第10期 郭德勇等：断层对深孔聚能爆破煤层增透的影响 ·1283· 卷的关键，材料为铝合金.取1/4模型，水平方向为 聚能方向，采用共用节点法定义炸药单元爆炸载荷 传递，数值模拟选择ALE算法，分别对有、无断层两 种情况的煤层深孔聚能爆破进行模拟 断层 煤壁 表1煤层深孔聚能爆破数值模拟材料模型 Table 1 Numerical simulation model of coal-ed deep-hole cumulative blasting 介质 材料模型关键字 炸药 封孔材料 炸药 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 聚能罩 MAT STEINBERG 图2爆破影响区存在断层与巷道连通 空气 MAT_NULL Fig.2 Connectivity of the fault and the roadway in the blast-affected 煤 MAT_PLASTIC_KINEMATIC zone 用有所不同.首先，聚能方向与非聚能方向的爆破 3.2结果分析 能量分布不同，断层的位置对能量传播影响也有所 3.2.1裂隙扩展模拟结果及分析 差异：其次，聚能流所形成的初始裂隙导致聚能方向 裂隙是煤层中气体流动的通道，爆破裂隙的 爆破能量集中，爆破裂隙密集，与巷道连通的断层存 生成和扩展对于煤层深孔聚能爆破增透效果有重 在时更易造成爆破能量逸散.综上可知，存在于聚 要影响，在*MAT_ADD_EROSION关键字中定义 能方向的断层对爆破安全性影响更大，若此断层为 煤体失效，利用此方法模拟爆破裂隙的形成，有或 封闭性断层，则断层反射应力波导致的爆破能量叠 无断层两种情况的模拟结果如图3所示.对于存 加易于诱导突出，若此断层与巷道连通，则更易于造 在断层的煤层深孔聚能爆破，爆炸冲击波传至断 成爆破能量的逸散. 层时发生反射和透射一反射波使断层内侧周边 煤体产生新生裂隙，并使原裂隙产生一定程度扩 3煤层深孔聚能爆破数值模拟 展，加剧断层内侧煤体的破坏：透射波强度大幅下 3.1模型建立 降，导致断层外侧煤体基本不产生裂隙，保存了断 利用ANSYS/.LS-DYNA软件s-Ia对煤层深孔 层外侧煤体的完整性.由裂隙扩展爆破模拟结果 聚能爆破进行数值模拟，为简化计算，将煤层深孔聚 可知，与无断层相比，存在断层的裂隙圈范围更 能爆破过程视为平面应变问题处理，从而利用二维 大，后者在聚能和非聚能方向分别为前者的1.15 壳单元建立有限元模型.模型由炸药、聚能罩、空气 和1.2倍，后者的裂隙圈半径为前者的1.33倍， 和煤体四种介质组成，材料模型定义如表1所示，空 且聚能方向裂隙增加较多.由此可知，断层对煤层 气介质表示无充填物的断层，聚能罩是制作聚能药 深孔聚能爆破裂隙扩展影响显著 a间 图3有或无断层煤层深孔聚能爆破裂隙扩展结果.(）无断层：(b)有断层 Fig.3 Structured surface or unstructured surface coal-bed deep hole-cumulative blasting fracture extending in different moments:(a)without fault: (b)with fault第 10 期 郭德勇等: 断层对深孔聚能爆破煤层增透的影响 图 2 爆破影响区存在断层与巷道连通 Fig． 2 Connectivity of the fault and the roadway in the blast-affected zone 用有所不同． 首先，聚能方向与非聚能方向的爆破 能量分布不同，断层的位置对能量传播影响也有所 差异; 其次，聚能流所形成的初始裂隙导致聚能方向 爆破能量集中，爆破裂隙密集，与巷道连通的断层存 在时更易造成爆破能量逸散． 综上可知，存在于聚 能方向的断层对爆破安全性影响更大，若此断层为 封闭性断层，则断层反射应力波导致的爆破能量叠 加易于诱导突出，若此断层与巷道连通，则更易于造 成爆破能量的逸散． 图 3 有或无断层煤层深孔聚能爆破裂隙扩展结果． ( a) 无断层; ( b) 有断层 Fig． 3 Structured surface or unstructured surface coal-bed deep hole-cumulative blasting fracture extending in different moments: ( a) without fault; ( b) with fault 3 煤层深孔聚能爆破数值模拟 3. 1 模型建立 利用 ANSYS /LS--DYNA 软件［15 － 16］对煤层深孔 聚能爆破进行数值模拟，为简化计算，将煤层深孔聚 能爆破过程视为平面应变问题处理，从而利用二维 壳单元建立有限元模型． 模型由炸药、聚能罩、空气 和煤体四种介质组成，材料模型定义如表 1 所示，空 气介质表示无充填物的断层，聚能罩是制作聚能药 卷的关键，材料为铝合金． 取 1 /4 模型，水平方向为 聚能方向，采用共用节点法定义炸药单元爆炸载荷 传递，数值模拟选择 ALE 算法，分别对有、无断层两 种情况的煤层深孔聚能爆破进行模拟． 表 1 煤层深孔聚能爆破数值模拟材料模型 Table 1 Numerical simulation model of coal-bed deep-hole cumulative blasting 介质 材料模型关键字 炸药 * MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BUＲN 聚能罩 * MAT_STEINBEＲG 空气 * MAT_NULL 煤 * MAT_PLASTIC_KINEMATIC 3. 2 结果分析 3. 2. 1 裂隙扩展模拟结果及分析 裂隙是煤层中气体流动的通道，爆破裂隙的 生成和扩展对于煤层深孔聚能爆破增透效果有重 要影响，在* MAT_ADD_EＲOSION 关键字中定义 煤体失效，利用此方法模拟爆破裂隙的形成，有或 无断层两种情况的模拟结果如图 3 所示． 对于存 在断层的煤层深孔聚能爆破，爆炸冲击波传至断 层时发生反射和透射———反射波使断层内侧周边 煤体产生新生裂隙，并使原裂隙产生一定程度扩 展，加剧断层内侧煤体的破坏; 透射波强度大幅下 降，导致断层外侧煤体基本不产生裂隙，保存了断 层外侧煤体的完整性． 由裂隙扩展爆破模拟结果 可知，与 无 断 层 相 比，存在断层的裂隙圈范围更 大，后者在聚能和非聚能方向分别为前者的 1. 15 和 1. 2 倍，后者的裂隙圈半径为前者的 1. 33 倍， 且聚能方向裂隙增加较多． 由此可知，断层对煤层 深孔聚能爆破裂隙扩展影响显著． · 3821 ·