低透气煤层双孔预裂爆破增透有效影响范围研究(1).pdf

第３７卷 第４期 ２０２０年１２月 爆 破 ＢＬＡＳＴＩＮＧ Ｖｏｌ． ３７ Ｎｏ． ４  Ｄｅｃ． ２０２０ ｄｏｉ１０． ３９６３／ ｊ． ｉｓｓｎ． １００１ －４８７Ｘ． ２０２０． ０４． ０１３ 低透气煤层双孔预裂爆破增透有效影响范围研究* 王公忠 １， 赵文彬２ （１．河南工程学院安全工程学院， 郑州４５１１９１；２．山东科技大学安全与环境工程学院， 青岛２６６５９０） 摘 要 煤层深孔预裂爆破增透技术能够显著提高低透气性煤层瓦斯的抽采效率。研究双孔不同间距、 不 同装药结构爆破增透对煤体破坏范围的影响对提高瓦斯抽采率具有重要意义。以新安煤矿二１煤层为研究 对象， 采用数值模拟的研究方法研究了双孔连续爆破应力波的传播过程及对煤层影响的范围。研究结果表 明 煤体双孔连续爆破模型， 不耦合装药粉碎圈半径小于耦合装药， 裂隙圈半径大于耦合装药， 有利于爆破应 力波传播及裂纹扩展， 裂纹密度均匀； 采用耦合装药结构和不耦合结构， 分别对炮孔间距为４ ｍ、６ ｍ和８ ｍ 的两孔连续起爆模拟结果和现场验证比较， 确定新安煤矿二１煤层预裂爆破两爆破孔的合理间距为６ ｍ， 不 耦合装药系数１． ２５。 关键词 煤与瓦斯突出；预裂爆破；不耦合装药；爆破孔间距；数值模拟 中图分类号 Ｏ２４２；ＴＤ２３５ 文献标识码 Ａ 文章编号 １００１ －４８７Ｘ（２０２０）０４ －００７５ －０６ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ Ｒａｎｇｅ ｏｆ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｂｙ Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｏｌｅ Ｐｒｅｓｐｌｉｔｔｉｎｇ Ｂｌａｓｔｉｎｇ ｉｎ Ｌｏｗ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏａｌ Ｓｅａｍ ＷＡＮＧ Ｇｏｎｇ-ｚｈｏｎｇ１，ＺＨＡＯ Ｗｅｎ-ｂｉｎ２ （１． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５１１９１，Ｃｈｉｎａ； ２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５９０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｄｅｅｐ-ｈｏｌｅ ｐｒｅ-ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｃａｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｇａｓ ｉｎ ｌｏｗ-ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｃｏａｌ ｓｅａｍ． Ｉｔ ｉｓ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐｅｒ- ｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｂｙ ｄｏｕｂｌｅ-ｈｏｌｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐａｃｉｎｇｓ ａｎｄ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｃｏａｌ ｂｏｄｙ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｒａｔｅ． Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ Ｎｏ． ２-１ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｏｆ Ｘｉｎ′ａｎ Ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｖｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｆｒｏｍ ｄｏｕｂｌｅ-ｈｏｌｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄ- ｉｅｄ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔＩｎ ｔｈｅ ｔｗｏ-ｈｏｌｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏａｌ ｂｏｄｙ，ｔｈｅ ｒａｄｉｕｓ ｏｆ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｃｉｒｃｌｅ ｏｆ ｕｎｃｏｕｐｌｅｄ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｃｏｕｐｌｅｄ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ-ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔｒｕｃ- ｔｕｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｄｉｕｓ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｃｉｒｃｌｅ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｃｏｕｐｌｅｄ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｖｅ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｓ ｕｎｉｆｏｒｍ． Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｃｏｕｐｌｅｄ ｅｘ- ｐｌｏｓｉｖｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｕｎｃｏｕｐｌｅｄ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｗｏ ｈｏｌｅｓ ｗｉｔｈ ｓｐａｃｉｎｇｓ ｏｆ ４ ｍ，６ ｍ ａｎｄ ８ ｍ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｏｎ-ｓｉｔｅ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ． Ｉｔ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｈｏｌｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｐｌｉｔ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｎｏ． ２-１ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｏｆ Ｘｉｎ′ａｎ Ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｗａｓ ６ｍ ｗｉｔｈ ａ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ １． ２５． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ；ｐｒｅｓｐｌｉｔ ｂｌａｓｔｉｎｇ；ｕｎｃｏｕｐｌｅｄ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｓｐａｃｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 万方数据 收稿日期２０２０ －０７ －３１ 作者简介王公忠（１９７５ －） ， 男， 教授、 博士研究生， 主要从事地下工 程灾害预防与控制等方面的研究与教学工作， （Ｅ-ｍａｉｌ） ｇｏｎｇｚｈｗ２８４５＠１６３． ｃｏｍ。 通讯作者赵文彬（１９７６-） ， 男， 副教授、 博士（后） ， 主要从事矿井一 通三防方面的教学科研工作， （Ｅ-ｍａｉｌ）ｚｈｗｂ１９７６＠ １６３． ｃｏｍ。 基金项目河南工程学院博士基金-热力耦合作用下原煤煤样渗流特 性研究（Ｄ２０１６０２１） ；２０１７年度河南省科技开放合作项目- 动态应力下煤层底板裂隙演化及水渗流突变机理研究 （１７２１０６００００７３） 煤层深孔预裂爆破增透技术能够显著提高低透 气性煤层瓦斯的抽采效率， 炸药在煤体深部爆炸后， 产生压缩粉碎圈和贯穿控制孔爆破裂隙面， 压缩粉 碎圈和爆破裂隙面的形成， 可有效增加煤层透气性， 提高瓦斯抽放率。在预裂爆破施工工艺、 理论计算 和数值模拟等方面， 国内外许多专家、 学者对深孔预 裂爆破技术进行了系统的研究， 并取得了一定的成 果［ １-６］。梁冰、 丁学丞等采用数值模拟的研究方法 研究了双孔连续爆破应力波的传播过程及对煤层影 响的范围［ ７］。刘泽功、 蔡峰利用二维数值模拟和现 场测试相结合方法， 分析了爆破孔间距对爆生裂纹 和增透效果的影响［ ８，９］。徐伟通过数值模拟和现场 检验，得出高瓦斯低透气煤层松动爆破合理间 距［ １０］。刘健、 刘泽功分析爆破载荷作用下试样的动 态力学特性和裂纹扩展特性， 得出裂纹主要是由压 缩波与卸载波共同作用形成的， 裂纹扩展方向与炮 孔轴线方向垂直［ １１］。穆朝民对定向聚能爆破控制 裂纹演化方向的理论和方法进行研究［ １２］。龚 敏［ １３］、 余永强等利用数值模拟和现场应用对低透气 性煤层进行了控制爆破，以此来提高瓦斯抽采效 率［ １４］。 综上， 目前煤层预裂爆破增透主要以单孔起爆 和两孔连续起爆两种爆破方式为主， 不同爆破方法 对煤体的破坏范围不同。而对于两孔连续爆破不耦 合装药结构研究较少。 采用ＬＳ-ＤＹＮＡ分析软件， 以新安煤矿二１煤层 预裂增透为研究对象， 建立６个两孔连续爆破模型， 采用耦合装药结构和不耦合结构的有限元计算模 型， 进行煤层介质双孔预裂爆破的数值模拟， 分析了 双孔同时起爆应力波的传播特性， 为低透气性煤层 预裂增投提高瓦斯抽采效率提供依据。 １ 新安煤矿二１煤层双孔预裂爆破数 值模型 １． １ 新安煤矿预裂爆破工作面概况 新安煤矿受区域地质构造控制， 全层构造软煤发 育、 煤体结构达到Ⅲ～Ⅴ类， 煤层厚度变化大、 透气性 差。其主采的二１煤层具有瓦斯突出危险性。１５１５０ 工作面在位于１５采区下山， 煤厚为２．０ ～７．２ ｍ， 平均 煤厚３．２ ｍ， 比较稳定， 性脆， 易破碎。工作面煤层煤 体坚固性系数在０．１７ ～０．３８， 透气性系数为［０．０２８ ～ ０．１３ ｍ２／（ＭＰａ２ｄ） ］ ， 钻孔瓦斯流量衰减系数为 （０．０５４ｄ －１ ～０．０５８ｄ －１） ， 瓦斯放散初速度 ΔＰ 为９．５ ～ ２９．５， 煤层测定ａ值为２７． ４４８ ～３５． ５１２ ｍ３／ ｔ，ｂ值为 ０． ５１５ ～０． ７６２ Ｍｐ －１。 二１煤层赋存于下二叠统山西组下部， 位于大 占砂岩和二１煤层底板砂泥岩之间， 顶板岩性 该工 作面二１煤伪顶局部发育， 偶见黑色炭质泥岩， 松软 易碎０ ～０． ５ ｍ； 二１煤层直接顶板主要为泥岩， 厚度 ２． ２ ｍ， 比较稳定， 性脆， 易破碎。老顶为灰色-浅灰 色中粒石英砂岩，层面富集云母片，具斜层理，厚 １９． ２ ｍ。底板岩性 二１煤层底板主要为砂质泥岩， 少量为粉砂岩或细砂岩， 厚度１０． １ ｍ。老底为硅质 泥岩， 厚度５． ２ ｍ， 岩层硬度较大。 １． ２ 数值模拟参数 采用有限元软件ＬＳ-ＤＹＮＡ建立模型， 数值模型 单位制为ｇ-ｍｍ-μｓ。共建立６个爆破模型， 模型尺 寸均为为１４ ｍ ８ ｍ， 两炮孔直径均为８０ ｍｍ。① 模型１ 炮孔间距为４ ｍ， 药卷直径６４ ｍｍ。②模型 ２ 炮孔间距为４ ｍ， 药卷直径８０ ｍｍ。③模型３ 炮 孔间距为６ ｍ， 药卷直径６４ ｍｍ。④模型４ 炮孔间 距为６ ｍ， 药卷直径８０ ｍｍ。⑤模型５ 炮孔间距为 ８ ｍ， 药卷直径６４ ｍｍ。⑥模型６ 炮孔间距为８ ｍ， 药卷直径８０ ｍｍ。模型划分网格单元采用六面体 Ｓｏｌｉｄ１６４实体单元， 在划分网格时， 靠近炸药的部分 应力应变比较复杂， 因此网格划分相对于其他部分 相对细密。岩石和堵塞材料采用Ｌａｇｒａｎｇｅ网格， 空 气和炸药材料选用Ｅｕｌｅｒ网格， 通过关键字*ＣＯＮ- ＳＴＲＡＩＮＥＤ_ＬＡＧＲＡＮＧＥ_ＩＮ_ＳＯＬＩＤ来定义岩体物 质、 炮泥与炸药等流体物质之间的流固耦合作用。 由于模型的炮孔大小和相对位置在纵向上不随 模型的尺寸而变化， 因此将模型简化为二维的平面 应变模型， 模拟研究过程建立３Ｄ的单层网格模型， 即在厚度的方向为单层网格施加位移约束， 能够更 真实的模拟岩石中的爆破情况。根据对称性简化模 型， 建立１／４模型。在模型的上边界和右边界施加 无反射边界条件， 以消除爆炸应力波在模型边界发 生反射现象， 从而形成拉伸应力波对模拟结果产生 影响。模型的左边界和下边界施加对称约束。煤层 与顶底板物理力学参数见表１， 炸药与ＪＷＬ状态方 程参数见表２。 ６７爆 破 ２０２０年１２月 万方数据 表１ 煤层与顶底板物理力学参数 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ａｎｄ ｒｏｏｆ ａｎｄ ｆｌｏｏｒ 岩性 密度／ （ｇｃｍ －３） 弹性模量／ ＧＰａ 泊松比 抗拉强度／ ＭＰａ 抗压强度／ ＭＰａ 屈服强度／ ＭＰａ 剪切强度／ ＭＰａ 煤层１． ４７． ３０． ２８０． ４８４． ２２３． ９２１． ９８ 顶底板２． ６３９． １０． ３０３． ０１３１． ２０２８． ２０１３． ６０ 表２ 炸药与ＪＷＬ状态方程参数 Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ａｎｄ ＪＷＬ 参数 密度／ （ｇｃｍ －３） 爆速Ｄ／ （ｍｓ －１） ＣＪ压力／ ＧＰａ Ａ／ ＧＰａＢ／ ＧＰａＲ１Ｒ２ＥＯ／ ＧＰａ 煤层１． １３２００４． ５７３５１７５． １５１． ５６３． ８ ２ 数值模拟结果与分析 ２． １ 爆破应力波传播及裂纹扩展规律分析 炸药在无限介质中爆炸时， 爆炸能量将以药包 中心为球心， 呈同心球向四周传播。爆破作用将形 成粉碎圈、 裂隙圈和振动圈。图１ ～图６为不同爆 破模型爆破应力波传播及裂纹扩展规律。两炮孔在 爆破初期以各自药包中心为球心， 呈同心球向四周 传播， 随传播距离的增加而不断衰减。当应力波传 播至两爆破孔连线的中心处相遇（ 图１ ～图６中（ａ） 所示） ； 然后会发生应力波叠加效应（图１ ～图６中 （ｂ） 所示） ； 最终两炮孔应力波传播及裂纹扩展（图 １ ～图６中（ｃ） 所示） 。 图１ 爆破孔间距４ ｍ， 不耦合系数１． ２５爆破应力波传播及裂纹扩展规律 Ｆｉｇ． １ Ｂｌａｓｔｉｎｇ ｈｏｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ ４ ｍ，ｕｎｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ １． ２５ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ 图２ 爆破孔间距４ ｍ， 耦合装药爆破应力波传播及裂纹扩展规律 Ｆｉｇ．２ Ｂｌａｓｔｉｎｇ ｈｏｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ ４ ｍ，ｓｔｒｅｓｓ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｃｏｕｐｌｅｄ ｃｈａｒｇｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ 图３ 爆破孔间距６ ｍ， 不耦合系数１． ２５爆破应力波传播及裂纹扩展规律 Ｆｉｇ． ３ Ｂｌａｓｔｉｎｇ ｈｏｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ ６ ｍ，ｕｎｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ １． ２５ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ７７第３７卷 第４期 王公忠， 赵文彬 低透气煤层双孔预裂爆破增透有效影响范围研究 万方数据 图４ 爆破孔间距６ ｍ， 耦合装药爆破应力波传播及裂纹扩展规律 Ｆｉｇ．４ Ｂｌａｓｔｉｎｇ ｈｏｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ ６ ｍ，ｓｔｒｅｓｓ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｃｏｕｐｌｅｄ ｃｈａｒｇｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ 图５ 爆破孔间距８ ｍ， 不耦合系数１． ２５爆破应力波传播及裂纹扩展规律 Ｆｉｇ． ５ Ｂｌａｓｔｉｎｇ ｈｏｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ ８ ｍ，ｕｎｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ １． ２５ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ 图６ 爆破孔间距８ ｍ， 耦合装药爆破应力波传播及裂纹扩展规律 Ｆｉｇ．６ Ｂｌａｓｔｉｎｇ ｈｏｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ ８ ｍ，ｓｔｒｅｓｓ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｃｏｕｐｌｅｄ ｃｈａｒｇｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ 由图１ ～图６可以看出 随着孔间距的增加应 力波发生叠加现象的时间越晚， 且应力波叠加效应 会沿着爆破孔连线的中心处垂直方向发展； 不耦合 装药破碎圈半径明显小于耦合装药破碎圈半径。经 量取孔间距为６ ｍ， 不耦合系数为１． ２５时， 粉碎圈 半径为１５５ ｍｍ， 是６种爆破模型中最小， 孔间距为 ４ ｍ， 耦合装药时， 粉碎圈半径为２１２ ｃｍ， 是６种爆 破模型中最大； 不耦合装药裂隙圈半径明显大于耦 合装药裂隙圈半径， 孔间距为６ ｍ， 不耦合系数为 １． ２５时， 裂隙圈半径为３５００ ｍｍ， 是６种爆破模型 中最大， 孔间距为４ ｍ， 耦合装药时， 裂隙圈半径为 ２１８０ ｍｍ， 是６种爆破模型中最小。 炸药在无限介质中爆炸初期， 作用在药室壁面 上的初始压力远远高于煤岩体的抗压能力， 致使药 包附近产生粉碎破坏，且消耗能量较多。对比 图１ ～图６， 可以看出， 孔间距为６ ｍ时， 不耦合系数 为１． ２５时， 裂纹密度最均匀， 裂隙圈半径最大。原 因一 爆破孔孔间距越小， 叠加应力衰减就会越快， 致使能量浪费， 从而影响裂纹的扩展； 若孔间距越 大， 虽然叠加应力衰减很慢， 但发生叠加应力效应前 的原始应力就会越小， 达不到煤岩材料的失效准则， 煤体裂隙的就不会继续扩展。原因二 不耦合装药 粉碎圈半径， 能量损失小。综合所得最佳爆破孔间 距为６ ｍ， 不耦合系数１． ２５。 ２． ２ 单元压力峰值对比分析 为了对比分析６种爆破模型爆炸应力波在炮孔 周围岩体的分布和衰减规律， 对每个计算模型的炮 孔连心线的中心位置单方向每隔５０ ｃｍ选取一个典 型单元， 直至炮孔周围粉碎圈处。将单元压力随着 炮孔连心线与中心单元位置的距离变化趋势拟合成 曲线， 如图７所示。从图７变化曲线可以看出， 在沿 炮孔连心线走向方向，６种计算模型单元压力峰值 变化趋势是一致的， 随着应力波向炮孔连心线的中 心位置传播各单元压力急剧衰减。当应力波在两炮 孔中心位置叠加时， 单元压力有所增加， 更易于裂纹 在炮孔中心处垂直方向的扩展。对比相同孔间距模 型， 可以发现不耦合系数１． ２５的炮孔周围单元压力 峰值大于耦合装药的炮孔周围单元压力， 这说明了 ８７爆 破 ２０２０年１２月 万方数据 耦合装药起爆时在炮孔粉碎圈损耗了大量能量。 图７ 不同爆破模型单元压力随着炮孔连心线与 中心单元位置的距离变化曲线 Ｆｉｇ． ７ Ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｅｌｅｍｅｎｔ ｖａｒｉｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｌｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ ３ 现场爆破试验 为验证数值模拟的合理性， 在新安煤矿１５１５０ 工作面瓦斯巷分别进行了炮孔间距为４ ｍ、６ ｍ、８ ｍ 两孔连续爆破的爆破试验， 分别采用耦合装药结构 和不耦合装药结构， 对６个试验区爆破孔中间位置 考察孔进行了为期１５ ｄ的瓦斯浓度及流量观测， 如 图８所示。间距６ ｍ、８ ｍ， 不耦合系数１． ２５， 爆破试 验考察孔累计瓦斯抽采纯量分别为４６５ ｍ３、３８５ ｍ３， 抽采效果明显， 间距４ ｍ， 耦合装药时， 爆破试验考 察孔累计瓦斯抽采纯量为２９０ ｍ３， 抽采效果不佳。 说明双孔爆破试验两爆破孔间距在６ ｍ、８ ｍ范围内 对煤层均产生了有效的塑性破坏， 但６ ｍ的效果更 好， 这与数值模拟中两爆破孔合理布置间距为６ ｍ， 不耦合系数１． ２５一致。 图８ 不同炮孔间距、 装药结构爆破试验 考察孔累计瓦斯抽采纯量 Ｆｉｇ． ８ Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｇａｓ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｐｕｒｉｔｙ ｏｆ ｈｏｌｅｓ ｉｎ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｔｅｓｔｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈｏｌｅ ｓｐａｃｉｎｇ ａｎｄ ｃｈａｒｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ４ 结论 （１） 爆破应力波在煤体中的传播以爆破中心为 起点， 呈圆形向四周传播， 随着孔间距的增加应力波 发生叠加现象的时间越晚， 且随着爆破距离的增大 不断衰减， 应力波叠加效应会沿着爆破孔连线的中 心处垂直方向发展。 （２） 煤体双孔连续爆破模型， 不耦合装药破碎 圈半径明显小于耦合装药破碎圈半径， 作用于粉碎 圈的爆炸能量消耗小， 有利于爆破应力波传播及裂 纹扩展， 且裂纹密度均匀； 不耦合装药裂隙圈半径明 显大于耦合装药裂隙圈半径， 能够显著提高低透气 性煤层瓦斯的抽采效率。 （３） 炮孔间距为４ ｍ时， 炮孔水平方向及２个 爆破孔连线的中心处垂直方向煤体裂纹扩展良好， 但在炮孔中心４５方向裂纹发育不好； 炮孔间距为 ８ ｍ时， 不耦合装药煤体裂纹扩展明显好于耦合装 药， 而在耦合装药时， 爆破孔连线的中心处垂直方向 及炮孔中心４５方向煤体裂纹扩展不好； 炮孔间距 为６ ｍ， 不耦合系数１． ２５时， 裂纹密度最均匀， 裂隙 圈半径最大。 （４） 依据新安煤矿的煤质条件， 双孔爆破模型 两爆破孔合理布置间距为６ ｍ，不耦合装药系数 １． ２５。 孔距６ ｍ与８ ｍ爆破模型均在爆破孔连心线 中点附近的单元产生了塑性破坏， 但孔距６ ｍ比孔 距８ ｍ爆破孔模型产生的塑性破坏强烈， 可以显著 提高煤层瓦斯渗透率， 数值模拟结果与现场试验数 据基本吻合。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） ［１］ 郑福良．深孔预裂爆破技术在煤矿井下的应用［Ｊ］．爆 破，１９９７，１４（４） ５８-６１． ［１］ ＺＨＥＮＧ Ｆｕ-ｌｉａｎｇ． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｅｐ-ｈｏｌｅ ｐｒｅｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｂｌａｓ-ｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ［Ｊ］． Ｂｌａｓｔｉｎｇ， １９９７，１４（４） ５８-６１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［２］ 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ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｇａｓ ｅｘｔｒａ- ｃｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｄｅｅｐ ｈｏｌｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ［Ｊ］． Ｊｏｕｒ- ｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２０１２，３７（３） ４７２-４７６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［６］ 谭 波， 何杰山， 潘凤龙．深孔预裂爆破在低透性高突 煤层中的应用与分析［Ｊ］．中国安全科学学报，２０１１， ２１（１１） ７２-７８． ［６］ ＴＡＮ Ｂｏ，ＨＥ Ｊｉｅ-ｓｈａｎ，ＰＡＮ Ｆｅｎｇ-ｌｏｎｇ． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ａ- ｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｅｅｐ ｈｏｌｅ ｐｒｅ-ｓｐｌｉｔ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｉｎ ｌｏｗ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｕｔｂｕｒｓｔ ｃｏａｌ ｓｅａｍ［Ｊ］． Ｃｈｉｎａ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｊｏｕｒｎａｌ，２０１１，２１（１１） ７２-７８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［７］ 梁 冰， 丁学丞， 孙维吉， 等．低透气性煤层双孔预裂 爆破增透数值模拟［Ｊ］．爆破，２０１４，３１（２） ８４-９０． ［７］ ＬＩＡＮＧ Ｂｉｎｇ，ＤＩＮＧ Ｘｕｅ-ｃｈｅｎｇ，ＳＵＮ Ｗｅｉ-ｊｉ，ｅｔ ａｌ． Ｎｕｍｅｒ- ｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｂｙ ｄｏｕｂｌｅ ｈｏｌｅ ｐｒｅｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｉｎ ｌｏｗ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｃｏａｌ ｓｅａｍ［Ｊ］． Ｂｌａｓｔｉｎｇ，２０１４，３１（２） ８４-９０．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［８］ 蔡 峰， 刘泽功， 张朝举， 等．高瓦斯低透气性煤层深 孔预裂爆破增透数值模拟［Ｊ］．煤炭学报，２００７， ３２（５） ４９９-５０３． ［８］ ＣＡＩ Ｆｅｎｇ，ＬＩＵ Ｚｅ-ｇｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｃｈａｏ-ｊｕ，ｅｔ ａｌ． Ｎｕｍｅｒｉ- ｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｂｙ ｄｅｅｐ-ｈｏｌｅ ｐｒｅ- ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｉｎ ｌｏｏｓｅ-ｓｏｆｔ ａｎｄ ｌｏｗ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｃｏａｌ ｓｅａｍ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００７，３２（５） ４９９-５０３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［９］ 刘泽功， 蔡 峰， 肖应祺．煤层深孔预裂爆破卸压增透 效果数值模拟分析［Ｊ］．安徽理工大学学报（自然科学 版） ，２００８，２８（４） １６-２０． ［９］ ＬＩＵ Ｚｅ-ｇｏｎｇ，ＣＡＩ Ｆｅｎｇ，ＸＩＡＯ Ｙｉｎｇ-ｑｉ． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａ- ｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌｅａｓｅ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉ- ｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ ｃｏａｌ ｓｅａｍｓ ｂｙ ｄｅｅｐ-ｈｏｌｅ ｐｒｅｓｐｌｉｔｔｌｉｎｇ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） ，２００８，２８（４） １６-２０．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［１０］ 徐 伟．高瓦斯低透气煤层松动爆破有效影响范围 确定［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１１，３９（８） ４６-４９． ［１０］ ＸＵ Ｗｅｉ． Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｔａｎｄｉｎｇ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｇａｓｓｙ ａｎｄ ｌｏｗ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｓｅａｍ［Ｊ］． Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１，３９（８） ４６-４９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［１１］ 刘 健， 刘泽功， 高 魁， 等．不同装药模式爆破载荷 作用下煤层裂隙扩展特征试验研究［Ｊ］．岩石力学与 工程学报，２０１５，３３（１２） １-８． ［１１］ ＬＩＵ Ｊｉａｎ，ＬＩＵ Ｚｅ-ｇｏｎｇ，ＧＡＯ Ｋｕｉ，ｅｔ ａｌ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｃｒａｃｋ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｃｈａｒｃａｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｌｏａｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｍｏｄｅ［Ｊ］． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５， ３３（１２） １-８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［１２］ 穆朝民， 王海露， 黄文尧， 等．高瓦斯低透气性煤体定 向聚能爆破增透机制［Ｊ］．岩土力学，２０１３，３４（９） ２４９６-２５００． ［１２］ ＭＵ 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