高应力低渗透煤层预裂爆破过程中控制孔作用

王海东

(1.煤炭科学研究总院 沈阳研究院, 辽宁 抚顺 113001; 2.煤矿安全国家重点实验室, 辽宁 抚顺 113001)



高应力低渗透煤层预裂爆破过程中控制孔作用

王海东1,2

(1.煤炭科学研究总院 沈阳研究院, 辽宁 抚顺 113001; 2.煤矿安全国家重点实验室, 辽宁 抚顺 113001)

在深孔控制预裂爆破增加煤体透气性过程中,控制孔所起的导向致裂作用受地应力的影响程度通过理论分析相对复杂。针对这一情况,采用数值计算方法模拟爆炸波与爆生气体在煤体内的传播致裂过程和控制孔临空面的反射叠加导向致裂过程,研究高、低地应力情况下控制孔的导向致裂增透作用。结果表明:高地应力煤层深孔预裂控制爆破时,控制孔主要起到卸压孔和抽放孔的作用,其导向致裂效应不如低地应力情况下的显著;控制孔尺寸越大,煤体爆破后控制孔周围煤体裂隙区范围越大;深孔爆破增透技术在高应力低透煤层的增透防突中仍可获得较好的增透效果。

控制预裂爆破; 控制孔; 爆炸波; 爆生气体

深孔控制预裂爆破主要是在煤层中引爆炸药,使炮孔周围产生大量径向裂隙,并且利用控制钻孔临空界面的导向作用,增加控制孔与爆破孔之间的裂隙,即瓦斯流向抽采孔的有效通道,从而增加煤层透气性。深孔控制预裂爆破技术是一种应用前景较好的低渗透煤层增透方法,该技术在防治煤与瓦斯突出及增加抽采效果方面取得了较好的效果,其相关理论研究也已经取得了一定的进展,但深部高应力低渗透煤层控制预裂爆破增透技术的增透效果和机理还有待进一步研究,而且深孔控制预裂爆破过程中,控制孔所起的导向致裂作用采用理论分析方法相对复杂。为此,文中就深部高应力低渗透煤层控制预裂爆破过程中控制孔作用机理进行研究,主要利用数值计算方法分析高、低地应力情况下控制孔的导向增透作用及爆炸波与爆生气体在煤体内的传播致裂和在控制孔临空面的反射叠加导向致裂过程。

1　数值计算模型

利用FLAC3D有限差分软件的动力求解模块对深孔爆破产生的爆炸波和高压爆生气体的致裂过程进行动力模拟,探究高应力煤层深孔爆破致裂增透过程中控制孔作用效果及影响。由于深孔爆破煤层受力状态为三向应力状态,炮孔装药长度至少几十米,封孔长度也在十米左右,因此,将其简化为二维平面应变问题进行研究。

1.1有限差分计算模型

选取处于静水压力状态下厚度为4 m的煤层作为研究对象,其上覆岩层和底板岩层平均密度为2 500 kg/m3。数值计算模型有限差分模型局部网格放大图如图1所示。模型中左右岩体宽度均为100 m,上覆岩层一直延至地表,模型平面法向方向取单位长度。炮孔直径φ选取90 mm。地应力平衡的静力计算期间模型四周和底部为法向位移固定边界条件。动力计算期间模型四周和底部为黏弹性自由边界场条件,以吸收从炮孔爆炸内源传至模型边界的外行波。

图1　煤层深孔爆破有限差分模型(局部网格放大)

Fig. 1Finite difference mesh for long-hole blasting of coal seam(local magnification)

1.2煤体本构模型

煤层深孔爆破增透主要是依靠爆炸波的冲击震裂效应和爆生气体的动态扩展裂纹效应,在煤体中沿炮孔径向产生大量的裂隙,形成从煤体内部流向抽放孔的渗流通道,使煤体内的瓦斯得以抽采出来,降低煤层的应力、瓦斯含量和瓦斯压力,达到增透防突出的目的。爆破作用下煤体内大量后生裂隙的产生须克服煤层地应力和煤体的抗拉强度,因此,煤体力学强度参数的合理确定是获得可靠结果的必要前提。文中引入广义Hoek-Brown(HB)准则[1]来表征煤体的力学本构关系。广义HB准则是在Griffith理论和修正的Griffith理论基础上,通过对大量室内和现场岩石三轴实验数据的统计分析而建立起来的。该准则适用于系统失稳受应力控制的含有大量节理、裂隙的岩体材料,不适用于系统失稳受结构控制的含单一或几条大型节理、裂隙的岩体材料。鉴于煤体内部结构特点,HB准则能很好地反应煤体的力学失稳现象。

HB准则通过地质强度指标参数GSI来反应煤岩体内节理、裂隙密度对煤岩体力学强度的影响,并结合完整煤岩块的单轴抗压强度σci和完整煤岩块的材料常数mi共同推导出煤岩体的物理力学强度参数。广义HB准则的统一数学表达式为

式中:σ1、σ3——煤岩体破坏时的最大和最小主应力,MPa;

mb、s、a——煤岩体的材料常数。

mb反映煤岩体的软硬程度,mb越大,煤岩体越坚硬;s反映煤岩体的破碎程度,s越小,煤岩体越破碎,其取值范围为0～1。上述三个材料常数可由实验确定,若缺少实验数据可按如下公式计算:

以往理论分析和数值模拟研究大都采用Mohr-Coulomb(MC)准则来描述煤岩体的破坏行为,加之FLAC3D内嵌的MC本构模型可以反应煤体受拉破坏的力学行为,为此,数值模拟计算中煤体同样选取带拉伸破坏准则的MC模型。HB模型转化为MC模型参数的公式如下,其详细的推导过程见文献[1]。

式中:φ——煤体的内摩擦角，(°);

c——煤体的内聚力,MPa;

σcm——煤体三轴抗压强度,MPa;

γ——煤层上覆岩层平均容重,kg/m3;

H——煤层上覆岩层平均覆岩厚度,m。

由HB模型转化得到的煤体MC模型参数如表1所示,其中煤体内摩擦角是修正后的内摩擦角[2]。相关实验结果表明[3-4],传统的巴西劈裂间接实验方法往往高估煤体的单轴抗拉强度,直接拉伸法和巴西劈裂法获得的煤体单轴抗拉强度范围分别为0.4～1.1 MPa和2.0～3.3 MPa。表1的煤体单轴抗拉强度在0.08～0.33 MPa之间,与直接拉伸法的实验结果比较接近,可见,文中选取的煤体参数是比较合理的。

表1煤体物理力学参数

Table 1Mechanical parameters of coal seam

1.3爆炸荷载的确定

1.3.1爆炸波荷载时程曲线计算

实验研究和工程实践已经证实,炸药在引爆后炮孔内会生成迅速膨胀的高温、高压爆生气体,爆生气体撞击炮孔壁后在炮孔附近生成高峰值的爆炸冲击波,并将炮孔周围一定范围内的岩体压碎形成粉碎区。尽管粉碎区至炮孔中心的距离一般不超过2～4倍的炮孔半径,但冲击波在粉碎区内消耗了大量的能量,传过粉碎区之后将衰减为应力波。煤岩体在应力波的作用下将生产大量沿炮孔径向的拉伸裂隙,高压爆生气体流入裂隙内后将继续扩大裂隙,此区域称为裂隙区。随着裂隙的扩展,应力波和爆生气体的能量也随之衰减,使得裂隙区之外的岩体不能继续产生裂隙,只是发生震动现象,该区域可称为震动区或弹性区。鉴于爆炸过程的瞬时性,很难精确测定爆生气体和爆炸波的压力峰值,加之后续煤岩体中生成裂隙时空的分布规律复杂,更难精确测定裂隙内爆生气体的变化规律。因此,研究者基于大量的实验研究和工程实践,对煤岩体爆破问题进行适当简化,发展了一些理论计算方法来确定爆生气体和爆炸波的峰值压力[5-6]。柱状耦合装药情况下爆生气体和爆炸波峰值压力的理论公式如下:

(1)

(2)

式中:pg——爆生气体的压力峰值,GPa;

ps——爆炸波的峰值压力,GPa;

vD——炸药的爆速,m/s;

ρ0——炸药的密度,kg/m3;

ρc——煤体的密度,kg/m3;

vp——煤体的压缩波波速,m/s。

选取的炸药类型为三级煤矿许用型水胶(或乳化)炸药,装药形式为柱状耦合装药,采用式(1)和式(2)计算得到爆生气体和爆炸波的压力峰值,再利用有限元软件ABAQUS模拟炸药的爆炸过程。炸药的特性参数及计算结果见表2,获得的炮孔壁归一化爆炸波应力时程曲线如图2所示。有限元模拟获得的爆炸波时程曲线峰值压力为1.04 GPa,与理论计算公式(1)得到的压力峰值1.24 GPa相差17%,两种方法的计算结果比较接近。实际数值计算中采用有限元模拟得到归一化时程曲线,曲线峰值压力选取理论公式的计算结果。

表2炸药相关参数及理论计算结果

Table 2Parameters for explosive and analytical results

图2　归一化爆炸波应力时程曲线

1.3.2爆生气体时程曲线计算

相关理论分析认为[7-9],爆生气体在裂纹中的衰减规律近似指数形式。为此,文中选取的爆生气体在裂纹中随时间变化的规律符合如下公式:

(3)

(4)

r2、rc——炮孔原始半径和生成粉碎区后的扩腔半径,m;

α——裂纹相对扩展速度,α=v/vp;

v——裂纹扩展的绝对速度,m/s。

图3　爆生气体时程曲线

2　数值计算结果分析

控制孔与爆破孔的孔间距一般是根据煤层爆破单孔影响范围来确定,控制孔主要起到导向致裂、卸除孔周边地应力和抽放瓦斯的作用。上述理论分析表明,控制孔对于爆破孔与控制孔中心连线的裂隙开裂具有显著的导裂作用,下面通过数值模拟分别对控制孔在低、高地应力煤层深孔控制爆破中的导裂效果进行模拟,并分析该爆破技术在深埋高应力低透气性煤层中增透防突的适用性。

2.1控制孔导向致裂效果

为定量分析控制孔在高低两种地应力煤层中的导裂效果,给出了爆炸波单独作用下,静水压力5 MPa和30 MPa两种煤层深孔控制爆破过程中的速度和裂隙区分布,如图4、5所示。其中,煤层孔间距均取3.5 m,控制孔半径rcon是爆破孔半径rb的两倍,煤层原始瓦斯压力取2.0 MPa。由图4可以看出,炮孔炸药引爆后,爆炸波从左右两炮孔沿各自炮孔的径向向外传播,当t=2.0 ms时,爆炸波并未传至中间控制孔位置处,只是在以左右爆孔为圆心形成了一定范围的爆生初始裂隙,裂隙长L=1.6 m(图4b);由于左右炮孔距中间控制孔的间距相同,当t=3.8 ms时,从左右炮孔传来的爆炸波波峰在中间控制孔竖向对称面上相遇,在控制孔临空面及其附近发生复杂的波场叠加效应(图4c),使得从控制孔临空面开始沿控制孔与爆破孔中心连线产生拉伸裂隙,且拉伸裂隙起裂位置为控制孔表面,但并未与相邻炮孔的径向裂隙相互联通(图4d);当t=50 ms时,爆生裂隙的发展已基本稳定,控制孔与爆破孔之间的裂隙已经相互贯通(图4f);低地应力煤层控制孔的导向致裂效应明显;随着爆炸波继续向外传播,其能量逐渐衰减,在煤体内引起的最大质点振动速度vmax由t=2.0 ms的几米每秒衰减到t=50 ms时的几厘米每秒(图4a和图4e)。

图4爆炸波单独作用下煤层速度和裂隙区分布

(σxx=σyy=σzz=5 MPa)

Fig. 4Crack length of coal seam under action of blast wave(σxx=σyy=σzz=5 MPa)

爆炸波单独作用下的高应力煤层深孔控制爆破结果(图5)表明,由于煤层高地应力的存在,当爆炸波传至控制孔附近时,尽管也同样发生上述的复杂波场叠加效应,但爆炸波叠加后在控制孔附近引起的应力并不能克服煤层的高地应力使煤体产生裂隙;复杂波场叠加的t=3.8 ms时刻和裂隙扩展基本稳定的t=50 ms时刻对应的煤层爆生裂隙区范围几乎一致(裂隙长L=0.4 m)。可见,高地应力煤层深孔控制爆破时,控制孔的致裂效果并不如低地应力煤层显著。

图5爆炸波单独作用下煤层裂隙区分布

(σxx=σyy=σzz=30 MPa)

Fig. 5Crack length of coal seam under action of blast wave(σxx=σyy=σzz=30 MPa)

2.2深孔控制爆破的适用性

同时考虑爆炸波、爆生气体、煤层瓦斯压力(p0=2 MPa)和煤层地应力(σ=30 MPa)作用,爆破结束后三种控制孔尺寸模型对应的拉伸爆生裂隙区如图6所示,其中,孔间距均为3.5 m。数值结果表明,爆破孔周围的裂隙均沿两孔中心连线方向与控制孔联通,单孔的增透半径可达3.5 m,且随着控制孔尺寸(rcon)的增大,两孔中心连线附近煤体的裂隙范围增大。其原因是,控制孔尺寸越大,钻孔过程中对控制孔周围煤体造成的卸压范围越大,而且爆炸应力波在控制孔周围反射的面积也越大,致使叠加应力强度增大,最终造成控制孔周围的裂隙区范围增大。因此,实际工程中应结合具体工程的情况和经济效益,尽可能地将深孔爆破与大孔径控制孔的松动卸压技术结合起来,充分发挥各自的优势,获得更为理想的增透效果。

图6爆炸波和爆生气体共同作用下煤层裂隙区分布

(σxx=σyy=σzz=30 MPa)

Fig.6Crack length of coal seam under action of blast wave and explsion gas(σxx=σyy=σzz=30 MPa)

表3给出了作者所在的煤科院沈阳研究院和我国其他单位开展的几个典型的煤层深孔预裂爆破的现场工业实验[12-14]相关信息。从中可知,数值模拟获得的煤层单孔爆破裂隙区半径、地应力、原始瓦斯压力及煤层坚固性系数与潘三矿1741(3)工作面、五龙矿3321工作面和平煤十二矿31010工作面煤层深孔爆破现场工业实验测得的增透范围基本相同,这也进一步验证了文中考虑爆生气体影响下煤层深孔控制爆破数值模拟结果的正确性。由此证明,深孔控制爆破应用在深埋高应力低透气性瓦斯煤层的增透防突上仍可获得较好的效果。

表3数值模拟和典型现场实验的爆破影响半径

Table 3Crack length for numerical simulation and typical field application

3　结　论

(1)煤层深孔控制爆破过程中,控制孔在高应力煤层中主要起到卸压孔和抽放孔的作用,其导向致裂效应不如低地应力情况下的显著。

(2)煤层深孔控制爆破在高应力低渗透煤层的增透上仍可获得较好的效果,实际工程中应结合具体工程的情况和经济效益,尽可能地将深孔爆破与大孔径控制孔的松动卸压技术结合起来,充分发挥各自的优势,获得更好的增透效果。

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(编辑荀海鑫)

Controlled-hole mechanism of pre-splitting controlled blasting in highly stressed deep mine

WANGHaidong1,2

(1.Shenyang Branch of China Coal Research Institute, Fushun 113001, China; 2.State Key Laboratory China of Coal Safety, Fushun 113001, China)

Aimed at addressing the effect of the geo-stress of coal mine on the directional fracturing effect of controlled hole in pre-splitting controlled blasting, this paper introduces the study on the fracturing process induced by blast wave and explosion gas in coal seam using numerical simulation method. The results indicate that controlled holes in deeply buried coal seams produce a less obvious directional fracturing effect than in shallowly buried coal seams. The long-hole controlled blasting technique can also lend itself better to enhancing the permeability of deeply buried low permeable coal seam and yield promising results.

controlled pre-splitting blasting; controlled hole; blast wave; explosion gas

1671-0118(2012)06-0571-06

2012-10-19

王海东(1978-),男,黑龙江省绥化人,工程师，博士,研究方向：煤矿瓦斯安全，E-mail:whd_@163.com。

TD235

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