高 魁， 劉澤功， 劉 健， 朱飛昊

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

隨著煤礦開(kāi)采深度的不斷增加，爆破技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如低透氣性煤層瓦斯抽采爆破增透[1-5]、堅(jiān)硬頂板弱化[6-7]、厚煤層綜放開(kāi)采堅(jiān)硬頂煤預(yù)先弱化[8]、爆破掘進(jìn)[9]、綜掘硬巖段深孔超前爆破[10]和石門(mén)揭煤[11]等等。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)爆破擾動(dòng)到松軟煤層，容易誘發(fā)煤與瓦斯突出等礦井動(dòng)力災(zāi)害。例如，2009年11月21日，新興煤礦在構(gòu)造復(fù)雜的南二石門(mén)探煤巷爆破誘發(fā)煤與瓦斯突出，造成108人死亡。2014年1月4日，中田煤礦主斜井掘進(jìn)工作面遇煤層變厚，放炮時(shí)工作面漏頂誘發(fā)煤與瓦斯突出，突出煤量約260 t，瓦斯量約2.4萬(wàn)m3，造成4人死亡。2014年6月11日，貴州新華煤礦1601工作面回風(fēng)巷2#聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)工作面從底板揭穿M6煤層，在揭煤過(guò)煤門(mén)階段放炮誘發(fā)煤與瓦斯突出，突出煤巖量約1 010 t，瓦斯量約12萬(wàn)m3，造成10人死亡，事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)揭煤區(qū)域煤層松軟變厚[12]。目前煤巖體爆破理論大都建立在均勻、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)上[13]，關(guān)于復(fù)雜地質(zhì)條件下爆破擾動(dòng)構(gòu)造松軟煤層的試驗(yàn)研究還不多見(jiàn)。

鑒于此，本文以爆破擾動(dòng)松軟煤層誘發(fā)煤與瓦斯突出為工程背景，針對(duì)爆破載荷作用下地質(zhì)構(gòu)造帶煤巖體的動(dòng)態(tài)應(yīng)力演化這一科學(xué)問(wèn)題，根據(jù)Froude 比例法結(jié)合相似理論在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行爆破擾動(dòng)松軟煤層的模擬試驗(yàn)，分析爆破載荷作用下試樣的力學(xué)特性，結(jié)合數(shù)值模擬分析其對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，為揭示爆破擾動(dòng)構(gòu)造松軟煤層誘導(dǎo)煤與瓦斯突出的發(fā)生機(jī)理提供理論研究基礎(chǔ)。

1 爆破擾動(dòng)松軟煤層模擬試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

在煤礦井下采用爆破技術(shù)進(jìn)行石門(mén)揭煤或者巷道掘進(jìn)有時(shí)會(huì)遇到地質(zhì)構(gòu)造帶、煤層厚度變化或構(gòu)造軟煤分層發(fā)育等情況，如圖1所示。

圖1 爆破擾動(dòng)松軟煤層示意圖

將現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)化構(gòu)建爆破掘進(jìn)擾動(dòng)松軟煤層的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，爆破孔從巖層開(kāi)始進(jìn)入松軟煤層。在實(shí)驗(yàn)室搭建爆破模擬試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?0 cm×50 cm×50 cm，試驗(yàn)時(shí)對(duì)爆破試樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力演變過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用高速攝像系統(tǒng)對(duì)爆破瞬間裂隙演化進(jìn)行拍攝。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

模型中應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，1#測(cè)點(diǎn)位于巖層中，距離煤巖交界面2 cm；2#和3#測(cè)點(diǎn)均位于煤層中，距煤巖交界面的距離分別為2 cm和6 cm。采用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)記錄爆破過(guò)程應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過(guò)應(yīng)變值反演出該點(diǎn)的應(yīng)力值。

圖3 爆破試樣應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

爆破模擬試驗(yàn)的原煤巖力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1，試驗(yàn)炸藥采用雷管和導(dǎo)爆索，爆破孔直徑設(shè)計(jì)為7.5 mm，長(zhǎng)度為130 mm，裝藥長(zhǎng)度為80 mm。

表1 爆破模擬試驗(yàn)煤巖力學(xué)參數(shù)

1.2 相似原理和試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)Froude相似定律[14]，實(shí)驗(yàn)時(shí)需要滿足比尺因數(shù)關(guān)系

Kσ=Kρ·Kl

(1)

其他需要滿足的關(guān)系式有

(2)

式中：m，p分別為試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮?；Ka為加速度比；Kε為應(yīng)變比；Kμ為泊松值比；KΦ為摩擦角比。長(zhǎng)度L、密度ρ和加速度a是基本變量，取加速度比為Ka=1。

模擬試驗(yàn)密度相似比取Kρ=ρm/ρp=0.66，應(yīng)力比取值Kσ=σm/σp=0.13，則長(zhǎng)度比Kl=lm/lp=0.2，可模擬現(xiàn)場(chǎng)2.5 m的煤巖體。

本次試驗(yàn)的材料配比參數(shù)見(jiàn)表2。

按照材料配比參數(shù)稱(chēng)量所需材料攪拌均勻后倒入模具，在預(yù)定位置預(yù)留爆破孔，同時(shí)在煤巖層中按照設(shè)計(jì)位置埋設(shè)應(yīng)變磚，試樣制作過(guò)程和應(yīng)變磚鋪設(shè)如圖4所示。

表2 爆破模擬試驗(yàn)相似材料配比參數(shù)

(a)(b)

圖4 模型制作和應(yīng)變磚埋設(shè)

Fig.4 Model making and brick laying

爆破模擬試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖5所示。試樣在室溫下養(yǎng)護(hù)20天后拆模，然后裝藥封孔，連接雷管導(dǎo)線和起爆器進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

(a)(b)

圖5 爆破試驗(yàn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

Fig.5 Blasting simulation test system and data monitoring

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)多組試驗(yàn)，選取典型的試驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。從圖中可以看出爆破瞬間巖體被粉碎拋出，發(fā)生了類(lèi)似突出的破碎拋擲過(guò)程。將爆破試樣從巖層部分剖開(kāi)，在松軟煤層炮孔周?chē)饕a(chǎn)生爆破粉碎圈，貫通裂紋較少。

(a) 爆破瞬間高速攝像照片(b) 爆破后煤巖交界面剖面

圖6 爆破瞬間和爆破后煤巖交界面裂縫

Fig.6 Blasting instant and the crack between coal and rock interface after blasting

根據(jù)預(yù)埋應(yīng)變磚所監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變值，反演出相應(yīng)位置的應(yīng)力變化曲線如圖7所示，圖中應(yīng)力值的正負(fù)說(shuō)明爆破應(yīng)力波的不同作用方向。

在0.5～1×10-4s時(shí)間段，為爆破載荷的動(dòng)載階段，在此階段，3個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)均產(chǎn)生了不同方向的應(yīng)力峰值，主要是由于爆轟應(yīng)力沖擊波產(chǎn)生的壓縮波和卸載波形成。由于是正向起爆，使得距離起爆點(diǎn)較近布置在巖層的1#應(yīng)力測(cè)點(diǎn)先達(dá)到應(yīng)力峰值，并且所產(chǎn)生的應(yīng)力峰值最大。

隨著爆破應(yīng)力波的傳播，2#和3#應(yīng)力測(cè)點(diǎn)相繼達(dá)到應(yīng)力峰值。應(yīng)力波在從巖層傳播到松軟煤層時(shí)，部分應(yīng)力波從煤巖交界面透射到松軟煤層作用于2#和3#應(yīng)變磚，由于應(yīng)力波在松軟煤層的衰減，使3#應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力峰值最小，2#次之。

在1×10-4s之后，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值在小范圍內(nèi)浮動(dòng)，逐漸衰減趨向于0。

爆破應(yīng)力波從巖層傳播到松軟煤層時(shí)，由于兩種介質(zhì)的波阻抗不同，部分應(yīng)力波經(jīng)煤巖交界面反射到巖層繼續(xù)作用于巖層，使得1#應(yīng)力測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了第二次較大的應(yīng)力峰值，巖層反復(fù)受到爆破應(yīng)力波的壓縮和拉伸作用，破壞嚴(yán)重；另外一部分應(yīng)力波經(jīng)過(guò)波的透射作用疊加到松軟煤層，使得松軟煤層的煤體受強(qiáng)烈的爆破沖擊波壓縮、粉碎，形成爆破空腔[15-16]。

構(gòu)造松軟煤層對(duì)爆破應(yīng)力波具有吸收和反射作用，導(dǎo)致由爆源產(chǎn)生的入射波和松軟煤層所反射的反射波在煤巖交界面處產(chǎn)生相互疊加，在煤巖交界面兩側(cè)應(yīng)力差別最大，所受爆破擾動(dòng)最為強(qiáng)烈。布置炸藥一側(cè)的巖石強(qiáng)度雖然遠(yuǎn)大于構(gòu)造松軟煤層強(qiáng)度，但是炸藥距離巖層一側(cè)爆破自由面的距離小于爆破的最小抵抗線長(zhǎng)度，如圖8所示，最終導(dǎo)致爆破作用方向發(fā)生改變。

圖8 爆破作用方向發(fā)生改變示意圖

2 爆破擾動(dòng)松軟煤層對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響

煤礦井下單孔柱狀結(jié)構(gòu)裝藥爆破對(duì)巷道圍巖松動(dòng)圈的影響力學(xué)模型如圖9所示，σ為爆破應(yīng)力波在巷道爆破松動(dòng)圈外緣的入射應(yīng)力，σ1為垂直于巷道側(cè)面的應(yīng)力入射分量，σ2為平行巷道側(cè)面的應(yīng)力入射分量，α為σ和σ1的夾角。

選擇炮孔藥卷最外端與巷道頂部之間為應(yīng)力波傳播距離，設(shè)為r，則沿此方向入射到巷道頂端時(shí)的入射應(yīng)力σ可以表示為

(3)

式中：ρ0為炸藥密度，kg/m3；D0為爆轟波的初始速度，m/s；D1為爆轟波的波速，m/s；r0為炮孔半徑，m；μd為巖石的動(dòng)態(tài)泊松比；L1為爆破藥卷與巷道中心點(diǎn)的水平距離，m；L2為爆破藥卷與巷道頂端松動(dòng)圈外緣的垂直距離，m。

圖9 單孔柱狀裝藥爆破對(duì)巷道圍巖作用示意圖

垂直于巷道圍巖側(cè)面的應(yīng)力分量σ1與入射應(yīng)力σ之間的關(guān)系可以表示為

σ1=σ·cosα

(4)

因此，應(yīng)力分量σ1可以表示為

(5)

由σ1產(chǎn)生的衍生拉應(yīng)力σθ1的拉伸作用是導(dǎo)致巷道圍巖裂紋擴(kuò)展的主要原因，σθ1和σ1的關(guān)系式為

(6)

巷道圍巖裂紋的最大擴(kuò)展長(zhǎng)度rmax為

(7)

式中：σD為巖石的動(dòng)抗壓強(qiáng)度，MPa；D為裂紋尖端損傷因子；Lp為原巖應(yīng)力作用下松動(dòng)圈的長(zhǎng)度，m。巷道圍巖受爆破動(dòng)載作用時(shí)所產(chǎn)生的爆破松動(dòng)圈的長(zhǎng)度L可以表示為

L=Lp+rmax

(8)

通過(guò)分析可以看出，爆破裂紋擴(kuò)展是導(dǎo)致巷道圍巖破壞的根本原因。當(dāng)煤礦井下進(jìn)行爆破揭煤或者爆破掘進(jìn)擾動(dòng)到松軟煤層時(shí)，爆破應(yīng)力波從巖層入射到松軟煤層，由于松軟煤層的波阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖體的波阻抗，爆破應(yīng)力波會(huì)加劇巷道圍巖的破壞程度，促使巷道圍巖的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)育，進(jìn)而影響巷道圍巖的穩(wěn)定性[17]。

3 爆破擾動(dòng)軟煤層對(duì)巷道圍巖影響數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型

利用DYNA3D軟件構(gòu)建兩個(gè)數(shù)值模型，如圖10所示，分別為單孔和三孔爆破。模型中煤層高度10 cm，巖層高度20 cm，長(zhǎng)度為30 cm。巷道為半圓拱形，采用錨噴的支護(hù)形式，巷道半圓直徑為10 cm，巷道中線垂高8 cm。

(a)(b)

圖10 爆破擾動(dòng)松軟煤層數(shù)值模型

Fig.10 Numerical model of blasting in soft coal seam

數(shù)值模型的煤巖和巷道參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 數(shù)值模型力學(xué)參數(shù)

采用JWL方程描述爆轟壓力，可表示為

(9)

式中：P為爆轟壓力，MPa；V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積，m3；A，B為炸藥參數(shù)，GPa；E0為爆轟產(chǎn)物內(nèi)能，MJ；R1，R2，ω為炸藥特性參數(shù)，無(wú)量綱。數(shù)值模型中炸藥參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表4。

表4 炸藥特性參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

一個(gè)爆破孔起爆，不同時(shí)刻的三維有效應(yīng)力云圖如圖11所示。

從圖中可以看出，當(dāng)t=500 μs時(shí)，爆破應(yīng)力波沿爆破孔周?chē)鶆騻鞑?；?dāng)t=1 000 μs時(shí)，爆破應(yīng)力波傳播到松軟煤層和巷道，此時(shí)應(yīng)力波傳播受松軟煤層影響較小，但是在巷道頂端上方開(kāi)始產(chǎn)生應(yīng)力集中；在1 000 μs

在爆破應(yīng)力傳播的過(guò)程中，松軟煤層也遭受到了爆破應(yīng)力的作用，但是所受應(yīng)力明顯小于巖層。

(a) t=500 μs

(b) t=1 000 μs

(c) t=1 500 μs

(d) t=2 000 μs

(e) t=3 000 μs

(f) t=5 000 μs

由于松軟煤層的存在，應(yīng)力波傳播到煤層后會(huì)發(fā)生透射和反射，透射的應(yīng)力波作用于煤層使煤體發(fā)生破壞，反射的應(yīng)力波對(duì)巖體產(chǎn)生拉伸作用，加速了爆破孔上方靠近松軟煤層一側(cè)巖體的破壞。而巷道中間的空氣相當(dāng)于自由介質(zhì)，在爆破應(yīng)力波傳播到巷道時(shí)又加速了爆破孔下方靠近巷道一側(cè)巖體的破壞。同時(shí)，由于巖體的波阻抗大于松軟煤層的波阻抗，而松軟煤層的波阻抗又遠(yuǎn)大于空氣介質(zhì)，所以靠近巷道一側(cè)的巖體所受應(yīng)力明顯大于靠近松軟煤層一側(cè)的應(yīng)力。松軟煤層和巷道中自由面的存在促使巷道圍巖裂隙發(fā)育擴(kuò)展。

三個(gè)爆破孔同時(shí)起爆，不同時(shí)刻的三維有效應(yīng)力云圖如圖12所示，應(yīng)力波的傳播形式和單孔爆破類(lèi)似，但是三個(gè)爆破孔的爆破應(yīng)力波相互疊加明顯的加劇了巷道圍巖和煤層的破壞程度。

(a) t=500 μs

(b) t=1 000 μs

(c) t=1 500 μs

(d) t=2 000 μs

(e) t=3 000 μs

(f) t=5 000 μs

在井下一次爆破藥量大，炮孔數(shù)目多和需要多次爆破的情況下，爆破振動(dòng)的累積損傷效應(yīng)最終將會(huì)影響到巷道圍巖的穩(wěn)定性[18]。

爆破模擬試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬是對(duì)煤礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化后的結(jié)論，沒(méi)有考慮瓦斯壓力所產(chǎn)生的影響。如果煤礦井下同時(shí)進(jìn)行多個(gè)炮孔聯(lián)合起爆，在松軟煤層中構(gòu)造應(yīng)力、瓦斯壓力和循環(huán)爆破作業(yè)的共同作用下將會(huì)產(chǎn)生更加復(fù)雜的應(yīng)力波相互疊加的擾動(dòng)現(xiàn)象。由于煤體的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，爆破瞬間的震動(dòng)能和爆破應(yīng)力波反射產(chǎn)生的拉伸波的波動(dòng)能對(duì)煤體有極大的破壞作用。同時(shí)，由于構(gòu)造松軟煤層煤體所具有的特殊性質(zhì)[19-20]，外加上井下爆破掘進(jìn)和揭煤等作業(yè)工作面是循環(huán)往復(fù)向前推進(jìn)的一個(gè)過(guò)程，所以工作面前方構(gòu)造松軟煤層一側(cè)的煤體不斷受到爆破所產(chǎn)生的壓縮波和稀疏波的擾動(dòng)，在煤體中不斷產(chǎn)生壓縮區(qū)域和膨脹區(qū)域[21-22]，使煤體內(nèi)產(chǎn)生大量貫通性裂隙。

爆破擾動(dòng)使得松軟煤層經(jīng)爆破卸壓后吸附瓦斯迅速解吸，游離瓦斯經(jīng)爆破粉碎圈向爆破空腔和爆破裂隙區(qū)擴(kuò)散，如果此時(shí)爆破最小抵抗線長(zhǎng)度不足以抵抗瓦斯壓力和瓦斯膨脹能，就很容易誘發(fā)煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。

4 結(jié) 論

(1) 在實(shí)驗(yàn)室搭建了爆破擾動(dòng)松軟煤層的動(dòng)態(tài)力學(xué)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)爆破應(yīng)力波擾動(dòng)巖體和松軟煤體后，產(chǎn)生了類(lèi)似突出的破碎拋擲過(guò)程并在松軟煤體內(nèi)部產(chǎn)生爆破粉碎圈。

(2) 分析了爆破擾動(dòng)松軟煤層導(dǎo)致的巷道圍巖損傷破壞機(jī)理。裂紋擴(kuò)展是導(dǎo)致巷道圍巖破壞的根本原因，受爆破壓縮波和稀疏波的擾動(dòng)，巷道圍巖受到壓縮和膨脹拉伸的先后作用，松軟煤層和巷道中自由面的存在會(huì)加劇巷道圍巖的破壞程度，促使巷道圍巖的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)育。在一次爆破藥量大，炮孔數(shù)目多和需要多次爆破的情況下，爆破振動(dòng)累積損傷會(huì)最終影響到巷道的穩(wěn)定。

(3) 文章雖然對(duì)爆破試驗(yàn)條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，采用的是單孔爆破，但得出的結(jié)論使我們初步認(rèn)識(shí)到爆破擾動(dòng)構(gòu)造帶煤巖誘導(dǎo)煤與瓦斯突出發(fā)生的致災(zāi)理論基礎(chǔ)，為后續(xù)深入的研究提供了一條新的思路。