围压作用对深孔爆破效果影响的研究

2022-12-19王九红陈大勇吴占伟郑晨阳

中国矿业 2022年12期

王九红，陈大勇，吴占伟，郭英，郑晨阳

(1.兖矿能源(鄂尔多斯)有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017010；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州 221116)

0 引言

炸药的爆炸作用促使矿体产生裂隙，从而实现了应力改变、强度减弱、孔隙率提高等工程目的[1]。随着浅埋煤层的不断开采直至枯竭，深部煤层开采势在必行。在此情况下，深孔爆破得到了广泛应用，如超前工作面厚硬顶板深孔爆破，以降低厚硬顶板整体强度，减小顶板破断距及其破断动载。随着开采深度的不断增加，围岩所受的地应力越来越大，深孔爆破时炮孔承受的围压作用也越来越大，并且无爆破自由面。爆破裂纹的空间形态是爆破设计的依据，但受限于爆炸过程的复杂性，目前爆破裂纹扩展范围还主要参考无围压条件下的爆破参数确定方法，仍存在很大的盲目性。

围压作用对深孔爆破效果的影响引起了国内外学者的广泛兴趣，并得到了一些研究成果。胡楠[2]研究发现随着围岩应力的增加，岩石的损伤破坏程度不断提高，且当煤层应力处于10～40 MPa之间时，随着地应力增大，其破坏类型逐渐由拉伸破坏向剪切破坏转化，进而抑制爆破产生主裂纹数目和宽度，表现为岩石不易破坏，张西良等[3]、黄文尧等[4]、NING等[5]、穆朝民等[6]、岳万友等[7]、陈明等[8]也证实了该基本结论。魏晨慧等[9]通过建立力学模型指出地应力的大小对裂纹的扩展方向及规模具有很大影响。

在爆破防治效果方面，通过深孔爆破在破碎区和裂隙区形成的弱面、空腔、众多的次生裂隙对顶板进行弱化并发生位移[10-11]，破坏了岩石的完整性[12]，使得极限应力转移至工作面远场，取得了顶板与两帮的破坏速率明显减缓的效果[13]，减轻了工作面初次来压显现，消除了悬顶风险，能够有效预防并控制冲击矿压的发生[14-15]，并且为提高瓦斯抽采率奠定了基础[16]，最终实现了工作面高效安全生产并取得了良好的经济效益与社会效益[17]。

在实验室物理模拟实验方面，刘殿书等[18]、肖正学等[19]、高全臣等[20]以激光动光弹为实验手段进行物理模拟实验。实验结果显示，较低的静应力可以隐没在动应力场中，而较高的静应力可以影响甚至改变动应力场的传播过程，初始应力场的存在不仅改变了应力波的传播规律，并且对裂纹发展起到了一定的导向作用。在高应力岩巷实施深孔爆破时，炮孔间的应力夹制作用较强，爆炸载荷在炮孔间的相互反射作用减弱，为合理布置炮孔间距提供了理论依据。

上述研究对有无围压作用下的深孔爆破效果研究提供了重要参考，但是这些研究多侧重有围压或无围压作用下对爆破裂纹的单方面影响，故围压对爆破效果及作用过程有待进一步的研究，因此，采用理论分析和有限元数值模拟的方法着重研究围压对爆破效果的影响机制。

1 顶板深孔爆破效果分析

1.1 深孔内部爆破作用机理

当装药爆炸时，爆破自由面上无法看到爆破痕迹，爆破后产生的爆破裂纹只产生在岩体内部，而不能到达爆破自由面，这种现象称为内部爆破过程。深孔爆破由于没有爆破自由面，并且炮孔处在原岩应力之中，岩体被爆炸产生的能量完全作用，使其发生不同程度的变形和破坏，这一过程在动力学表现得尤为复杂。根据岩石爆破后受损破坏特征，可将其分为破碎区、裂隙区及震动区。破碎区消耗了大量的爆破能量，其范围一般为3～7倍的炮孔半径；裂隙区由拉伸破坏形成，其范围大小是衡量爆破效果的主要参数，震动区内的岩石所受炸药爆炸能量相对较小。

1.2 柱状爆破岩石裂隙区计算

在采用不耦合装药、不考虑地应力的条件下，破碎区半径不大，一般为(3～7)R0，其中R0为装药半径，爆炸应力波所产生的岩石裂隙区半径R计算公式见式(1)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

地下爆破施工过程中，地应力的影响不可忽略，比较好的做法是在确定岩石爆破中裂隙区范围时将其转变成平面应变问题来处理。而式(1)求得的裂隙区半径公式并没有考虑初始地应力对其造成的影响，在浅孔爆破或中深孔爆破时，可以忽略地应力对计算结果影响，但对于深孔爆破，地应力对计算结果影响较大，不可以忽视。而由于破碎区靠近炮孔，爆破所产生的冲击波和爆生气体的威力很大，地应力与其相比可以忽略，因此破碎区范围基本不受影响。但在考虑地应力的情况下，距离炮孔较远距离处的冲击波和爆生气体经过传播已经明显减小，且初始应力对裂缝的扩大产生干涉，其方向和长度均会因此发生变化，此时裂隙区长度求解公式就需要把地应力的影响考虑在内。因此对式(1)进行修正[21]，得到式(6)。

(6)

式中，ζ<1，ζ值需考虑深部岩体的物理力学性质。利用式(6)计算可得爆破所产生的破碎区半径为0.15～0.30 m，裂隙圈半径为3.8 m。

2 爆破效果数值模拟分析

2.1 数值计算模型方案

由于爆破试验的复杂性及材料的高消耗性，采用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA对围压条件下炸药爆炸效果进行数值模拟，炸药的爆轰产物采用JWL状态方程，岩石材料采用H-J-C模型，数值计算模型由炸药、空气、岩石、堵塞材料组成，其中，炸药、空气采用ALE多物质单元，岩石和堵塞材料选用拉格朗日网格，岩石与炸药、空气之间的相互作用采用流固耦合算法，岩石与堵塞材料定义为面面接触。

由此可得模拟围压条件下，爆破裂纹的扩展规律及应力场的时空分布，岩石柱状装药时，若柱状药包较长，则垂直于柱状药包长度方向的截面的破坏情况相像，此时的爆破模型可简略看作为平面应变模型，考虑到柱状装药岩石爆破的特点，爆破分析时只选取垂直于炸药长度方向的一个截面进行分析。计算模型尺寸为1 000 mm×1 000 mm×10 mm，炸药的直径为59 mm，位于模型几何中心，模型厚度方向施加位移约束，计算模型如图1所示，分2种围压条件进行研究(表1)，以便对比分析围压对爆破效果的影响，其中第二种方案中施加的应力条件为工作面实际的地应力大小。

图1 数值计算模型示意图Fig.1 Schematic diagram of numerical calculation model

表1 数值模拟围压条件Table 1 Numerical simulation of confining pressure conditions

2.2 围压条件下爆破效果分析

首先在不考虑岩体初始应力的情况下，对无围压条件下炮孔周围爆破裂纹扩展规律及应力波传播、衰减规律进行了模拟，炸药主要性能指标见表2，计算结果如图2所示。

表2 炸药主要性能指标Table 2 Main performance indicators of explosives

在不考虑岩体地应力的条件下，炸药从开始爆炸到裂纹形成的整个过程如图2所示，最终爆破裂纹形态如图3所示。

图2 无围压条件下爆破裂纹及应力波扩展过程Fig.2 Burst cracking and stress wave expansion process without confining pressure

图3 无围压条件下炮孔最终爆破裂纹形态Fig.3 Final blasting crack morphology of blasthole without confining pressure

由图2和图3所示模拟结果可知，炸药爆炸后形成破碎区的过程持续时间很短，约为160 μs，此过程中爆炸冲击波的压力载荷远远超过岩体的抗压强度，岩体产生剧烈的压缩破坏，岩体直接被压缩粉碎，形成破碎区。破碎区的半径为0.25 m，约为装药半径的8倍。

图4为无围压条件下破碎区边界上岩体质点的压力时程曲线。由图4可知，冲击波作用时间约为200 μs，压力峰值为150 MPa。

图4 无围压条件下破碎区边界单元压力-时程曲线Fig.4 Pressure and time course curve of boundary elements in fracture zone without confining

图5为岩体质点峰值压力随爆心距的衰减曲线。由图5可知，峰值压力随爆心距的增加呈负指数型衰减。

图5 无围压条件下冲击波峰值压力变化曲线Fig.5 Shock wave peak pressure change curve without confining pressure

破碎区形成之后，在该区域周围开始出现径向裂隙并不断扩展，整个过程大约持续1 ms。通过分析无围压条件下爆破裂纹形态可知，无围压条件下炮孔周围裂纹扩展方向以炮孔为中心向四周呈放射状较均匀分布，发育有若干条较长的径向主裂缝以及众多分支微裂缝，裂隙区半径约为2.0 m，约为装药半径的67倍。另外，当破碎区形成之后，在该区域周围还发育有环向(径向)裂隙，主要是因为当破碎区空腔形成及压应力波通过之后，积蓄在岩体内的一部分弹性变形能释放，产生与径向压应力作用相反的向心拉应力，当径向拉应力超过岩体的抗拉强度时形成环向(切向)裂隙。

岩体在围压条件下，炸药从开始爆炸到裂纹形成的整个过程如图6所示，最终爆破裂纹形态如图7所示。

图6 实际地应力条件下爆破裂纹及应力波扩展过程Fig.6 Burst cracking and stress wave expansion under actual ground stress conditions

图7 实际地应力条件下炮孔最终爆破裂纹形态Fig.7 Final blasting crack morphology of blast hole under actual ground stress conditions

由图6和图7所示模拟结果可知，炸药爆炸后形成破碎区的过程持续时间很短，约为160 μs，破碎区的半径为0.25 m，通过与无围压条件下爆破结果对比可知，破碎区形成的时间和破碎区半径基本一致，说明岩石有无围压对其爆破破碎区的形成基本没有影响，主要因为破碎区是在炸药引爆后产生的爆炸冲击波压力载荷远超过岩体的抗压强度，使岩体直接被压缩粉碎所形成的，此过程中炸药引爆瞬间产生的压力载荷远超过岩体所处围压的大小，即围压与炸药爆炸瞬间产生的冲击波压力相比微乎其微。

图8为围压条件下岩体破碎区边界上单元压力与时程曲线。由图8可知，冲击波作用时间约为200 μs，最高压力值为190 MPa，在爆炸应力波未到达岩石单元之前，单元的初始压力保持不变，爆炸应力波到达岩石单元之后，有无围压条件下单元压力波峰值到达时间和压力时程曲线的形态是一样的，说明围压并不影响柱状装药爆炸冲击波、应力波的传播速度和传播规律。

图8 围压条件下破碎区边界单元压力-时程曲线Fig.8 Pressure and time course curve of boundary elements in the crushing area with confining

图9为岩体内单元峰值压力随爆孔中心距离的关系曲线。由图9可知，单元峰值压力随爆心距的增加呈类指数形式衰减，与无围压条件曲线相比，衰减系数基本一致，说明围压并不改变柱状装药爆炸应力波传播过程中的衰减规律。

图9 围压条件下冲击波峰值压力变化曲线Fig.9 Shockwave peak pressure change curve under confining conditions

通过分析有围压条件下爆破裂纹最终形态可知，围压条件下爆破后主裂缝半径长约1.5 m(装药半径的50倍)，裂缝主要延伸方向与最小主应力方向夹角约20°，裂隙区近似为“椭圆形”。与无围压条件下爆破裂纹形态相比，发现裂纹长度、形态受围压的影响较大，裂纹长度小于无围压条件下的裂纹长度，说明围压能够遏制裂纹的扩展，这是因为径向裂纹的延伸主要受拉应力在切线方向分量的控制，而围压的存在削弱了此方向的拉应力分量，从而遏制了爆破裂纹的扩展。