第6期 龚敏等：多层煤一岩介质中扇形深孔爆破应力场特性 ·615· 有普遍意义的某矿实际工程为背景，利用爆破理论 及动态数值模拟方法，针对岩巷穿层深孔爆破中常 见的爆破孔与相邻抽放孔的不同位置关系、爆破 时不同介质的受力状况进行分析.主要研究如下 煤层 问题：在穿层深孔爆破条件下，合理而较准确的建 模方法：装药段不同位置应力的分布及传播特性， 煤层 1 与爆破孔不同角度抽放孔在孔口及孔底应力场的 2”爆破孔 对比；煤一岩介质条件下应力场与全煤介质爆破时 4 的比较 1布孔设计与建模 1.1布孔设计 实验矿+700m水平C15底抽巷2号石门处煤 图2爆破孔和抽放钻孔布置平面图 层变化复杂，煤层从2号石门处与巷道近似垂交后 Fig.2 Plan layout for blasting and draining holes 变为与巷道轴向平行，产生约90°扭转.导致瓦斯压 与ALE空间利用流固耦合实现计算. 力急剧增大，在石门附近钻孔时多次发生喷孔、顶钻 建模尺寸与井下爆破实验地点煤、岩赋存及爆 现象，经钻探查明煤层共2~3层，其间为炭质泥岩， 破设计相同，模型长13.48m,宽7.5m,高1m,沿炮 需对此处煤层爆破消突 孔轴线方向依次为3m的煤层、3m的岩石层和1.5 根据现场实测，爆破孔在穿越岩柱后再穿煤一 m煤层（图3），采用solid164单元.网格的局部加密 岩-煤层，各层长度分别为10、3、3和1.5m.与爆破 通过过渡网格实现，孔壁周围的网格尺寸接近于炸 孔呈扇形布置的是抽放孔，为便于比较不同孔口、孔 药单元，然后逐渐过渡到外层的大尺寸单元.爆破 底距的应力变化，设计1、4和5号抽放孔与爆破孔 孔内的炸药单元尺寸为0.016m×0.008m×0.007 方位角分别为10°、13°和16°，所有孔均在一个平面 m,长宽比为2；与炸药共节点的孔壁单元尺寸为 上.根据四个孔的空间关系，确定对三个抽放孔的 0.02m×0.01m×0.016m,长宽比为2，然后逐渐过 孔口最小抵抗线为1.90、2.92和5.41m,孔底最小 渡到0.16m×0.15m×0.14m,长宽比约为1.过渡 抵抗线分别为3.22、4.64和8.77m.炮孔、抽放空 网格之外的部分用扫略方法进行网格划分，扫略形 孔的距离关系如图1和2所示.采用孔口起爆 成的网格单元数为234858 方式 2”爆被孔 2石门 +700mC15底抽巷 图3计算模型图 Fig.3 Computation model 图1爆破孔和抽放孔位置三维视图 Fig.I Three-dimensional view for the layout of blasting and draining 煤岩层均采用LS-DYNA中的弹塑性硬化本构 holes 模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC).此模型中切线 1.2建模 模量是双线性材料达到屈服强度后的硬化模量，为 利用通用动力分析软件LS-DYNA3D回进行数 达到屈服强度后的应力一应变比.模型考虑了材料 值模拟计算.采用可以解决大变形问题的ALE算 的强化效应（随动强化与各向同性强化）和随应变 法，优点是兼具拉格朗日方法和欧拉方法的特长. 率变化而强化的特性，模型本身带有失效应变.此 将煤层和岩层建为拉格朗日空间，煤层与岩层之间 外，通过添加MAT_ADD_EROSION关键字来定义材 采用共节点连接.炸药与空气建为ALE空间，炸药 料的受压破坏，即当材料达到抗压强度后，单元失效 与空气之间采用共节点连接.最后将拉格朗日空间 被删除第 6 期 龚 敏等: 多层煤--岩介质中扇形深孔爆破应力场特性 有普遍意义的某矿实际工程为背景，利用爆破理论 及动态数值模拟方法，针对岩巷穿层深孔爆破中常 见的爆破孔与相邻抽放孔的不同位置关系、爆破 时不同介质的受力状况进行分析． 主要研究如下 问题: 在穿层深孔爆破条件下，合理而较准确的建 模方法; 装药段不同位置应力的分布及传播特性， 与爆破孔不同角度抽放孔在孔口及孔底应力场的 对比; 煤--岩介质条件下应力场与全煤介质爆破时 的比较． 1 布孔设计与建模 1. 1 布孔设计 实验矿 + 700 m 水平 C15 底抽巷 2 号石门处煤 层变化复杂，煤层从 2 号石门处与巷道近似垂交后 变为与巷道轴向平行，产生约 90°扭转． 导致瓦斯压 力急剧增大，在石门附近钻孔时多次发生喷孔、顶钻 现象，经钻探查明煤层共 2 ～ 3 层，其间为炭质泥岩， 需对此处煤层爆破消突． 根据现场实测，爆破孔在穿越岩柱后再穿煤-- 岩--煤层，各层长度分别为 10、3、3 和 1. 5 m． 与爆破 孔呈扇形布置的是抽放孔，为便于比较不同孔口、孔 底距的应力变化，设计 1、4 和 5 号抽放孔与爆破孔 方位角分别为 10°、13°和 16°，所有孔均在一个平面 上． 根据四个孔的空间关系，确定对三个抽放孔的 孔口最小抵抗线为 1. 90、2. 92 和 5. 41 m，孔底最小 抵抗线分别为 3. 22、4. 64 和 8. 77 m． 炮孔、抽放空 孔的距 离 关 系 如 图 1 和 2 所 示． 采 用 孔 口 起 爆 方式． 图 1 爆破孔和抽放孔位置三维视图 Fig． 1 Three-dimensional view for the layout of blasting and draining holes 1. 2 建模 利用通用动力分析软件 LS--DYNA3D［12］进行数 值模拟计算． 采用可以解决大变形问题的 ALE 算 法，优点是兼具拉格朗日方法和欧拉方法的特长． 将煤层和岩层建为拉格朗日空间，煤层与岩层之间 采用共节点连接． 炸药与空气建为 ALE 空间，炸药 与空气之间采用共节点连接． 最后将拉格朗日空间 图 2 爆破孔和抽放钻孔布置平面图 Fig． 2 Plan layout for blasting and draining holes 与 ALE 空间利用流固耦合实现计算． 建模尺寸与井下爆破实验地点煤、岩赋存及爆 破设计相同，模型长 13. 48 m，宽 7. 5 m，高 1 m，沿炮 孔轴线方向依次为 3 m 的煤层、3 m 的岩石层和 1. 5 m 煤层( 图 3) ，采用 solid164 单元． 网格的局部加密 通过过渡网格实现，孔壁周围的网格尺寸接近于炸 药单元，然后逐渐过渡到外层的大尺寸单元． 爆破 孔内的炸药单元尺寸为 0. 016 m × 0. 008 m × 0. 007 m，长宽比为 2; 与炸药共节点的孔壁单元尺寸为 0. 02 m × 0. 01 m × 0. 016 m，长宽比为 2，然后逐渐过 渡到 0. 16 m × 0. 15 m × 0. 14 m，长宽比约为 1． 过渡 网格之外的部分用扫略方法进行网格划分，扫略形 成的网格单元数为 234 858． 图 3 计算模型图 Fig． 3 Computation model 煤岩层均采用 LS--DYNA 中的弹塑性硬化本构 模型( MAT_PLASTIC_KINEMATIC) ． 此模型中切线 模量是双线性材料达到屈服强度后的硬化模量，为 达到屈服强度后的应力--应变比． 模型考虑了材料 的强化效应( 随动强化与各向同性强化) 和随应变 率变化而强化的特性，模型本身带有失效应变． 此 外，通过添加 MAT_ADD_EROSION 关键字来定义材 料的受压破坏，即当材料达到抗压强度后，单元失效 被删除． ·615·