低透气煤层双孔预裂爆破增透有效影响范围研究.pdf

第37卷第4期 2020年12月 Vo l . 37 No . 4 Dec . 2020 bMg do i10. 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 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］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0242； TD235 文献标识码A 文章编号1001 -487X202004 - 0075 - 06 Study on Effective Influence Rang e of Permeability Enhancement by Double Hole Presplitting Blasting in Low Permeability Coal Seam WANG Gong-zhong1 ,ZHAO Wen-bin1 1. Sc h o o l o f Sa f et y En gin eer in g, Hen a n In st it u t e o f En gin eer in g, Zh en gzh o u 451191, Ch in a ； 2. Co l l ege o f Sa f et y a n d En v ir o n men t a l En gin eer in g, Sh a n do n g Un iv er sit y o f Sc ien c e a n d Tec h n o l o gy, Qin gda o 266590, Ch in a Abstract Th e per mea bil it y en h a n c emen t t ec h n o l o gy o f deep-h o l e pr e-spl it t in g bl a st in g c a n sign if ic a n t l y impr o v e t h e ex t r a c t io n ef f ic ien c y o ga s in l o w-per mea bil it y c o a l sea m. It is o f gr ea t sign if ic a n c e t o st u dy t h e in f l u en c e o f per mea bil it y en h a n c emen t by do u bl e-h o l e bl a st in g wit h dif f er en t spa c in gs a n d c h a r gin g st r u c t u r es o n t h e da ma ge r a n ge o f c o a l bo dy t o impr o v e ga s dr a in a ge r a t e. Ta kin g t h e No . 2-1 c o a l sea m o Xin a n Co a l min e a s t h e r esea r c h o bjec t, t h e pr o pa ga t io n pr o c ess o f st r ess wa v e a n d it s in f l u en c e o n t h e c o a l sea m f r o m do u bl e-h o l e c o n t in u o u s bl a st in g wer e st u d ied by n u mer ic a l simu l a t io n . Th e r esu l t s sh o w t h a t In t h e t wo -h o l e c o n t in u o u s bl a st in g mo del o c o a l bo dy, t h e r a diu s o f c r u sh in g c ir c l e o f u n c o u pl ed ex pl o siv e c h a r gin g st r u c t u r e is sma l l er t h a n t h a t o f c o u pl ed ex pl o siv e-c h a r gin g st r u c t u r e ,a n d t h e r a diu s o f f r a c t u r e c ir c l e is l a r ger t h a n t h a t o f c o u pl ed ex pl o siv e c h a r gin g st r u c t u r e, wh ic h is ben ef ic ia l t o t h e pr o pa ga t io n o bl a st in g st r ess wa v e a n d c r a c k pr o pa ga t io n, a n d t h e c r a c k den sit y is u n if o r m. By u sin g c o u pl ed ex pl o siv e c h a r gin g st r u c t u r e a n d u n c o u pl ed ex pl o siv e c h a r gin g st r u c t u r e, t h e simu l a t io n r esu l t s o f c o n t in u o u s det o n a t io n o t wo h o l es wit h spa c in gs o f 4 m,6 m a n d 8 m wer e c o mpa r ed wit h o n -sit e v er if ic a t io n . It wa s det er min ed t h a t t h e r ea so n a bl e spa c in g bet ween t wo bl a st in g h o l es in t h e pr espl it bl a st in g o f t h e No . 2-1 c o a l sea m o f Xin a n Co a l min e wa s 6m wit h a dec o u pl in g c o ef f ic ien t o f 1.25. Key Words c o a l a n d ga s o u t bu r st ； pr espl it bl a st in g ； u n c o u pl ed ex pl o siv e c h a r gin g st r u c t u r e ； spa c in g bet ween bl a st in g bo r eh o l es; n u mer ic a l simu l a t io n 76爆破2020年12月 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 果介句。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⑵。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 和增透效果的影响讯切。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「⑼。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⑴］。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「⑵。龚 敏⑴］、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［⑷ 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T 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 11新安煤矿预裂爆破工作面概况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、煤体结构达到皿 V类，煤层厚度变化大、透气性 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-ma il go n gzh w2845 163. c o mo 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-ma il zh wbl 976 163. c o m 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 差。其主采的二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/MPa2 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 c m,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6m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 c m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 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79 耦合装药起爆时在炮孔粉碎圈损耗了大量能量。 250 200 150 100 50 T-孔间距离4 m,不耦合系数1.25 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 炮孔连心线上选取单元与中心单元的距离/mm 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 Th e pr essu r e c u r v e o f dif f er en t bl a st in g mo del el emen t v a r ies wit h t h e dist a n c e bet ween t h e c en t er l in e a n d t h e c en t er el emen t 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6m.8m,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 m\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 n ,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致。 500 400 300 200 100 T-孔间距离4m,不耦合系数1.25 Y-孔间距离4m,耦合装药 -■-孔间距离8m,不耦合系数1.25 *孔间距离8m,耦合装药 亠孔间距离6m,不耦合系数1.25 亠孔间距离6m,耦合装药 0 2 4 6 8 10 12 14 16 时间/ 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 Cu mu l a t iv e ga s ex t r a c t io n pu r it y o f h o l es in bl a st in g t est s wit h dif f er en t h o l e spa c in g a n d c h a r ge st r u c t u r e 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,1997,14458-61. 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