制作过程

相似模拟试验原型取自某矿煤层和顶底板，物理力学参数，见表2。

表2 岩层及煤层力学参数表Tab.2 The parameter table of the rock and coal seam

爆破模拟煤体材料的组成为：石膏、水泥、粉煤、沙子、云母碎、水。水泥、石膏自身具有胶结性质，可以用来模拟模型所需要的抗压强度、弹性模量和泊松比等力学特征；煤体具有孔隙特性，对瓦斯具有吸附的特性，因此使用粉煤模拟真实煤体；沙子可以实现对孔隙率的调节；云母碎可以模拟割理。相似模拟材料配比，见表3。

表3 相似模拟材料配比Tab.3 Similar analog material ratio

将试验模型按照图5设计尺寸，从模具的底部逐层铺设，在相应的位置埋设应变砖和预留爆破孔。制作好试样，风干后装入爆破模拟试验装置，如图6。试验时，向爆破孔内装入特制的药卷和雷管，使用黄泥封孔。

图6 抽采孔穿层模型Fig.6 The cross-layer model for the drainage hole

4 试验结果及分析

爆破后，瓦斯抽采孔穿层模型爆破试样的裂纹扩展(如图7)，煤层底板岩层破坏比较严重，裂缝发育长，岩层表面产生贯通裂纹，爆破孔和瓦斯抽采钻孔之间裂纹贯通，爆破孔上产生的裂隙向抽采孔方向扩展；将试验模型从箱体内取出后，试样的侧面煤层裂隙发育如图7(b)所示，煤体内的爆破裂隙发育与岩层部裂隙贯通，对煤层致裂增透效果明显。

图7 抽采孔穿层模型爆破裂纹发育Fig.7 The development of blasting fractures in the model of the cross-layer of the drainage hole

通过在爆破孔和瓦斯抽采孔之间布置的电阻应变片进行瓦斯抽采钻孔穿层模型的爆炸应力波测试，应变曲线，如图8。在抽采孔附近的煤体先受到压缩应力再受到拉伸应力的作用，在100μs时先后作用在抽采孔附近的1#、2#测点的煤体上。爆炸冲击波作用下爆破孔壁上形成粉碎圈初始径向爆生裂隙，随后，冲击波衰减成应力波传播到煤岩交界面经岩层产生反射，反射在煤体上的拉伸应力对煤体产生拉伸作用，使煤体受压缩和拉伸应力波叠加作用，煤岩体结构遭到严重破坏。