郭德勇等：装药结构对煤层深孔聚能爆破增透的影响 ·1489· 煤炭是我国的主要能源]，在一次能源生产和 y 消费结构中比重分别占76%和66%.我国煤矿瓦 斯事故频发的主要原因是煤层透气性低，瓦斯抽采 聚能药包 困难].针对煤层透气性低的特点，采用爆破强制 增透瓦斯抽采技术逐渐受到重视.国内外许多学者 进行了多种强化抽采瓦斯的实验研究，如利用煤层 高压注水、水力割缝、松动爆破、聚能爆破等技术来 提高煤层透气性[3-).其中，聚能爆破增透致裂机 爆破孔 理研究取得重要进展1-14].在聚能爆破增透致裂 机理研究中，均针对同心不耦合装药结构进行分析， 图1不耦合装药结构图 但在煤层深孔聚能爆破现场试验中，由于重力作用 Fig.1 Section view of decoupled charge structure 聚能药包会贴在爆破孔下沿，形成偏心不耦合装药 面直角坐标系，此时爆破孔壁上任意方向的径向装 结构.针对装药结构对爆破的影响进行了大量研 药不耦合系数K为： 究，Rollins与Ucartis)建立了一种非对称不耦合装药 K= LoB=R -sin 结构模型，用以计算爆破孔壁上任意一点所受爆炸 LoA rosin a sin a 载荷；宗琦与孟德君16通过分析爆炸能量在爆破孔 (1) 界面的折射反射规律，对不同装药结构对爆炸能量 式中，R为爆破孔半径，。为聚能药包半径，h为聚能 传递的影响进行了研究.刘优平等运用数值模 药包中心O与爆破孔中心O'的距离，h∈[0，R- 拟方法对不同装药量、不同不耦合系数的6种装药 r。].已知爆破孔半径为44.5mm,聚能药包半径为 结构进行研究，结合现场试验确定了最佳的深孔爆 25mm,将数据带人式(1)，利用MATLAB软件可得 破装药结构.岳中文等1]采用动态焦散线实验，对 不耦合系数K随a及h的变化规律，如图2所示. 在偏心不耦合装药结构下不同切槽形状对爆源近区 裂纹动态力学特征的影响进行了研究.在深部煤层 2.4 进行深孔聚能爆破增透试验时，煤层处于高地应力、 3.0 2.2 高地温环境，煤体的力学特征与浅部明显不同[)， 25 2.0 因此在探讨偏心不耦合装药结构对煤层深孔聚能爆 <2.0 破增透的影响时应考虑地应力因素.本文基于聚能 1.6 装药结构特点，结合平煤十矿己组煤层瓦斯地质条 1.5 1.4 件，研究了装药结构对煤层深孔聚能爆破增透的影 1.0 20 响，通过煤层深孔聚能爆破现场试验进行验证 3 23o50m6 1装药结构对煤体爆炸载荷影响分析 图2不耦合系数K随：及h的变化规律 Fig.2 Variation of decoupling coefficient K with a and h 在煤层进行深孔聚能爆破时，爆炸载荷作用下 煤体增透效果不仅与聚能流的侵彻作用、应力波和 由图2可知，当爆破孔中心与药包中心距离h 爆生气体综合作用紧密相关，也与装药结构密切相 不变时，随α逐渐增大，不耦合系数K随之减小；随 关.装药结构的合理选取直接影响到煤层裂隙范 h增加，K的变化范围逐渐增大 围，进而影响到瓦斯抽采效果.不耦合装药爆破可 1.2传入爆破孔壁的爆炸载荷分析 以降低传入爆破孔壁的应力波峰值，同时可以延长 根据不耦合装药结构特点，在竖直方向，即y轴 应力波作用时间.基于不耦合装药结构特点，对传 方向，可得传入爆破孔壁爆炸载荷P,为： 入爆破孔壁的爆炸载荷进行分析. P=oD: -6η-6N 1.1深孔聚能爆破装药结构 (2) 8 在煤层顺层进行深孔聚能爆破时，聚能药包受 式中，P为炸药密度，D为炸药爆速，n=lo/儿1为轴向 重力作用影响会出现偏移，形成偏心不耦合装药结 装药不耦合系数，，为爆破孔长度（除封孔长度），l, 构，如图1所示 为装药长度，N为压力增大系数 以图1中聚能药包剖面圆心0为原点，建立平 由式(2)可知，P随K的增大而减小，当h一定郭德勇等: 装药结构对煤层深孔聚能爆破增透的影响 煤炭是我国的主要能源[1] ,在一次能源生产和 消费结构中比重分别占 76% 和 66% . 我国煤矿瓦 斯事故频发的主要原因是煤层透气性低,瓦斯抽采 困难[2] . 针对煤层透气性低的特点,采用爆破强制 增透瓦斯抽采技术逐渐受到重视. 国内外许多学者 进行了多种强化抽采瓦斯的实验研究,如利用煤层 高压注水、水力割缝、松动爆破、聚能爆破等技术来 提高煤层透气性[3鄄鄄10] . 其中,聚能爆破增透致裂机 理研究取得重要进展[11鄄鄄14] . 在聚能爆破增透致裂 机理研究中,均针对同心不耦合装药结构进行分析, 但在煤层深孔聚能爆破现场试验中,由于重力作用 聚能药包会贴在爆破孔下沿,形成偏心不耦合装药 结构. 针对装药结构对爆破的影响进行了大量研 究,Rollins 与 Ucar [15]建立了一种非对称不耦合装药 结构模型,用以计算爆破孔壁上任意一点所受爆炸 载荷;宗琦与孟德君[16]通过分析爆炸能量在爆破孔 界面的折射反射规律,对不同装药结构对爆炸能量 传递的影响进行了研究. 刘优平等[17] 运用数值模 拟方法对不同装药量、不同不耦合系数的 6 种装药 结构进行研究,结合现场试验确定了最佳的深孔爆 破装药结构. 岳中文等[18] 采用动态焦散线实验,对 在偏心不耦合装药结构下不同切槽形状对爆源近区 裂纹动态力学特征的影响进行了研究. 在深部煤层 进行深孔聚能爆破增透试验时,煤层处于高地应力、 高地温环境,煤体的力学特征与浅部明显不同[19] , 因此在探讨偏心不耦合装药结构对煤层深孔聚能爆 破增透的影响时应考虑地应力因素. 本文基于聚能 装药结构特点,结合平煤十矿己组煤层瓦斯地质条 件,研究了装药结构对煤层深孔聚能爆破增透的影 响,通过煤层深孔聚能爆破现场试验进行验证. 1 装药结构对煤体爆炸载荷影响分析 在煤层进行深孔聚能爆破时,爆炸载荷作用下 煤体增透效果不仅与聚能流的侵彻作用、应力波和 爆生气体综合作用紧密相关,也与装药结构密切相 关. 装药结构的合理选取直接影响到煤层裂隙范 围,进而影响到瓦斯抽采效果. 不耦合装药爆破可 以降低传入爆破孔壁的应力波峰值,同时可以延长 应力波作用时间. 基于不耦合装药结构特点,对传 入爆破孔壁的爆炸载荷进行分析. 1郾 1 深孔聚能爆破装药结构 在煤层顺层进行深孔聚能爆破时,聚能药包受 重力作用影响会出现偏移,形成偏心不耦合装药结 构,如图 1 所示. 以图 1 中聚能药包剖面圆心 O 为原点,建立平 图 1 不耦合装药结构图 Fig. 1 Section view of decoupled charge structure 面直角坐标系,此时爆破孔壁上任意方向的径向装 药不耦合系数 K 为: K = lOB lOA = R r0 sin 琢 sin [ 仔 - 琢 - arcsin ( h R sin 琢 ) ] (1) 式中,R 为爆破孔半径,r0为聚能药包半径,h 为聚能 药包中心 O 与爆破孔中心 O忆的距离,h沂[0,R - r0 ]. 已知爆破孔半径为 44郾 5 mm,聚能药包半径为 25 mm,将数据带入式(1),利用 MATLAB 软件可得 不耦合系数 K 随 琢 及 h 的变化规律,如图 2 所示. 图 2 不耦合系数 K 随 琢 及 h 的变化规律 Fig. 2 Variation of decoupling coefficient K with 琢 and h 由图 2 可知,当爆破孔中心与药包中心距离 h 不变时,随 琢 逐渐增大,不耦合系数 K 随之减小;随 h 增加,K 的变化范围逐渐增大. 1郾 2 传入爆破孔壁的爆炸载荷分析 根据不耦合装药结构特点,在竖直方向,即 y 轴 方向,可得传入爆破孔壁爆炸载荷 Pt为: Pt = 籽0D 2 8 K - 6 浊 - 6N (2) 式中,籽0为炸药密度,D 为炸药爆速,浊 = l 0 / l 1为轴向 装药不耦合系数,l 0为爆破孔长度(除封孔长度),l 1 为装药长度,N 为压力增大系数. 由式(2)可知,Pt随 K 的增大而减小,当 h 一定 ·1489·