含硬夾矸高瓦斯低透氣性煤層多向聚能爆破技術(shù)研究*

潘泱波，劉澤功

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001)

0 引言

在煤炭需求量不斷提高，煤礦開采強度不斷增大的同時，所采煤層的賦存條件逐漸惡劣、開采難度大的問題也隨之而來，其中包括開采含有硬夾矸的高瓦斯低透氣性復(fù)雜煤層。一方面，煤層中的硬夾矸層制約了采煤機的正常割煤作業(yè)，嚴重影響工作面的采出率[1]；另一方面，高瓦斯低透氣性煤層瓦斯抽采困難，容易引發(fā)瓦斯事故[2-3]。因此，找到一個既能弱化煤層中的硬夾矸，又能使煤層增透的方法成了解決此類復(fù)雜煤層開采問題的關(guān)鍵。

近年來，對于深孔預(yù)裂爆破在高瓦斯低透氣性煤層增透中的應(yīng)用，許多學(xué)者進行了研究。劉健等[4-5]分析了深孔預(yù)裂爆破含瓦斯煤體的作用機理;黃文堯等[6]分析了水膠藥柱深孔預(yù)裂爆破時應(yīng)力場的分布和爆破裂隙圈的形成過程。然而，由于其爆破裂隙是沿著爆破孔徑向無序擴展，能量過于分散無法集中作用，因此學(xué)者們在此基礎(chǔ)上進行了改進，采用雙向聚能爆破的方式將爆破能量匯聚在煤體破碎的方向上。其中穆朝民等[7]對聚能爆破聚能方向和非聚能方向裂隙的演化進行了研究;呂鵬飛等[8-9]探討了高瓦斯低透氣性煤層聚能爆破煤巖體在動載荷下的破壞特性;郭德勇等[10]對聚能爆破煤體致裂過程進行了數(shù)值模擬研究，探討了聚能射流的成型機理、爆炸應(yīng)力波的傳播特征及裂隙擴展機理。

在前人的研究基礎(chǔ)上，繼續(xù)將雙向聚能爆破技術(shù)進行改進，提出了多向聚能的裝藥方式[11-12]，通過理論分析、模擬試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究多向聚能爆破作用下含硬夾矸高瓦斯低透氣性煤層中煤體與夾矸的損傷特性，研究成果對爆破處理含硬夾矸高瓦斯低透氣性煤層的復(fù)雜問題有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

1 多向聚能爆破煤與夾矸致裂機制

普通圓柱形藥包爆破后，爆轟產(chǎn)物沿徑向無規(guī)則的向外傳播，而聚能爆破是采用特殊的裝藥結(jié)構(gòu)，局部提高爆破能量的爆破方式[13]。通過在藥卷內(nèi)部設(shè)置聚能罩，使爆轟產(chǎn)物沿垂直于聚能罩兩翼面的方向壓縮聚能罩，形成高速、高壓的聚能射流對圍巖侵徹，產(chǎn)生導(dǎo)向裂隙。若聚能罩以延展性金屬為材料，則可形成破壞力強的金屬射流[14]。多向聚能爆破是從爆破的實際需要出發(fā)，通過設(shè)置多個聚能罩，在多個方向上形成能量積聚的爆破技術(shù)。

在解決含硬夾矸高瓦斯低透氣性煤層的問題中，基于三花眼的布孔方式，相鄰的2個爆破孔分別位于夾矸層上下兩側(cè)的煤層中。在藥包的裝藥結(jié)構(gòu)上，在水平方向上的兩側(cè)分別設(shè)置1個聚能罩，在垂直指向夾矸層的方向上設(shè)置1個聚能罩，由此形成三向聚能的爆破裝藥結(jié)構(gòu)。爆破孔布置方式及聚能藥卷模型如圖1所示。

圖1 爆破孔布置方式及聚能藥卷模型Fig.1 Layout ways of blasting hole and shaped charge explosive cartridge model

由于爆破孔布置于煤層當(dāng)中，在垂直方向上，進入孔壁的應(yīng)力波將由煤體向夾矸傳播，在通過煤與夾矸的交界面時，由于介質(zhì)波阻抗的不同，應(yīng)力波會發(fā)生反射和透射的現(xiàn)象[15]。根據(jù)應(yīng)力波垂直入射不同介質(zhì)交界面的傳播理論，令應(yīng)力波由煤體向夾矸入射的反射系數(shù)為R，透射系數(shù)為T，煤的波阻抗為Z1，夾矸的波阻抗為Z2，則有：

(1)

由于煤體波阻抗小于夾矸，則R>0，T>1，即經(jīng)過交界面后，透射波的強度提高。當(dāng)采用不耦合裝藥方式時，進入爆破孔壁的沖擊波應(yīng)力為：

(2)

式中：ρ0為炸藥密度，kg/m3;D為爆速，m/s;rb為爆破孔半徑，m;rc為藥卷半徑，m;n為爆轟產(chǎn)物撞擊爆破孔內(nèi)壁時壓力增大系數(shù)n=8～11。

由于爆破孔位于煤體中，則應(yīng)力波在煤體內(nèi)的壓力P1隨傳播距離衰減的規(guī)律為：

(3)

在煤體增透的水平方向上，應(yīng)力波衰減規(guī)律為：

(4)

在夾矸弱化的豎直方向上，當(dāng)應(yīng)力波到達煤與夾矸交界面后，透射進入夾矸的應(yīng)力波壓力P2為：

(5)

透射波壓力P3隨傳播距離的衰減規(guī)律為：

(6)

沿徑向傳播的應(yīng)力波在煤與夾矸的切向產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，從而形成拉伸破壞產(chǎn)生徑向裂隙，根據(jù)von-mises準則，煤體(夾矸)產(chǎn)生裂隙的條件為：

σx≥σtd煤，σy≥σtd矸

(7)

式中：σx，σy分別為普通爆破中水平方向上裂隙區(qū)內(nèi)煤體和垂直方向上裂隙區(qū)內(nèi)夾矸內(nèi)任意一點的有效應(yīng)力，MPa。

由圖1所示聚能藥卷的結(jié)構(gòu)可以看出，聚能罩分布呈軸對稱且非中心對稱的結(jié)構(gòu)，因此，可認為水平方向上左右兩側(cè)聚能效果相同，且垂直的單向聚能效果與水平的雙向聚能效果不同，從而引入水平方向聚能系數(shù)K1和垂直方向聚能系數(shù)K2，即水平聚能方向上裂隙區(qū)內(nèi)煤體和垂直聚能方向上裂隙區(qū)內(nèi)夾矸內(nèi)任意一點的有效應(yīng)力分別滿足：

(8)

令普通爆破煤與夾矸內(nèi)產(chǎn)生的裂隙范圍分別為Rx和Ry，多向聚能爆破時煤體與夾矸內(nèi)產(chǎn)生的裂隙范圍為Rx′，Ry′，聯(lián)立式(4)～(8)，可得聚能爆破和普通爆破煤與夾矸內(nèi)產(chǎn)生的裂隙范圍的關(guān)系為：

(9)

2 爆破測試分析

2.1 測試方案及模型設(shè)計

為了驗證多向聚能爆破的實際效果，利用爆破試驗裝置(圖2)進行普通裝藥和多向聚能裝藥的爆破對比試驗。制作的試件為邊長300 mm 的正立方體，由水泥、砂子和石膏等按比例制作而成。

圖2 爆破試驗裝置Fig.2 Blasting test device

2.2 聚能藥包制作

爆破采用自制藥包，藥包的外殼采用PVC線管，長度為100 mm，直徑為20 mm，壁厚約1 mm。對于多向聚能藥卷，聚能罩的材料選取厚度為0.08 mm的紫銅片，制成時首先取3個100 mm×12 mm的紫銅片，沿中軸線折起，使其錐角約為60°，利用AB膠將聚能罩粘貼于PVC 管內(nèi)壁，如圖3所示。為了達到對比普通爆破與聚能爆破效果的目的，2組試驗將采用相同的裝藥量。試驗采用8號雷管，雷管內(nèi)含有起爆藥雷酸汞約0.4 g，猛炸藥黑索金約0.7 g，炸藥選用水膠炸藥，根據(jù)前期爆破測試經(jīng)驗，該尺寸試件達到較好的爆破效果時，水膠炸藥使用量為3～4 g，本次試驗選擇藥量為3.5 g。

圖3 多向聚能藥卷Fig.3 Multi-direction shaped charge explosive cartridge

2.3 測試結(jié)果分析

制作好的相似模擬試件需養(yǎng)護4周后開始試驗。普通爆破后，試件表面產(chǎn)生的裂隙如圖4(a)所示，裂隙以爆破孔為中心向外無規(guī)則發(fā)散，其形態(tài)蜿蜒曲折，且每條裂隙的寬度基本相同，充分反映了普通爆破中爆轟產(chǎn)物沿徑向傳播的均勻性。而從圖4(b)所示的多向聚能爆破后試件損傷情況可以看出，水平雙向及豎直單向的聚能爆破使得試件產(chǎn)生的裂隙呈現(xiàn)明顯規(guī)律性，主裂隙發(fā)育的方向為3個聚能罩所對應(yīng)的方向，而沒有聚能罩的方向上，爆破孔周圍僅存在極小的裂紋。較普通爆破而言，裂隙的寬度更大，形狀更加筆直。由此可見，聚能罩對爆轟產(chǎn)物具有導(dǎo)向作用，將能量集中在設(shè)定的3個方向上，產(chǎn)生了更寬、更直的主裂隙，從而驗證了多向聚能爆破的可行性和科學(xué)性。

圖4 不同裝藥方式爆破后試件的損傷Fig.4 Damage of specimens after blasting with different charging modes

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計算模型建立

模擬的現(xiàn)場實際煤層厚度為1.8 m，其中含有厚度為0.4 m的夾矸，為減少計算量，只考慮煤、夾矸和小部分頂?shù)装鍘r層，利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立2個單層單元的有限元模型，模型尺寸為長2 m、高3 m，如圖5所示。將模型的左右兩側(cè)設(shè)為對稱邊界，上下兩側(cè)設(shè)為透射邊界，爆破孔孔徑為75 mm，相鄰2個孔位于夾矸上下兩側(cè)的煤層之中。

圖5 數(shù)值計算模型Fig.5 Numerical calculation model

3.2 模型材料的狀態(tài)方程及參數(shù)

1)空氣采用Null材料模型。狀態(tài)方程采用Linear Polynomial多線性狀態(tài)方程：

P=c0+c1μ+c2μ2+c3μ3+(c4+c5μ+c6μ2)E

(10)

式中：c0～c6是狀態(tài)方程系數(shù)，c0=c1=c2=c3=c6=0，c4=c5=0.4；μ為體積比，μ=1.4；E為單位體積內(nèi)能，2.5×105J/m3。

2)煤體、夾矸及煤層頂?shù)装鍘r石均采用Plastic Kinematic材料模型，由于材料的破壞主要為受壓破壞和受拉破壞2種形式，因此定義當(dāng)各材料中質(zhì)點單元所受應(yīng)力小于等于最大抗壓強度時受壓破壞，大于等于最小抗拉強度時受拉破壞。各材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各材料的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of each material

3)炸藥采用High Explosive Burn材料模型和JWL狀態(tài)方程，其表達式為：

(11)

式中：A，B，R1，R2和ω均為炸藥參數(shù)，A=340 GPa，B=7.33 GPa，R1=4.15，R2=0.95，ω=0.3；E為單位體積炸藥爆轟能量，7.0×109J/m3；V為相對體積，V=1。炸藥密度為1 630 kg/m3，爆速為6 930 m/s。

4)金屬聚能罩采用Johnson Cook材料模型及Gruneisen狀態(tài)方程，其壓力表達式為：

(12)

式中：C為vs-vp曲線的截距，m/s；vs和vp分別為爆轟波速和質(zhì)點速度，m/s；s1，s2和s3分別為vs-vp曲線斜率的系數(shù)，s1=1.49，s2=0.6，s3=0；γ0為Gruneisen系數(shù)，γ0=1.99；a為γ0的一階修正系數(shù)，a=0.47；μ為體積比，μ=ρ/ρ0-1，ρ和ρ0分別為材料變形后的密度和初始密度，kg/m3，ρ0=8 960 kg/m3。

3.3 模擬結(jié)果與分析

運用LS-Prepost后處理軟件對模擬的結(jié)果進行分析，首先沿YZ面將模型對稱展開，分別截取2組模型在300，600和900 μs時的裂隙發(fā)育圖，如圖6、圖7所示。在爆破初期，爆轟產(chǎn)物沖擊爆破孔圍巖，在一定范圍內(nèi)形成粉碎區(qū)，在300 μs時，2組模型均處于粉碎區(qū)的形成過程，而圖7(a)中，在爆破孔的兩側(cè)及面向夾矸的一側(cè)已經(jīng)形成了初始導(dǎo)向裂隙。

在粉碎區(qū)之后，隨著沖擊波的衰減，圍巖在環(huán)向拉應(yīng)力的作用下形成徑向裂隙向外延伸，對比圖6(b)和7(b)，聚能爆破中，在初始導(dǎo)向裂隙的引導(dǎo)下，爆轟產(chǎn)物繼續(xù)對煤體及夾矸侵徹，在沿著3個聚能罩的方向上形成了3條明顯的導(dǎo)向裂隙，而在沒有聚能罩的方向上，僅形成較小的裂隙。普通爆破產(chǎn)生的裂隙則是向四周發(fā)散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從裂隙的寬度和形態(tài)上看，聚能爆破的裂隙發(fā)育都明顯優(yōu)于普通爆破。

圖6 普通爆破不同時刻裂隙發(fā)育Fig.6 Crack development of ordinary blasting at different times

隨著應(yīng)力波繼續(xù)向外傳播，900 μs時，聚能爆破中伴隨著3條導(dǎo)向裂隙的延伸，其上形成了許多分支裂隙，如圖7(c)所示，而普通爆破裂隙則是在原有裂隙的基礎(chǔ)上向外做了延伸。對比圖6(c)和7(c)，在裂隙發(fā)育區(qū)，聚能爆破的裂隙發(fā)育長度更長，穿透力更大，在聚能方向上影響的范圍更廣。

圖7 多向聚能爆破不同時刻裂隙發(fā)育Fig.7 Crack development of multi-direction shaped charge blasting at different times

對比圖4、圖6和圖7，在裂隙發(fā)育的形態(tài)上，2組爆破模型的模擬結(jié)果與試驗測試的實際結(jié)果較為吻合，此外，由多向聚能爆破的裂隙發(fā)育過程可以看出，聚能罩對爆炸能量的積聚及裂隙發(fā)育起著關(guān)鍵作用，在設(shè)置聚能罩的方向上，導(dǎo)向裂隙形成，而在無聚能罩的方向上則反之。為考察形成導(dǎo)向裂隙前沖擊波的傳播規(guī)律，截取2組模型在爆破初期100，150和200 μs時的有效應(yīng)力云圖，如圖8、圖9所示。

當(dāng)應(yīng)力波從煤體進入夾矸時，由于夾矸的波阻抗大于煤體，透射波疊加增強，又因為應(yīng)力波在不同介質(zhì)中波速的不同，因此應(yīng)力云圖呈現(xiàn)圖8(a)和9(a)中的形態(tài)。100 μs時，相比較普通爆破，在垂直向上的方向，聚能爆破已初顯應(yīng)力積聚現(xiàn)象；150 μs時，由圖8(b) 和圖9(b)可以清晰地看出聚能爆破中高應(yīng)力區(qū)開始在3個聚能方向上集中，而在非聚能方向，應(yīng)力相對減弱。隨著應(yīng)力波繼續(xù)傳播，到200 μs時，高應(yīng)力區(qū)進一步在聚能方向上向外推移。為考察多向聚能裝藥在不同方向上對爆破的影響，在3個方向上距離爆破孔同為200 mm處取點(如圖5中所示1,2和3)，導(dǎo)出各點的有效應(yīng)力時程曲線，如圖10、圖11所示。

圖8 普通爆破初始階段不同時刻有效應(yīng)力Fig.8 Effective stress at different times in initial stage of ordinary blasting

圖9 多向聚能爆破初始階段不同時刻有效應(yīng)力Fig.9 Effective stress at different times in initial stage of multi-direction shaped charge blasting

圖10 普通爆破各測點應(yīng)力時程曲線Fig.10 Time history curves of stress at each measuring point in ordinary blasting

圖11 多向聚能爆破各測點應(yīng)力時程曲線Fig.11 Time history curves of stress at each measuring point in multi-direction shaped charge blasting

普通爆破時，2和3點由于同處煤層中，與爆破孔距離相同，其應(yīng)力峰值及曲線形態(tài)較為相似，而1點處于夾矸中，由于透射波疊加增強的特點，1點應(yīng)力峰值略高于其余2點。對比2種爆破方式，聚能爆破中1和2點的應(yīng)力峰值得到增強，而3點減弱。2組模型中1測點的應(yīng)力峰值分別為10.34 MPa和12.51 MPa，在夾矸弱化聚能方向上，聚能爆破的應(yīng)力峰值是普通爆破的1.21倍，即為垂直方向聚能系數(shù)K2；2測點的應(yīng)力峰值分別為9.85 MPa和11.97 MPa，在煤層增透聚能方向上，聚能爆破的應(yīng)力峰值是普通爆破的1.16倍，即為水平方向聚能系數(shù)K1；3測點的應(yīng)力峰值分別為9.78 MPa和7.94 MPa，在非聚能方向上，聚能爆破的應(yīng)力峰值是普通爆破的0.81倍。由此可見，多向聚能爆破在不同的聚能方向上應(yīng)力波峰值得以不同程度的增強，而在非聚能方向上，應(yīng)力波峰值大幅降低。

4 結(jié)論

1)在雙向聚能爆破的基礎(chǔ)上，提出了多向聚能爆破技術(shù)，從理論上分析了普通爆破和多向聚能爆破應(yīng)力波的傳播規(guī)律，研究了多向聚能裝藥對爆破的影響，引入了夾矸弱化和煤層增透方向的聚能影響系數(shù)，并計算得出了不同方向上裂隙的范圍。

2)相似模擬試驗表明聚能罩能夠積聚爆破能量，并在其方向上形成導(dǎo)向裂隙，驗證了多向聚能爆破的可行性和科學(xué)性。數(shù)值模擬結(jié)果表明，普通爆破產(chǎn)生的裂隙呈發(fā)散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而多向聚能爆破在聚能方向上形成了以3條明顯的導(dǎo)向裂隙為主，大量分支裂隙為輔的裂隙網(wǎng)，較普通爆破的影響效果更佳。應(yīng)力云圖中，聚能方向上為高應(yīng)力區(qū)，從各個方向上距爆破孔相同距離測點的應(yīng)力時程曲線發(fā)現(xiàn)，多向聚能爆破在夾矸弱化和煤層增透方向上應(yīng)力峰值分別為普通爆破的1.21和1.16倍。

3)通過在藥卷內(nèi)設(shè)置多個聚能罩，將爆破能量集中在多個方向上，產(chǎn)生更規(guī)則、更長、更寬，穿透力更強的導(dǎo)向裂隙，在含硬夾矸高瓦斯低透氣性煤層的復(fù)雜問題中，爆破能量在3個方向上得到聚集，在提高破碎堅硬夾矸能力的同時提升煤體中裂隙的發(fā)育程度，大幅優(yōu)化了爆破效果。