裝藥位置對深孔聚能爆破數值模擬與應用研究*

齊慶杰，趙尤信，周新華，沈志遠，賈新雷

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000)

0 引言

我國煤炭賦存的地質條件比較復雜，其開采難度較大，我國重點煤礦中，有三分之二以上的煤礦屬于高瓦斯突出礦井，大部分煤層是低透氣性煤層，其瓦斯抽放難度較大是我國煤礦安全開采的一大難題[1]。為了提高煤層的滲透率，國內外學者采取了多種措施進行瓦斯抽放[2-7]，其中深孔聚能爆破增透技術[8-15]提高了煤層的滲透率以及裂隙發育，在平煤六礦、十礦和焦煤九里山礦、鄭州大平煤礦進行了應用，取得了良好的效果。

為了提高深孔聚能爆破瓦斯抽放效率及其炸藥的利用率，很多學者對爆破參數[15-16]進行研究，其中在優化爆破孔孔徑、軸向裝藥長度、封孔參數、炸藥性質以提高煤層的透氣性方面取得了成功，并在許多煤礦進行應用，但深孔聚能爆破增透技術參數優化中沒有對裝藥位置進行研究。裝藥位置的選擇直接影響深孔爆破增透的增透半徑、裂隙發育程度和爆破安全。

筆者基于對深孔聚能爆破理論研究和現場實踐，以平煤十礦24130工作面為例，對深孔聚能爆破裝藥位置進行了數值模擬研究，結合現場試驗，對比不同裝藥位置爆破后周圍應力分布和裂隙變化，以期為優化裝藥位置提供理論參考。

1 數值模擬理論研究

1.1 深孔聚能爆破作用

普通裝藥模式的結構圖如1(a)所示，其爆破產生的爆生氣體壓力分布均勻，爆生氣體不定向地向四周擴散開，這種現象導致爆炸所產生的裂隙范圍較小，效果不明顯。聚能爆破的結構圖如1(b)所示，其爆生氣體壓力更加集中于聚能方向，爆生氣體集中向聚能槽移動，因此，聚能爆破更好地避免了能量的分散，在聚能流方向上的動能和速度更高，致裂效果更加明顯。

圖1 爆破裝藥結構Fig.1 Explosive charge structure

相比于普通裝藥模式，聚能裝藥模式下，爆炸后在聚能流方向上的動能和速度更高，聚能流沖擊煤體產生初始裂隙，爆破產生的裂隙方向由聚能方向決定，裂隙的深度不僅受聚能流的能量控制，而且受煤體強度的影響，由于煤體的強度是定值，則其裂隙深度可以用以下公式表示[17-18]：

(1)

式中：L為裂隙深度，m；L′為有效射流長度，m；ρj為聚能流密度，kg/m3；ρt為巖體密度，kg/m3。由式(1)可見，聚能流對煤體裂隙的發育起到定向作用，而后在爆炸能量作用下有利于裂隙在聚能方向充分擴展，聚能爆破在非聚能方向上煤巖體致裂范圍變大。

1.2 數學模型

聚能爆破數值模擬是聚能流、煤體和空氣之間相互作用的流固耦合過程，本文采用ALE算法，此算法能夠效結合Lagrange方法和Euler方法的優點，解決大變形計算的難題。

1.3 材料和參數設置

模擬的炸藥選取的是LS-DYNA中的高能爆炸燃燒材料，此種材料爆轟后滿足JWL狀態方程，JWL狀態方程對爆轟產物的膨脹做功進行準確的描述，得到任意時刻被爆轟物體的爆轟壓力P為：

(2)

式中：P為爆轟壓力，MPa；A,B,ω,R1,R2均為炸藥性質參數，ω=0.3；R1=4.12；R2=0.95；V為氣體產物的質量體積，m3;E0為氣體產物爆炸時的能量，MJ。

炸藥相關參數如下：密度為0.95 ×103kg/m3；爆速為2 800 m/s；A=347 GPa；B=0.433 GPa。

上邊界頂壓如式(3)：

q=γgH

(3)

式中：q為頂壓，kN/m2；γ為巖土層的平均體積力，取γ=25 kN/m3；H為煤層埋深，480 m。計算可得q=117 600 kN/m2。

煤體的物理力學參數通過現場數據得到，具體參數如表1所示。

表1 煤體物理力學參數Table 1 Coal mechanical parameters

2 數值模擬

2.1 模型建立與網格劃分

針對平煤十礦己15，16-24130工作面，應用ANSYS/LS-DYNA軟件，共建立3個幾何模型，如圖2所示。模型尺寸為40 m×40 m×60 m，孔深45 m，炸藥長度13 m，封孔段長度12 m，爆破孔孔徑為89 mm，藥包直徑為42 mm。其中，裝藥位置分別在爆破孔里端(距離封孔段20 m)、中間(距離封孔段10 m)和外端(距離封孔段0 m)，圖2(a)為裝藥位置在里端的幾何模型(另外2個模型只改變裝藥位置)，聚能方向為X平面方向，其網格劃分如圖2(b)所示，單元總數為361 210個，節點總數為378 970個。

圖2 模型及網格劃分Fig.2 Model and grid partition

2.2 模擬結果與分析

不同裝藥位置的爆破應力YZ平面應力云圖如圖3所示。由圖3可得，聚能爆破后，應力波以球面波的形式向四周擴散，炸藥中心附近應力值最大，能量最集中。裝藥位置不同，應力作用范圍有明顯差異。采取里端裝藥時，煤體里端所受應力范圍較大，一定范圍之外的上部煤體并沒有受到明顯應力作用；采取外端裝藥時，煤體外端所受應力范圍較大，一定范圍之外的下部煤體并沒有受到明顯應力作用；采取中端裝藥時，除了中部煤體所受應力之外，上下部分煤體均受到應力作用，范圍較大。分析認為，炸藥爆炸后產生的爆生氣體除了作用于周圍煤體外，還會與炮孔內空氣層相互作用，在空氣內形成反射波持續作用于煤體。中端裝藥形式下，爆破孔上下部分均存在空氣層，爆轟波與上下部分空氣發生反射，作用時間較長，能量傳遞范圍廣；外端裝藥時藥柱緊鄰封孔段，容易產生能量損失；里端裝藥時藥包緊鄰下方煤體，不存在空氣層，爆生氣體作用于下方煤體后不存在應力波的反射，作用范圍較小。

圖3 t=150 ms時不同裝藥位置爆破應力云圖Fig.3 Blasting stress cloud map at different loading locations at t=150 ms

為了更準確地分析出3種裝藥形式下爆破孔一定范圍內應力的變化，在爆破孔附近選取A，B，C，D，E5個觀察點，C點距離藥包中心O水平距離3 m，其余4點與C點在同一條豎直線上，各觀察點間距6 m。應用LS-PrePost進行后處理分析，提取出不同裝藥位置時5個觀察點的應力時程變化。由提取結果可知，不同裝藥位置時，爆破有效區域內的觀察點應力線變化趨勢大體相同，都存在2個應力峰值，且第1個應力峰值要明顯大于第2個應力峰值。這是因為炸藥起爆后聚能射流首先作用于煤體，產生較大應力，而后爆轟波與空氣層產生反射波第2次作用于煤體，產生第2個應力峰值。里端裝藥時，距離炸藥中心最近的C點最先在100 ms時到達第1個應力峰值，約為106 MPa，隨后在空氣層的作用下，約195 ms后出現第2個應力峰值；162 ms時B，D這2個點到達第1個應力峰值，大小約為29 MPa，隨后在空氣層的作用下53 ms后第2次出現應力峰值，大小約為34 MPa；距離炸藥較遠處的A，E兩點應力值并未發生明顯變化，這表明A，E兩點不在爆破影響范圍內。外端裝藥時，距離炸藥中心最近的C點第1次達到應力峰值的時間為105 ms，大小約為86.2 MPa，較里端裝藥時應力值小，這是因為藥柱緊鄰封孔段，產生了一定的能量損失，160 ms時，D點第1次出現應力峰值，大小約為40 MPa，隨后在空氣層的作用下50 ms后第2次出現應力峰值，A，B，E點均未發生明顯應力變化，表明A，B，E點不在爆破影響范圍內。中端裝藥時，C點第1次達到應力峰值的時間為95 ms，應力峰值約為154 MPa，A，B，D，E點處均存在應力的變化，應力平均值約為49 MPa，表明所有觀察點均在爆破影響范圍內，距離爆破點較近的B，D點約在87 ms時出現第1次應力峰值，大小約為98 MPa；距離較遠處的A，E點在110 ms時出現第1次應力峰值，大小約為48 MPa。由以上分析可以得出，中端裝藥時，爆破有效影響范圍更大，應力作用時間更持久，里端裝藥較小，外端裝藥時最小。

應用LS-PrePost提取出不同時刻不同裝藥位置下煤體爆破產生的軸向和徑向的裂隙深度，繪制裂隙深度變化曲線圖，如圖4所示。

圖4 不同裝藥位置裂隙變化Fig.4 Curve diagram of fracture change in different loading position

由圖4可以看出：采取里端裝藥形式時，爆破產生的軸向裂隙(爆破孔方向)約在380 ms時趨于穩定，最大值可以達到22 m，徑向裂隙在350 ms時趨于穩定，最大值可以達到6.4 m；采取中端裝藥時，爆破產生的軸向裂隙在450 ms時趨于穩定，應力波作用于煤體的時間比較長，有效促進了裂隙發育，最大值達到27.5 m，相比于里端裝藥和外端裝藥分別增加了5.5和7.4 m，平均增加6.5 m。徑向裂隙在450 ms時趨于穩定，最大深度達到6.8 m，相比于里端裝藥和外端裝藥分別增加了0.4和1 m，平均增加0.7 m；采取外端裝藥時，爆破產生的軸向裂隙在370 ms時趨于穩定，最大值達到20.1 m，徑向裂隙在400 ms時趨于穩定，最大值達到5.8 m。

3 工程應用

3.1 工作面概況

24130工作面所采煤層為己15.16煤層，該工作面己15與己16煤層合層，厚度為2.5～3.5 m，平均煤厚3.2 m，煤層傾角10°～12°，最大瓦斯原始壓力值為1.0 MPa，己15.16煤層瓦斯原始含量值為12.5 m3/t。

3.2 工程試驗

深孔聚能爆破的目的就是增大媒體內裂隙，為瓦斯流動提供通道，提高煤層透氣性。因此，瓦斯濃度和瓦斯流量的增加幅度是考察聚能爆破效果的重要指標。

具體實施聚能爆破鉆孔和抽采鉆孔布置圖如5-6所示。

圖5 鉆孔布置平面圖Fig.5 Implementation of borehole plan

圖6 鉆孔布置剖面圖Fig.6 Implementation of borehole layout profile

在24130工作面風巷無斷層影響區域，進行3組深孔聚能爆破，其中1#裝藥位置中端裝藥、2#在里端裝藥和3#在外端裝藥，孔深45 m，炸藥長度13 m，封孔段長度12 m，爆破孔孔徑為89 mm，藥包直徑為42 mm。聚能爆破鉆孔周圍4個鉆孔為抽采鉆孔，抽采負壓為20 kPa，鉆孔半徑為94 mm，采用“囊袋式兩堵一注”封孔器，1#爆破孔周圍4個抽采鉆孔為第1組，2#爆破孔周圍4個抽采鉆孔為第2組，3#爆破孔周圍4個抽采鉆孔為第3組。

得到深孔聚能爆破不同裝藥位置抽采鉆孔的平均瓦斯濃度和平均瓦斯純量變化如圖7-8所示。

圖7 不同裝藥位置聚能爆破孔周圍抽采鉆孔瓦斯濃度變化Fig.7 Gas concentration variation curves around boreholes in shaped charge holes at different charging locations

圖8 不同裝藥位置聚能爆破孔周圍抽采鉆孔瓦斯純量變化Fig.8 Variation curves of gas purity in boreholes around shaped charge holes at different charging locations

由圖7-8可知，聚能爆破前，爆破孔周圍抽采鉆孔的瓦斯濃度在30%～37.5%之間，說明爆破孔周圍的所選區域媒體裂隙發育程度基本相同。爆破后裝藥位置在中間時，爆破后瓦斯濃度最大能夠達到83.2%，瓦斯純量0.009 7 m3/min,17 d內平均瓦斯濃度為62.3%，平均瓦斯純量為0.008 4 m3/min，該區域抽采鉆孔平均瓦斯濃度是爆破前的1.99倍，瓦斯純量為爆破前的4.08倍。爆破后裝藥位置在里端時，爆破后瓦斯濃度能夠達到75.1%，瓦斯純量0.007 8 m3/min，17 d內平均瓦斯濃度為53.4%，平均瓦斯純量為0.006 7 m3/min，該區域抽采鉆孔平均瓦斯濃度是爆破前的1.61倍，瓦斯純量為爆破前的2.96倍。爆破后裝藥位置在外端時，爆破后瓦斯濃度最大能夠達到66.2%，瓦斯純量0.005 7 m3/min，17 d內平均瓦斯濃度為44.5%，平均瓦斯純量為0.004 6 m3/min，該區域抽采鉆孔平均瓦斯濃度是爆破前的1.32倍，瓦斯純量為爆破前的2.23倍。依據抽采瓦斯濃度和瓦斯純量，不同的裝藥位置中間(距離封堵段10 m)部分裝藥效果最好，具有良好的增透效果。

4 結論

1)在24130工作面風巷進行的不同裝藥位置深孔聚能爆破實驗中，中部裝藥17 d內的平均瓦斯抽采濃度和瓦斯純量分別是爆破前的1.99倍和4.08倍，瓦斯抽采濃度和瓦斯純量分別是里端裝藥的1.23倍和1.37倍，是外端裝藥的1.5被和1.83倍。平煤十礦24130工作面中間裝藥在深孔聚能爆破的應用中增透效果最好，工程實驗與數值模擬的結果基本一致。

2)不同裝藥位置相比，中端裝藥時爆破有效影響范圍較大、應力作用時間較長，里端裝藥時較小，外端裝藥時最小。

3)聚能爆破中端裝藥，其爆轟波和應力波作用于煤體的時間較長且應力值更大，爆破產生的裂隙深度主要在軸向上加深，軸向裂隙和徑向裂隙比其他裝藥方式均有增加。爆炸產生的爆生氣體與空氣波二次作用產生反射波，延長了作用時間，有助于裂隙擴展，加速了賦存瓦斯解吸和流動，爆破效果更好。