高瓦斯低透气性煤层深孔爆破增透技术论文

浅谈高瓦斯低透气性煤层增透技术摘要：煤体透气性的影响因素主要有地应力、瓦斯力、孔隙裂隙结构等因素。

为了增加煤层的透气性系数，国内外的许多研究人员从改变应力状态、卸压、增加孔裂隙发育程度等方面进行了不少探索，目前高瓦斯低透气性煤层增透技术大致有如下几种。

关键词：采动卸压；保护层；气爆；水力割缝1 高瓦斯低透气性煤层增透传统技术1.1 采动卸压增透技术采动卸压增透技术主要是指利用临近煤层或临近区域开采、保护层开采，使本区域煤岩体或位于被保护层上、下层位的煤岩体受到采动的影响，煤岩体中应力应变状态和瓦斯压力参数发生变化，使煤体的渗透系数、煤体内瓦斯渗流速度、瓦斯涌出量剧增，导致瓦斯解吸，在孔裂隙中扩散渗流，从而为瓦斯抽采提供有利条件。

保护层开采结合被保护层卸压瓦斯抽采已成为优先采用的区域性瓦斯治理技术。

另外还有利用采空区卸压增透，其原理都是煤体受采动扰动，造成应力重新分布，卸压，以达到增透的效果。

1.2 钻孔或造穴增透技术利用钻孔等方法使煤岩体的某些区域形成一定的空洞，从而改变煤体应力状态，造成媒体内裂隙、孔隙的重新分布，使原有裂隙扩大、贯通或形成新的裂缝，以此提高媒体的透气性系数。

比较传统的方法有钻孔卸压增透法，各项研究或工程实践根据实际开采和地质情况，采用不同的布孔方式，常采用的是密集布孔、网格式抽采、立体交叉、斜交与垂直工作面结合等方法，各大科研机构和工程技术人员也进行了较为广泛的研究。

余长林提出对于单一低透气性、高瓦斯煤层，采用斜交和垂直工作面布孔方式，经实践证明可以达到增透，提高抽采率的效果。

目前的研究和应用主要集中在各种布孔方式、不同孔径孔深、不同密集程度等的联合使用上。

另外，在钻孔的基础上进行掏穴或者称为造穴，通过二次扩孔的过程，对周围媒体进行再一次扰动，加大了煤体的膨胀变形，使卸压更加充分，从而使透气性进一步加大，增透效果更加显著。

蔡如法等在底板巷穿层钻孔中进行了掏穴增透强化抽采技术试验。

I will leave my love to those who are worthy of my love, my tears to the person who loves me the most, and thesmile to the person who hurt me.模板参考（页眉可删）高瓦斯低透气性突出煤层区域消突技术在煤炭开采过程中，瓦斯爆炸、煤尘爆炸、煤与瓦斯突出、中毒、窒息矿井火灾、透水、顶板冒落等多种灾害事故时有发生。

在这些事故中尤以瓦斯爆炸造成的损失最大，从每年的事故统计中来看，煤矿发生一次死亡10人以上的特大事故中，绝大多数是由于瓦斯爆炸，约占特大事故总数的70%左右，为此，瓦斯称为煤矿灾害之王。

因此，分析瓦斯爆炸原因，制订防治对策，显得特别重要。

1、瓦斯爆炸原因分析1.1瓦斯爆炸特点根据多年对煤矿瓦斯爆炸事故统计分析，可以发现有如下一些特点:①瓦斯爆炸多为大事故;②事故地点多发生在采煤与掘进工作面;③瓦斯爆炸造成的破坏波及范围大;④多为火花引爆;⑤高瓦斯矿井、低瓦斯矿井均有发生;⑥瓦斯爆炸多发生在乡镇煤矿;⑦基建、技改矿井和转制矿井瓦斯爆炸事故多发。

1.2事故原因分析煤矿发生瓦斯爆炸事故与许多因素有关，但总的来说，主要与自然因素、安全技术手段、安全装备水平、安全意识和管理水平等有关，发生瓦斯爆炸事故往往是以上因素相互作用所导致的。

1.2.1煤矿开采条件差我国煤矿井下开采条件普遍较差，据统计，2000年全国国有重点煤矿共有580处矿井进行了瓦斯等级鉴定，其中高瓦斯矿井160处，低瓦斯矿井298处，煤与瓦斯突出矿井122处;有自然发火矿井372处，占64%，有煤尘爆炸危险矿井427处，占73.6% 。

1.2.2瓦斯积聚的存在煤矿井下造成瓦斯积聚的原因很多，但主要有通风系统不合理和局部通风管理不善是瓦斯积聚的主要原因。

如2005年34起特大瓦斯爆炸事故中，有22起主要是因通风系统不合理，存在风流短路、多次串联和循环风，造成供风地点风量不足，而引起瓦斯积聚;有9起主要是因局部通风机安装位置不当、风筒未延伸到供风点或脱落引起供风点有效风量不足，而造成瓦斯积聚;有2起事故主要是因停电停风而引起瓦斯积聚;有1起是盲巷积聚的瓦斯被引爆。

高瓦斯低透性煤层高速水射流破煤增透技术研究赵宇新【摘要】针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效率低、钻孔施工量大等问题,提出水射流破煤增透技术来改变煤层的透气性;通过理论计算、数值模拟和现场实验等方法进行研究.模拟结果表明:高速水射流喷射喷射到平面煤体时,水流呈"T"型分布;喷射到钻孔内部时,水流呈拱形分布;且水射流的速度越大,到出口时速度也越大.对抽采钻孔实施高速水射流破煤增透技术后,煤层的透气性和瓦斯抽采量得到显著提高,且有效影响半径提高1.5倍.【期刊名称】《煤矿现代化》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】4页(P198-201)【关键词】水射流;瓦斯抽采;卸压增透;低透气性;有效半径【作者】赵宇新【作者单位】山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿, 山西吕梁 033602【正文语种】中文【中图分类】TD712.61 引言近年来，随着我国矿井开采深度的增加，煤层原始瓦斯含量和地应力不断增高，煤层的透气性越来越低，导致瓦斯抽采困难、钻孔施工周期长，严重影响矿井的正常生产和接替[1-2]。

因此必须采取措施增大煤层透气性以提高煤层瓦斯预抽效果[3-4]。

我国相关科研工作者对煤层增透技术做了大量的科研工作，并开展现场试验研究[5-6]。

周西华和毕建乙等在山西武乡马堡煤矿开展水力压裂卸压增透试验，增加了煤层裂隙，有效提高煤层透气性，扩大煤层瓦斯抽采范围，瓦斯抽采量得到大幅提高，达到矿井安全、高效生产的效果[7]。

李国辉和毕建乙在西山煤电集团斜沟煤矿18205工作面开展CO2可控相变致裂增透试验，现场结果表明：液态CO2致裂爆破技术的实施，有助于解决瓦斯抽采困难的难题，保证了瓦斯抽采效果，瓦斯抽采浓度和纯量均提高4倍以上，煤层透气性系数提高13.86倍[8]。

杨焦生等通过建立煤体应力渗透率本构模型模拟出应力场，位移场分布规律，得出割缝数量及其尺寸对煤层透气性的影响[9]。

本文分析了水射流结构及增透作用机理 [9]，运用数值模拟和现场试验方法[10]，结合离柳矿区斜沟煤矿8#煤层的具体条件，对斜沟煤矿18205工作面实施水射流破煤增透技术[11-12]，解决透气性低、瓦斯抽采效果差的难题，现场应用取得良好效果并推广相邻工作面[13-14]。

高应力低渗透煤层深孔爆破增透机理与效果王海东（煤炭科学研究总院沈阳研究院，辽宁抚顺113122）摘要：采用Hoek－Brown（HB）准则转化得到的等效Mohr－Coulomb（MH）准则表征煤体的本构特性，建立了高应力煤层深孔爆破的有限差分动力数值计算模型。

通过数值解与理论解的对比验证了FLAC3D动力模块模拟爆炸应力波在煤岩体介质中传播规律的有效性。

在爆炸应力波、爆生气体单独作用下以及两者共同作用下，对高应力煤层深孔爆破致裂增透过程进行了3种工况的动力数值模拟，通过模拟得出深埋高应力煤体深孔预裂控制爆破影响的主要因素及作用机理。

关键词：高应力低渗透煤层；深孔爆破；爆炸应力波；爆生气体中图分类号：TD235．37文献标志码：A文章编号：1003－496X（2012）S0－0017－05Enhancing Permeability Mechanism and Effectiveness of Deep－hole Blasting inHigh Stressed and Low Permeable Coal SeamWANG Hai－dong（Shenyang Branch of China Coal Research Institute，Fushun113122，China）Abstract：A finite difference dynamic numerical calculation model for high stressed coal seam deep－hole blasting was set up by using the equivalent MH criterion which transformed from HB criterion to represent the constitutive behavior of coal body．Through the com-parison between numerical solution and theoretical solution，the effectiveness of FLAC3D power module in simulating the propagation laws of blasting stress wave in coal or rock mass was verified．Under the respective action of blasting stress and detonation gas，or under the action of both of them，three dynamic simulations on coal permeability enhancement by deep－hole blasting were conducted，and the key factors and mechanisms affecting deep－hole controlled blasting in high stressed coal body are achieved by simulation．Key words：high stressed and low permeable coal seam；deep－hole blasting；blasting stress wave；detonation gas文献资料表明［1］，迄今国外开采深度超过千米以上的金属矿山至少在114座以上，中国开采深度千米以上的金属矿3座，煤矿至少17座。

煤层深孔聚能爆破致裂增透技术在生产中的应用吉煤集团通矿公司松树镇煤矿为低透气性煤层，瓦斯抽放率低，为了解决煤层低透性、瓦斯抽放率低的难题，利用聚能爆破技术于煤层增透中，笔者引用了聚能爆破增透工艺，进一步分析了煤层深孔聚能爆破在吉煤集团通矿公司松树镇煤矿煤层中影响半径，从而对煤层深孔聚能爆破增透瓦斯抽放工艺技术可行性进行了验证。

标签：聚能爆破增透工艺瓦斯抽放影响半径瓦斯抽放是瓦斯综合治理有效的措施，而且是煤层瓦斯开发利用的关键技术，影响煤层瓦斯抽放的主要问题是煤层的低透气性，该矿煤层为低透性属于难抽放煤层，为了提高煤层瓦斯抽放率，采用煤层深孔聚能爆破增透技术来提高煤层瓦斯抽放效果。

1 工程概况该试验地点吉煤集团通矿公司松树镇煤矿位于三水平+206西侧，东起+206西一采区皮带集中上山，西至吉煤集团通矿公司松树镇煤矿矿界，北起F4断层，南至+296.1～+297.1标高采空区，平均走向长780米，平均倾斜长810米。

该采区地层走向在110°～125°之间，倾角在8°～15°之间，平均倾角在13°。

该区内煤层为一、二号煤层，煤层结构简单，呈单一煤层，局部有夹石，夹石厚度一般在0～2.0米，一层煤厚度最大3.84米，最小0.8米，平均厚度在2.74米，二层煤厚度最大3.23米，最小1.98米，平均厚度在3.0米。

一层煤顶板为灰白色中细粒砂岩，致密坚硬，透气性差，一、二号煤层为低透性煤层。

煤层瓦斯压力为1.24-1.77MPa，煤层瓦斯含量为7.46-8.5m3/t，煤层透气性系数0.0021-0.0448λm2/MPa2.d，属于难抽放煤层。

2 聚能药包结构试验采用双面对称线性聚能装药结构，剖面图如图1所示。

聚能槽选用楔形，母线长10mm左右，厚度1mm，顶角85°～95°，套管为定制的直径50mm，厚度2.5mmPVC管。

3 施工方案3.1 施工工序选址-成孔-装药-封孔-起。

高瓦斯低透气性煤层深孔爆破增透技术马小涛1,李智勇1,屠洪盛1,孙璐璐1,隋晓东1,2(11中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州221008;21长春吉煤集团,吉林长春130022)[摘　要]　通过理论分析和芦岭煤矿Ⅱ1048工作面现场工程试验,给出了高瓦斯低透气性深孔爆破增透技术的基本原理、钻孔布置、爆破及工艺设备等具体参数。

深孔爆破后,增大了钻孔瓦斯有效抽放半径和高瓦斯煤层渗透性,成倍地提高了瓦斯抽放率,而且降低了煤与瓦斯突出的危险性,从而有效地解决了高瓦斯突出煤层采掘工作面瓦斯超限和煤与瓦斯突出问题。

[关键词]　高瓦斯;低透气性煤层;深孔爆破;增透技术;瓦斯抽放[中图分类号]T D71216 [文献标识码]B [文章编号]100626225(2010)0120092202Technology of D eep 2hole Bl a sti n g for M agn i fy i n g Perm eab ility i n Coal Seamw ith H i gh M ethane 2con ten t and L ow Perm eab ility[收稿日期]2009-07-09[作者简介]马小涛(1984-),男,安徽宿州人,硕士研究生,从事采煤方法与工艺研究。

高瓦斯低透气性煤层赋存具有低压力、低渗透性、低饱和度及非均质性强的“三低一强”特性,尤其是低渗透性,给高瓦斯煤层瓦斯直接抽采带来众多技术难题。

深孔爆破增透技术是通过爆炸载荷的作用,在煤层中形成压碎区和裂隙区,并通过控制孔的作用,进一步扩大裂隙区的范围,从而使煤层松动,透气性增大,有效地卸载地应力和瓦斯压力,增加了瓦斯抽采量,最终保证煤矿安全生产。

1　深孔爆破增透技术原理及工艺参数透气性较低的高瓦斯煤层,必须采用专门的措施来增加煤层的透气性,才能有效地抽出瓦斯。

国内外使用方法有:煤层注水、水力压裂、水力割缝、深孔爆破和酸液处理等。

安徽理工大学科技成果——深井高瓦斯低透气性煤
层揭煤防治瓦斯灾害成套技术
技术领域煤矿安全
主要技术内容及特点
深部煤层地应力增大、瓦斯升级、地压、地温问题日趋突出，深部矿井瓦斯治理问题已经成为制约煤矿安全高效生产的世界性难题。

主要研究内容如下：
（1）深部井巷揭穿煤层井巷围岩应力分布特征及强化增透卸压效应研究：揭示了深孔预裂爆破应力波在煤层内的传播、应力叠加、衰减等传播过程及爆破产生的裂隙圈形成、发展和裂隙圈的扩展范围，探索煤层深孔控制爆破强化增透卸压效应。

（2）新型强化增透爆破器材、工艺和成套设备研制：研制出了提高煤层透气性的专用深孔I型和II型爆破药管及成套设备，创造性的提出了一套适用于各类突出煤层的爆破孔设计与布置，控制孔的设计与布置，装药、封孔、爆破等技术规范与工艺。

（3）松软煤体加固技术：成功的研究出了金属骨架注浆加固松软煤体的方法和工艺，在井巷揭煤巷道轮廓线外圈筑起钢管、混凝土和松软煤体“三体合一”的保护圈。

（4）深井井巷安全高效揭煤成套关键技术：成功的研究出了微震监测、松软煤层“爆破强化增透”、“松动卸压煤体加固”、钻孔“截流抽采”、“先抽后揭”安全高效揭煤成套关键技术。

主要技术经济指标
I型爆破药管为穿层爆破药管，对煤层的松动半径4-5m，II型爆破药管为顺层定向切割煤层药管，对煤层松动范围12m以上，在钻孔内传爆距离达60m以上，大幅提高瓦斯抽采纯量，瓦斯抽采达标时间缩短1/2。

中厚低透气性高瓦斯煤层可控冲击波増透关键技术研究与应用由华晋焦煤有限责任公司、西安交通大学、中国矿业大学、山西华晋吉宁煤业有限责任公司、西安闪光能源科技有限公司共同完成的“中厚低透气性高瓦斯煤层可控冲击波增透关键技术研究与应用”项目获2020年中国煤炭工业协会科学技术一等奖。

2010年以来，项目团队基于前期核技术领域的研究基础，率先提出可控冲击波增加煤层渗透率的技术设想和技术设计，在神东集团保德煤矿进行井下低阶煤层增透先导性试验，以贵州水城中井煤矿10903采煤工作面为示范对象进行了软煤（构造煤）煤层批量钻孔瓦斯抽采作业效果验证，同时依托国家自然科学基金重点项目研究可控冲击波与煤层相互作用机理。

该项目正是在此基础上，利用可控冲击波设备、可控冲击波作用煤层机理效应研究结果，结合吉宁煤业地质条件和采煤工艺布置，开展了可控冲击波增透工艺、有效增透范围、封孔和抽采时间等全方位的系统研究，形成了中厚低透气性高瓦斯煤层可控冲击波增透关键技术体系，取得显著的抽采应用效果。

中厚低透气性高瓦斯煤层可控冲击波増透关键技术研究与应用山西华晋吉宁煤业有限责任公司所采2#煤层具有厚煤层、低孔隙度、低透性和高瓦斯含量的特点，必须通过加密钻孔布置并进行长时间的抽采才能实现抽采达标。

为减少钻孔布孔量、缩短钻孔抽采达标时间、提高钻孔瓦斯抽采量和钻孔预抽半径，开展了“中厚低透气性高瓦斯煤层可控冲击波增透关键技术研究与应用”项目。

★建立了基于地质条件约束的可控冲击波最佳作业参数阈值模型，发现可控冲击波对煤层瓦斯流动的影响由致裂带、解吸带构成，揭示了重复冲击波作用下煤岩裂缝扩展规律和致裂机理。

★创建了以全孔段均衡作业为核心技术思想的可控冲击波煤层增透作业参数优化技术方法；发明了针对中厚低孔低渗煤层的冲击波增透技术工艺，将井下瓦斯抽采孔间距由原来密集抽采的2.0m扩大到增透后的40m,抽采钻孔数量减少到原来的10%〜15%,将原始煤层单孔平均抽采纯量提高了10倍以上，降低了成本，提高了抽采效率。

第32卷第5期煤 炭 学 报Vol.32　No.5 2007年5月JOURNAL OF CH I N A COAL S OC I ETY May　2007　 文章编号:0253-9993(2007)05-0499-05高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透数值模拟蔡　峰1,刘泽功1,张朝举2,林柏泉3(11安徽理工大学资源开发与管理工程系,安徽淮南　232001;21皖北煤电集团祁东煤矿,安徽宿州　234115;31中国矿业大学能源与安全工程学院,江苏徐州　221008)摘　要:针对高瓦斯低透气性煤层,采用Tayl or方法建立了一个新的LS-DY NA3D爆破损伤模型,对深孔预裂爆破进行了数值模拟研究,再现了爆破过程中,动压冲击震裂、应力波传播与叠加以及爆生气体驱动裂纹扩展的整个过程,分析了爆破孔间距对爆生裂纹和爆破增透效果的影响,提出了高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破的合理间距为5～6m,为高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽放提出了解决方案.关键词:高瓦斯低透气性煤层;深孔预裂爆破;应力波;裂纹扩展;叠加效应中图分类号:T D235133 文献标识码:ANu m er i ca l si m ul a ti on of i m prov i n g perm eab ility by deep2hole presplitti n g explosi on i n loose2soft and low perm eab ility coa l seamCA I Feng1,L I U Ze2g ong1,ZHANG Chao2ju2,L I N Bai2quan3(11D epart m ent of Resources Exploration and M anage m ent Engineering,A nhui U niversity of Science and Technology,Huainan　232001,China;21Q i-dong Coal M ine,W anbei Coal2electricity Group,Suzhou　234115,China;31School of M ining and Safety Engineering,China U niversity of M ining and Technology,Xuzhou　221008,China)Abstract:A new da mage model was built f or exp l osive for LS-DY NA3D by taking advantage of Tayl or method ai m ed at the high gassy and l ow per meability coal sea m,and the deep2hole p res p litting exp l osi on was nu merical si m ulated.Rep resent all of the exp l osi on p r ocess,including cracks caused by dyna m ic p ressure,trans m issi on and vibrati on super positi on of stress waves,as well as cracks gr o wth driven by gas generated by exp l osi on.The influ2 ence of the cracks generated in the p r ocess of exp l osi on and perfor mance of i m p r oving per meability caused by the difference of interval bet w een exp l osive holes was analyzed.And reas onable interval(5～6m)bet w een exp l osive holes of deep2hole p res p litting exp l osi on in high gassy and l ow per meability coal sea m was p r oposed.And the res o2 luti on of gas drainage in high gassy and l ow per meability coal sea m was put f or ward.Key words:high gassy and l ow per meability coal sea m;deep2hole p res p litting exp l osi on;stress waves;cracks gr owth;vibrati on super positi on effect 在煤巷掘进过程中,工作面前方煤体内存在3个应力带:卸压带、集中应力带和原始应力带,其中集中应力带包含部分破裂带和弹性带[1].在卸压带内,地应力和瓦斯压力均低于原始值,它是阻止突出的防护带[1～3];在集中应力带内,径向应力比原始地应力小,但切向应力比原始地应力大,煤层透气性急剧收稿日期:2006-07-01 责任编辑:毕永华 基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(50534090);安徽省优秀青年基金资助项目(2006jq1059);安徽省高校科技创新团队计划资助项目(2006KJ005T D);安徽省自然科学基金资助项目(050440403) 作者简介:蔡　峰(1979-),男,江苏铜山人,博士研究生.E-mail:phoncai@1631com煤 炭 学 报2007年第32卷降低,对于具有煤与瓦斯突出危险的松软低透气性煤层,造成煤体瓦斯难以泄漏,可能保持着较高的瓦斯压力,一旦突然暴露,很可能发生突出[1].因此,在采掘工作面的推进过程中,要防止突出的发生,必须改变工作面前方煤体的应力分布,保持足够长的卸压带,同时尽可能地增加煤体的透气性,使煤层瓦斯得以充分预排.理论分析和现场试验表明,对于低透气性突出危险煤层,采用深孔预裂控制松动爆破能有效降低或消除煤层突出危险性[1～3].预裂爆破的作用机理可概括为:炸药在钻孔内爆炸后产生的应力波和大量高温、高压爆生气体在爆破近区形成压缩粉碎区,使煤体固体骨架发生变形破坏,形成爆炸空腔;在爆破中区,应力波过后,爆生气体产生准静态应力场,并楔入空腔壁上已经张开的裂隙中,使裂隙进一步扩展,进而在钻孔周围形成径向“之”字形的交叉裂隙网;在爆破远区,由于控制孔的作用,形成反射拉伸波与径向裂隙尖端处的应力场相互叠加,促使径向裂隙和环向裂隙进一步扩展,大大地增加了裂隙区的范围.最后,使煤体内形成以爆破孔为中心的连通裂隙网[3,4].为了解深孔预裂爆破裂隙的形成与发育情况以及爆破效果的检验,本文采用Tayl or 方法建立了一个新的LS -DY NA3D 爆破损伤模型,对深孔预裂爆破进行了数值模拟研究.1　基于Tayl or 方法的煤岩爆破损伤模型煤岩等脆性材料的细观损伤机制主要是微裂纹的成核、扩展和连接作用及微裂纹损伤对材料力学性能的影响,如何计算微裂纹损伤材料的有效弹性模量是脆性材料细观损伤理论的基础.Tayl or 方法完全忽略微裂纹之间的相互作用,即认为每个微裂纹处于没有损伤的弹性基体中,微裂纹受到的载荷等于远场应力.这种方法简单、适应范围广,且克服了以往爆破损伤模型中采用自治方法计算有效模量时,只适应于低裂纹密度情况下的缺陷[5～7].Grady 和Ki pp [8]认为,裂纹密度就是裂纹影响区煤岩体积与煤岩总体积之比,激活的裂纹数服从体积拉伸应变的双参数W eibull 分布,即C d =βN a 3,(1)式中,C d 为裂纹密度;β为系数,β≈1[8];N 为激活的裂纹数,N =k εm ,其中ε为体积拉伸应变,分布参数k,m 的取值可参照文献[4～6];a 为在爆炸应力波作用下的微裂纹平均半径.a =(20K I C /ρc εmax )2/3/2,(2)式中,K I C 为断裂韧性;ρ为密度;c 为纵波速度;εmax 为最大体积拉应变率.损伤变量D 由介质的体积模量K 定义,即D =1- K /K,其中 K 为有效体积模量.引入Tayl or 方法对有效模量的计算结果,得到有效体积模量[7,9] K =1+1691+v 21-vC d -1K,则损伤变量D =1-(1+AC d )-1,其中A 为常数,A =16(1+v 2)/[9(1-v )].将式(1)代入,并取β=1得D =1-(1+AN a 3)-1=1-(1+A k εm a 3)-1.(3) 式(3)即为由Tayl or 模型得到的损伤变量的表达式,它将损伤变量和裂纹数N 及微裂纹半径a 联系起来,且更适应高裂纹密度的情况.将以上定义的损伤系数耦合到线弹性应力应变关系中,有p =3K (1-D )ε,S ij =2G (1-D )e ij ,(4)式中,p 为体应力;S ij 为偏应力;G 为剪切模量;e ij 为应变偏量.式(1)～(4)的率形式是一个常微分方程组,它们描述了岩石对拉伸加载的响应,压缩部分的响应可由经典的弹塑性模型来描述.2　数值模型及参数为了考察爆破孔间距离对爆破效果的影响,本文建立了2个数值模拟,如图1所示.计算模型以国投新集能源股份有限责任公司Ⅱ10603工作面为基点,其中,模型1表述了爆破孔间距较小的情况,模型大小为10m ×6m ,爆孔间距为3m ,共划分28000个单元;模型2表述了爆破孔间距较大的情况,模型大小为16m ×6m ,爆孔间距为712m ,共划分36400个单元.005第5期蔡　峰等:高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透数值模拟图1　数值模型Fig 11　Nu merical models 当应力波遇到原生边界、裂纹、弱面或损伤后,会产生应力集中或放大的边界效应[10,11],其集中度或放大量将超过煤层强度极限时,则产生远区煤体破坏.在进行数值模拟时,由于计算机能力的限制,必须用有限体积的数值模型来代替无限大的实际煤层,因此必须防止应力波在左右边界上的边界效应.本文采用在左右边界上设置无反射边界来有效地解决这一问题,如图1所示.模型上部边界受均布原岩应力,据模型埋深,按海姆假设σy = γH ,可计算出作用在模型上部边界上的原岩自重应力.爆破炸药采用煤层深孔松动控制爆破专用药管,其参数:密度0195～1110g/c m 3;装药直径为42mm;爆速为2400～2700m /s;威力≥250mL;猛度≥10mm;殉爆≥3c m;传爆长度≥50m.图2　动压冲击震裂Fig 12　Cracks caused by dyna m ic p ressure 3　模拟结果311　动压冲击震裂在动压冲击震裂阶段,由于爆破作用范围还比较小,2个爆孔间几乎不相互影响.从图2可看出,紧靠近炸药的煤体最先被震碎,形成破碎带,同时形成一些较浅的微裂纹,裂纹生成速度非常快,达到480m /s .在裂纹周围形成应力集中区域,相反,由于破碎带的缓冲作用,破碎带周围的煤体中应力相比微裂纹周围要小得多.这与“动静压两段论”中动压冲击阶段是相符合的[12,13].动压冲击震裂过程非常短暂,仅持续19μs,而且由于煤质较软,生成的裂纹和破碎带也非常小,但这些小的裂纹形成了新的自由面,在爆炸作用下形成了新的应力集中区域,为后面爆生气体驱动裂纹扩展提供了新的弱面.312　应力波在煤体中传播在爆破过程中,由爆破产生的应力波均是以爆孔为中心,呈同心圆状向周围煤体中传播(图3).分图3　两爆孔较近和较远时的应力传播与叠加Fig 13　Trans m issi on and vibrati on super positi on of stress waves on the conditi on of s mall interval and large interval(a ),(b ),(c )为当两爆孔较近时;(d ),(e ),(f )为当两爆孔较远时别由两爆孔产生的应力波在传播过程一定距离后相遇,产生应力波的叠加效应.由于两爆孔间距离不同,105煤 炭 学 报2007年第32卷两爆孔产生的应力波相互叠加影响的效果也不同.模型1中,在262μs 时应力波相遇(图3(b )).随后分别由2个爆孔产生的应力波相互间叠加,并源源不断地向四周传播(图3(c )).模型2中,由于两爆孔间距离较远,直至597μs 时,应力波才相遇(图3(d )),随后相互叠加传播.313　应力波对煤体质点的影响为清晰地表现出应力波对煤体质点的影响,分别选取3个具有代表性的观测点,描绘出各观测点的应变-时间历程曲线,如图4所示.图4　应力传播过程中各观测点处煤体质点应变曲线Fig 14　Strain curves of every observed coal material point in the p r ocess of trans m issi on of stress wave(a ),(b ),(c )为观测点分别位于模型1中的两爆孔之间距一爆孔015,110,115m;(d ),(e ),(f )为观测点分别位于模型2中的两爆孔之间距一爆孔112,214,316m314　爆生气体驱动裂纹扩展由图5可看出,两模型在裂纹扩展阶段初期爆孔之间的相互影响是非常小的,裂纹生长均在各自爆生图5　两爆孔较近和较远时的裂纹扩展Fig 15　Cracks gr owth on the conditi on of s mall interval and large interval(a ),(b ),(c )为当两爆孔较近时;(d ),(e ),(f )为当两爆孔较近时205305第5期蔡　峰等:高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透数值模拟气体的控制范围之内.由于应力波的叠加以及爆生气体的驱动,模型1在11157m s时开始出现了与应力波传播方向相垂直的裂纹,并加速了爆孔附近煤体的破碎.而模型2直到11195m s时才出现垂直于应力波传播方向的裂纹.由于模型1中两爆孔距离较小,两爆孔产生的裂纹很快于11172m s时沟通,加速了孔间煤体的破碎.在18142m s时,最终使得模型1煤体裂隙相互贯穿、充分破碎,增强了煤体的渗透性,增透效果明显.在模型2中,由于两爆破孔之间的距离较大,两爆孔的叠加效应也随之减小,致使两爆孔产生的裂纹难以沟通,直到21173m s时,两爆孔产生的裂纹才相遇并沟通.结合图5可看出,当两爆孔较近时两爆孔之间的相互影响较大,产生的裂纹呈网状相互交织,为瓦斯释放提供了充分的通道;当两爆孔较远时,两爆孔之间的影响减弱,使得两爆孔在相当一段时间内各自为战,产生的裂纹主要集中于爆孔周围,少量裂纹相互沟通,其形态大致呈点源放射状.由于两爆孔的叠加效应,在两爆孔之间的煤体中的裂纹密度明显大于两爆孔两侧裂纹的密度.4　结 语通过数值模拟分析可知,深孔预裂爆破对于松软低透气性煤层的增透效果是非常明显的.在爆破初始阶段,爆破产生的动压迅速摧毁爆孔附近煤体的抵抗,在其周围产生破裂带和少量裂纹,为进一步破坏煤体提供弱面.由爆破产生的应力波在煤体中以爆破孔为中心呈同心圆状向煤体中传播,应力波相交后产生叠加效应加速了煤体的破坏.由于两爆孔距离不同,爆破产生的相互影响也不同,当两爆孔较近时,爆孔间裂纹充分发育,并最终相互沟通,加速了煤体的破坏;而当两爆孔较远时,爆孔间裂纹在很大程度上独立发育,最终只有少量裂纹相互沟通.因而,通过反复的数值模拟与比较分析得出,当两爆孔间距为5～6m时,两爆孔间煤体中可以产生足够数量相互沟通的裂纹,为煤体中瓦斯运移提供足够的通道.,为瓦斯抽放提供了通道.通过深孔预裂爆破产生了相互沟通的裂纹,再加上抽排系统,为松软低透气性煤层瓦斯抽放提供了一个较好的解决方案.参考文献:[1]　魏国营,张书军,辛新平.突出煤层掘进防突技术研究[J].中国安全科学学报,2005,15(6):100～104.[2]　肖红飞,何学秋,冯　涛,等.基于F LAC2D模拟的矿山巷道掘进煤岩变形破裂力电耦合规律研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(13):2304～2309.[3]　王金华.我国煤巷机械化掘进机现状及锚杆支护技术[J].煤炭科学技术,2004,32(1):6～10.[4]　Zhang Y Q,Hao H,Lu Y.Anis otr op ic dyna m ic da mage and frag mentati on of r ock materials under exp l osive l oading[J].I nt.J.Engng.Sci.,2003,41(9):917～929.[5]　Thabet A,Haldane D.Three-di m ensi onal nu merical si m ulati on of the behavi or of standard concete test s peci m ens when sub2jected t o i m pact l oading[J].Computers and Structures,2001,79(1):21～31.[6]　O’Daniel J L,Kranthammer T.A ssess 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