基于UDEC煤体深孔预裂控制爆破数值模拟研究

基于UDEC煤体深孔预裂控制爆破数值模拟研究

谢烽;曹攀;郝永亮

【摘要】通过定义煤体爆破损伤本构模型，利用fish语言编写计算代码，选择高

斯脉冲函数作为爆炸波输入动力荷载，设置静态边界条件和对称边界条件，划分有限差分网格，建立了UDEC煤体深孔预裂控制爆破损伤模型，分析了煤体中距炮

孔不同距离处爆炸应力波传播规律以及煤体爆破损伤区的扩展过程。研究结果表明：煤体中爆炸应力波随径向裂隙的扩展呈非线性指数衰减；煤体爆破损伤的最大损伤半径为3 m，且炸药起爆至煤体损伤破坏时间很短，大约为5·11 ms；煤体深孔

预裂控制爆破最优炮孔间距为6 m。%The UDEC coal deep-hole preplitting blasting damage constitutive model of coal seam was set up by means of using fish language to edit calculation code,choosing Gaussian source function as input of explosive waves dynamic loading,applying quiet boundaries and dividing blocks into deformable triangular finite-difference zones. Through analyzing the propagating laws of blasting stress wave in coal seam and the expansion of blasting damage zone,the results shows that the explosion stress waves propagated as a nonlinear-exponential dissipation trend. Mean-while,the radius of explosion damage in coal seam reached the maximum value 3 m. Moreover,the time between the ignition and the damage to coal seam was extremely short with about 5. 11 ms. Furthermore,the optimal hole spacing of deep-hole pre-splitting explosion was obtained as 6 m.

【期刊名称】《爆破》

【年(卷),期】2016(033)001

【总页数】5页(P73-77)

【关键词】离散元;深孔预裂控制爆破;数值模拟;爆炸应力波

【作者】谢烽;曹攀;郝永亮

【作者单位】中国矿业大学北京力学与建筑工程学院，北京100083;安徽理工大学化学工程学院，淮南232001;中国矿业大学北京力学与建筑工程学院，北京100083

【正文语种】中文

【中图分类】TU452

煤与瓦斯突出是危害煤矿安全生产的主要因素之一。随着煤矿开采深度加大，采掘进度加快，矿井瓦斯突出量明显增加。煤体深孔预裂爆破能够增加煤层透气性，提高抽采率，可以有效地减少瓦斯突出。文献[1-4]研究了爆破施工工艺和爆破后瓦斯抽采效果，文献[5]应用模型试验研究了煤体爆破裂纹扩展规律，文献[6]和[7]利用LS-DYNA3D研究了煤层预裂爆破裂隙形成与发育情况，但关于煤体深孔预裂爆破机理的相关理论研究还远滞后于工程应用。

离散元法是一种经实践证明且广泛适用的数值模拟方法,在某些问题的计算中,其具有传统的基于连续性变形假设的数值方法无法比拟的独特优势[8]。

UDEC(Universal Distinct Element Code)用于研究非连续介质，例如节理岩体、块体等，在静态与动态荷载作用下的响应具有独特的优势[9,10]，UDEC常用于采矿工程，研究者已利用该程序进行了深部地下采矿洞室的静态与动态分析[10]，但在煤体深孔预裂爆破中的应用尚未见报道，为了更深入研究煤体深孔预裂爆破，尝

试用离散元UDEC数值模拟煤体深孔预裂爆破。

1.1 煤体物理力学参数

煤体物理力学参数如表1[11]。

1.2 数值计算模型

建立UDEC煤体深孔预裂控制爆破损伤模型，如图1(a)所示。由于煤体深孔预裂

爆破炮孔装药长度较长，因此将其简化为二维平面应变进行研究。其在x轴方向

长16 m，在y轴方向长4 m。炮孔直径为0.09 m。因为问题关于x轴和y轴对称，仅取1/4区域作为数值模拟对象。在UDEC中，通过GENERATE命令划分有限差分网格；通过BOUNDARY xvel和BOUNDARY yvel命令使在左边界和底边界产生轴对称边界，参见图1；通过DAMP命令确定最小中心频率和最小临界Rayleigh阻尼比。

1.3 本构模型

煤岩体等脆性材料在动载荷下发生损伤，损伤随着时间在积累，并且是不可逆的，对于各项异性的煤岩体材料，损伤演变方程为[12]

式中：D为i方向的损伤变量；V0为单元的体积；Ci为i方向的裂纹密度，其大

小由式(2)确定。

式中：αi为i方向材料常数；βi为i方向材料常数；εi为i方向的主应变；t为断

裂时的历时；εcri为临界拉应变。与煤岩体材料相关的常数αi、βi和εcri由

材料动态破裂属性决定，理论上应由煤岩体材料的三轴动态拉伸试验来获得，但一般来讲这种三轴拉伸试验很难实现，因为煤体在应力波的作用下，其三个主轴方向不仅产生拉应变还会形成压缩应变。在式(2)中，αi、βi和εcri的数值通常是通过

煤岩体的单轴拉伸试验来获得。

在单轴拉伸试验中，临界拉伸应变符合如下关系

式中：σsti为抗拉强度；为i方向等效初始损伤变量；为i方向的等效弹性模量，)。