高应力低渗透煤层深孔爆破增透机理与效果

高应力低渗透煤层深孔爆破增透机理与效果

王海东

（煤炭科学研究总院沈阳研究院，辽宁抚顺113122）

摘要：采用Hoek－Brown（HB）准则转化得到的等效Mohr－Coulomb（MH）准则表征煤体的本

构特性，建立了高应力煤层深孔爆破的有限差分动力数值计算模型。通过数值解与理论解的对

比验证了FLAC3D动力模块模拟爆炸应力波在煤岩体介质中传播规律的有效性。在爆炸应力波、

爆生气体单独作用下以及两者共同作用下，对高应力煤层深孔爆破致裂增透过程进行了3种工

况的动力数值模拟，通过模拟得出深埋高应力煤体深孔预裂控制爆破影响的主要因素及作用机

理。

关键词：高应力低渗透煤层；深孔爆破；爆炸应力波；爆生气体

中图分类号：TD235．37文献标志码：A文章编号：1003－496X（2012）S0－0017－05

Enhancing Permeability Mechanism and Effectiveness of Deep－hole Blasting in

High Stressed and Low Permeable Coal Seam

WANG Hai－dong

（Shenyang Branch of China Coal Research Institute，Fushun113122，China）

Abstract：A finite difference dynamic numerical calculation model for high stressed coal seam deep－hole blasting was set up by using the equivalent MH criterion which transformed from HB criterion to represent the constitutive behavior of coal body．Through the com-parison between numerical solution and theoretical solution，the effectiveness of FLAC3D power module in simulating the propagation laws of blasting stress wave in coal or rock mass was verified．Under the respective action of blasting stress and detonation gas，or under the action of both of them，three dynamic simulations on coal permeability enhancement by deep－hole blasting were conducted，and the key factors and mechanisms affecting deep－hole controlled blasting in high stressed coal body are achieved by simulation．

Key words：high stressed and low permeable coal seam；deep－hole blasting；blasting stress wave；detonation gas

文献资料表明［1］，迄今国外开采深度超过千米以上的金属矿山至少在114座以上，中国开采深度千米以上的金属矿3座，煤矿至少17座。深埋煤层具有高压（高地应力、高瓦斯压力和高裂隙水压力）、高温和低渗透的特点。其中高地应力、高瓦斯压力和低渗透特性会使深埋煤层发生冲击地压、煤与瓦斯突出事故的频率和破坏严重程度均显著增大，给深部煤层开采带来安全隐患。因此，深部高应力低渗透煤层增透机理和效果的研究，对深埋煤层安全、经济、高效开采具有重要的理论意义和现实意义，同时也是实际工程急需解决的关键性问题。

深孔爆破是利用在煤层中引爆炸药，使炮孔周围产生大量径向裂隙，形成瓦斯流向抽采孔的渗流通道，同时降低煤体刚度，能使局部范围内煤层的应力得到释放，进而达到煤层防冲、防突的目的。深孔爆破增透技术起初是从浅孔采掘爆破中借鉴过来的。尽管深孔爆破工艺的增透效果已被工程实践证实比较良好［2］，但随着采深的增加，不可避免遇到高应力的低渗透煤层，那么深孔爆破增透技术在该情况下的增透效果和机理是否和中浅部煤层的相同，还有待于理论研究和现场检验。目前，大部文献对其研究主要集中在爆炸波的影响，虽然已有文献［3－4］指出深孔爆破生产的高压爆生气体对煤层增透的效果起主要作用，但迄今对深埋高应力煤层深孔爆破增透中爆生气作用的详细研究却未报道，为此，从理论分析角度，拟以数值模拟的方法，对深埋高应力低渗透煤层深孔爆破增透机理和效果进行深入研究。

1数值计算模型

利用FLAC3D有限差分软件的动力求解模块，对深孔爆破产生的爆炸波和高压爆生气体的致裂过程进行动力模拟，详细探究高应力煤层深孔爆破致裂的增透机理和效果。

1．1有限差分模型

选取处于静水压力状态埋深为800m，厚为30 m的煤层作为研究对象，上覆岩层平均密度为2500 kg/m3。因此，煤层内水平应力与竖向应力均为20 MPa。数值模型中炮孔两侧和底部煤（岩）体厚度均取100m，上覆岩层一直建至地表，模型平面法方向取单位长度。只考虑单一炮孔且将其布置在煤层中间，炮孔直径选取 90mm。地应力平衡的静力计算期间模型四周和底部法向位移为固定边界条件。动力计算期间模型四周和底部为粘弹性自由边界场条件，以吸收从炮孔爆炸内源传至模型边界的外行波。

1．2煤体的本构模型

引入广义Hoek－Brown（HB）准则来表征煤体的力学本构关系。广义HB准则是在Griffith理论和修正的Griffith理论基础上，通过对大量室内和现场岩石三轴试验数据的统计分析而建立起来的。广义HB准则的统一数学表达式为：

σ2=σ3+σci（m b σ3

σci

+s）a（1）

式中：σ2和σ3分别为煤岩体破坏时的最大和最小主应力，MPa；σci为完整岩块的单轴抗压强度，

MPa；m

b 、s、a均为煤岩体的材料常数。其中，m

b

反

映煤岩体的软硬程度，m b越大，煤岩体越坚硬；s反映煤岩体的破碎程度，s越小，煤岩体越破碎，其取值范围为0 1。上述3个材料常数可由试验确定，若在缺少试验数据情况下可按如下公式计算：

m

b =m

i

e（GSI－100

28

）（2）

s=e（GSI－100

9

）（3）

a=1

2

+

1

6

（e－GSI/15－e－20/B）（4）

式中：GSI为煤岩体的地质强度指标参数，由现场统计确定；m i为完整煤岩块的材料常数。

由于篇幅所限，关于煤体强度、煤体原生裂隙等因素对其增透效果的影响将在另文详细研究。煤体的HB模型参数见表1。

表1煤体HB本构模型参数

GSIσci/MPa m i s a m b E i/GPa

504570．0040．511．1735

以往理论分析和数值模拟研究大都采用Mohr －Coulomb（MH）准则来描述煤岩体的破坏行为。加之FLAC3D内嵌的MH本构可以描述煤体受拉破坏的力学行为，为此，数值模拟计算中煤体同样选取带拉伸破坏准则的MH模型。文献［5］给出了分段线性拟合HB模型获得等效MH模型参数的方法，HB模型转化MH模型参数的公式如下，其详细的推导过程见文献［5］。煤体MH本构模型参数见表2。

φ=sin－1

［

6am

b

（s+m

b

σ3n）a－1

2（1+a）（2+a）+6am

b

（s+m

b

σ3n）a－1

］（5）σcc=

σci［（1+2a）s+（1－a）m bσ3n］（s+m bσ3n）a－1

（1+a）（2+a）1+（6am b（s+m bσ3n）a－1）/（（1+a）（2+a

槡））

（6）

σ3n=σ3max/σci（7）

σ3max=0．47σcm（

σcm

ρgH

）－0．94（8）式中：σ3max为HB和MH两类模型拟合段的围压上限，σcm为煤体三轴抗压强度，ρ和H分别煤层上覆岩层平均密度和平均覆岩厚度。

表2煤体MH本构模型参数

σci

/MPa

σcc

/MPa

σcm

/MPa

φ

/（ʎ）

E i

/GPa

E cm

/GPa 0．152．711．1745351．1

注：σcc和σci分别是煤体的单轴抗压强度和单轴抗拉强度，σcm 是煤体的抗剪强度，E i和E cm分别为煤块和煤体的杨氏模量，φ为煤体的内摩擦角。

1．3爆炸荷载

试验研究和工程实践已经证实，炸药在引爆后炮孔内会生成迅速膨胀的高温、高压爆生气体，爆生气体撞击炮孔壁后在炮孔附近生成高峰值的爆炸冲击波，并将炮孔周围一定范围内的岩体压碎形成粉碎区；尽管粉碎区到炮孔中心的距离一般不超过2倍的炮孔半径，但冲击波在粉碎区内消耗了大量的能量，爆炸冲击波传过粉碎区之后将衰减为应力波，煤岩体在应力波的作用下将生产大量沿炮孔径向的拉伸裂隙，高压爆生气体后续流入裂隙内后将继续扩大裂隙的发展，此区域称为裂隙区。随着裂隙的扩展，应力波和爆生气体的能量也随之衰减，使得裂隙区之外的岩体不能继续产生裂隙，只是发生震动现象，该区域可称为震动区或弹性区。鉴于爆炸过程的瞬时性，很难精确测定爆生气体和爆炸波的压力峰值，加之后续煤岩体中生成裂隙时空分布规律的复杂性，更难精确测定裂隙内爆生气体的变化规律。为此，基于大量的试验研究和工程实践，对煤岩体爆破问题进行适当简化，发展了一些理论计算方