郭德勇等：煤层深孔聚能爆破有效致裂范围探讨 ·583· affected area has certain zoning characteristics,and the crushed,crack-intensive,and main crack-propagation zones are the main com- ponents of the effective fracture zone. KEY WORDS seam permeability improved;cumulative blasting;crack propagation;cracking zone;coal-seam-gas drainage 随着煤矿开采深度的增加，高瓦斯低透气性煤 能药卷起爆时，聚能罩在高温高压爆轰波作用下被 层日益增多，瓦斯抽采难度增加，煤与瓦斯突出倾向 压垮变形而形成聚能射流[3]，由于聚能射流作用 性加大.如何增大煤层透气性系数、提高瓦斯抽采 面较小，在侵彻点处的煤体中产生强烈的压缩应力 率，预防或减少瓦斯事故的发生，确保煤矿安全高效 及伴生切向拉伸应力，致使煤体快速破裂而形成侵 生产是当前亟待解决的技术难题2].实践结果表 彻槽（初始导向裂隙），为后续爆生气体继续扩展裂 明，深孔聚能爆破致裂技术在促进煤体裂隙扩展和 隙提供方向：而在炸药的其他部位，爆轰波相对均匀 提高煤层透气性方面具有一定的优势，为解决高瓦 向外传播，可视为煤体受到均匀分布的压缩应力. 斯低透气性煤层瓦斯抽采问题提供了新途径，并取 侵彻槽形成后，在爆生气体的准静态压力作用下，裂 得了良好的应用效果[3-] 隙尖端产生应力集中，当煤体所受应力强度大于其 近年来，国内外相关专家学者对炸药爆炸致 动态抗拉强度时，裂隙开始发育与扩展，继而形成一 裂煤岩体开展了大量的研究.根据炮孔周围煤岩 个较大范围的裂隙网. 体变形与破坏程度的差异，Kutter和Fairhurst]把 爆破破坏区分为扩腔区、破碎区和弹性区3个区 爆破孔 聚能炸药 域.随后，弹性区又被划分为裂隙区和振动 区-].为了确定爆破后各个分区的范围，国内外 切向拉伸 学者采用理论分析、数值模拟和实验室实验等方 法开展了大量的研究工作.宗琦)通过分析爆炸 聚能射流 冲击波对裂隙扩展范围的影响，修正了裂隙区半 径的计算公式.高金石和张继春[综合考虑应力 径向压缩 空气 煤体 波和爆生气体对岩石破裂的影响，确定了压碎区 图1煤体聚能爆破致裂力学模型 和裂隙区半径的计算公式.戴俊[综合考虑冲击 Fig.1 Mechanical model of cumulative blasting with shaped charge 载荷下岩石的应变率效应和实际岩石的应力状 in a coal seam 态，基于Mises强度准则推导得出了柱状炸药在岩 石中爆炸所形成压碎区和裂隙区半径的计算公 在爆炸冲击载荷作用下，煤体中任一点的有效 式.Esen等[2]开展岩石爆破相似模型试验，通过 应力强度σ可表示为： 统计分析所得数据提出了爆破压碎区半径的统计 g,=[(,-g)2+(g。-g)2+(g:-g,)2]h 公式.Far和Wang1)提出了爆破压碎区半径的概 2 率预测公式.此外，一些研究者尝试采用LAC、 (1) AUTODYN和LS-DYNA等数值模拟软件来探讨爆 式中，σ，σ。和0分别为径向应力、切向应力和轴向 炸冲击载荷对裂隙扩展的影响1418].然而，由于 应力 炸药爆炸过程和煤体内部结构的复杂性，对聚能 根据Von Mises破坏准则)，当有效应力强度 爆破载荷下煤体裂隙分布特征及有效致裂范围的 不小于煤体的动态抗压强度时，煤体将被压缩破坏： 认识尚不够深人. 当有效应力强度不小于煤体的动态抗拉强度时，煤 本文在分析聚能爆破致裂机理及聚能爆破载荷 体将被拉伸破裂 下不同阶段煤体破坏机制的基础上，探讨各分区范 (0:≥0d (2) 围的判定准则，并结合数值模拟和工程试验研究聚 lg,≥0a 能爆破致裂分布特征及有效致裂范围. 式中，0和σa分别为冲击载荷下煤体的动态抗压 强度和动态抗拉强度 1煤层聚能爆破致裂分区研究 在冲击载荷下煤体的强度随其加载应变率变化 1.1聚能爆破致裂机制分析 而变化，其动态抗拉强度、动态抗压强度与加载应变 聚能爆破致裂煤体的力学模型如图1所示.聚 率之间的关系[920]：郭德勇等: 煤层深孔聚能爆破有效致裂范围探讨 affected area has certain zoning characteristics, and the crushed, crack鄄intensive, and main crack鄄propagation zones are the main com鄄 ponents of the effective fracture zone. KEY WORDS seam permeability improved; cumulative blasting; crack propagation; cracking zone; coal鄄seam鄄gas drainage 随着煤矿开采深度的增加,高瓦斯低透气性煤 层日益增多,瓦斯抽采难度增加,煤与瓦斯突出倾向 性加大. 如何增大煤层透气性系数、提高瓦斯抽采 率,预防或减少瓦斯事故的发生,确保煤矿安全高效 生产是当前亟待解决的技术难题[1鄄鄄2] . 实践结果表 明,深孔聚能爆破致裂技术在促进煤体裂隙扩展和 提高煤层透气性方面具有一定的优势,为解决高瓦 斯低透气性煤层瓦斯抽采问题提供了新途径,并取 得了良好的应用效果[3 - 5] . 近年来,国内外相关专家学者对炸药爆炸致 裂煤岩体开展了大量的研究. 根据炮孔周围煤岩 体变形与破坏程度的差异,Kutter 和 Fairhurst [6] 把 爆破破坏区分为扩腔区、破碎区和弹性区 3 个区 域. 随 后, 弹 性 区 又 被 划 分 为 裂 隙 区 和 振 动 区[7鄄鄄8] . 为了确定爆破后各个分区的范围,国内外 学者采用理论分析、数值模拟和实验室实验等方 法开展了大量的研究工作. 宗琦[9] 通过分析爆炸 冲击波对裂隙扩展范围的影响,修正了裂隙区半 径的计算公式. 高金石和张继春[10] 综合考虑应力 波和爆生气体对岩石破裂的影响,确定了压碎区 和裂隙区半径的计算公式. 戴俊[11] 综合考虑冲击 载荷下岩石的应变率效应和实际岩石的应力状 态,基于 Mises 强度准则推导得出了柱状炸药在岩 石中爆炸所形成压碎区和裂隙区半径的计算公 式. Esen 等[12]开展岩石爆破相似模型试验,通过 统计分析所得数据提出了爆破压碎区半径的统计 公式. Far 和 Wang [13]提出了爆破压碎区半径的概 率预测公式. 此外,一些研究者尝试采用 FLAC、 AUTODYN 和 LS鄄DYNA 等数值模拟软件来探讨爆 炸冲击载荷对裂隙扩展的影响[14鄄鄄18] . 然而,由于 炸药爆炸过程和煤体内部结构的复杂性,对聚能 爆破载荷下煤体裂隙分布特征及有效致裂范围的 认识尚不够深入. 本文在分析聚能爆破致裂机理及聚能爆破载荷 下不同阶段煤体破坏机制的基础上,探讨各分区范 围的判定准则,并结合数值模拟和工程试验研究聚 能爆破致裂分布特征及有效致裂范围. 1 煤层聚能爆破致裂分区研究 1郾 1 聚能爆破致裂机制分析 聚能爆破致裂煤体的力学模型如图 1 所示. 聚 能药卷起爆时,聚能罩在高温高压爆轰波作用下被 压垮变形而形成聚能射流[3鄄鄄5] ,由于聚能射流作用 面较小,在侵彻点处的煤体中产生强烈的压缩应力 及伴生切向拉伸应力,致使煤体快速破裂而形成侵 彻槽(初始导向裂隙),为后续爆生气体继续扩展裂 隙提供方向;而在炸药的其他部位,爆轰波相对均匀 向外传播,可视为煤体受到均匀分布的压缩应力. 侵彻槽形成后,在爆生气体的准静态压力作用下,裂 隙尖端产生应力集中,当煤体所受应力强度大于其 动态抗拉强度时,裂隙开始发育与扩展,继而形成一 个较大范围的裂隙网. 图 1 煤体聚能爆破致裂力学模型 Fig. 1 Mechanical model of cumulative blasting with shaped charge in a coal seam 在爆炸冲击载荷作用下,煤体中任一点的有效 应力强度 滓i可表示为: 滓i = 1 2 [(滓r - 滓兹) 2 + (滓兹 - 滓z) 2 + (滓z - 滓r) 2 ] 1 / 2 (1) 式中,滓r、滓兹和 滓z分别为径向应力、切向应力和轴向 应力. 根据 Von Mises 破坏准则[11] ,当有效应力强度 不小于煤体的动态抗压强度时,煤体将被压缩破坏; 当有效应力强度不小于煤体的动态抗拉强度时,煤 体将被拉伸破裂. 滓i逸滓cd 滓i逸滓 { td (2) 式中,滓cd和 滓td分别为冲击载荷下煤体的动态抗压 强度和动态抗拉强度. 在冲击载荷下煤体的强度随其加载应变率变化 而变化,其动态抗拉强度、动态抗压强度与加载应变 率之间的关系[19鄄鄄20] : ·583·