池 磊

(西山煤電礦建一公司，山西 呂梁 030024)

瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出和瓦斯窒息都是瓦斯威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要形式[1-2]。煤與瓦斯突出會導(dǎo)致井下瓦斯?jié)舛鹊木植吭龈?，極易引起瓦斯和煤塵爆炸，其產(chǎn)生的有毒、有害氣體會導(dǎo)致人員窒息，嚴(yán)重威脅著井下工作人員的生命和礦井設(shè)施的安全[3-4]。預(yù)裂爆破作為一種提高煤層透氣性的技術(shù)，在礦井瓦斯災(zāi)害的治理工作中得到了廣泛應(yīng)用。利用爆炸的沖擊和氣楔作用，使煤體發(fā)生破碎、破裂、松動等物理力學(xué)性質(zhì)變化，使工作面前方煤體中的應(yīng)力集中區(qū)和高瓦斯區(qū)轉(zhuǎn)移到煤體深部，實現(xiàn)煤體卸壓和瓦斯抽放的目的，進(jìn)而預(yù)防瓦斯突出[5]。

國內(nèi)外都有關(guān)于爆炸作用在介質(zhì)中引發(fā)的爆腔及裂紋擴展情況的研究。以巖石為研究對象，指出空腔半徑與巖石密度相關(guān)，二者成反比，通常壓縮粉碎區(qū)為藥包半徑的2～7倍，消耗了爆炸總能量的60%～80%，破裂區(qū)為藥包半徑的8～150倍[6-7]，爆破形成的壓碎區(qū)半徑為裝藥半徑的2～3倍，破壞區(qū)半徑為裝藥半徑的10～15倍[8-9]。但現(xiàn)有研究并未針對不同強度煤體進(jìn)行爆破研究，本文采用Autodyn分析軟件，研究了不同強度的煤預(yù)裂爆破時爆腔和裂紋的擴展。

1 爆破理論及機理

1.1 炸藥爆炸

煤是一種孔隙和裂隙結(jié)合的結(jié)構(gòu)體，不同的煤在孔隙尺寸、裂隙尺寸、發(fā)育程度、結(jié)構(gòu)形式等方面都不同。在一定的壓力梯度下氣體或液體能在煤體內(nèi)流動，這就表明煤具有滲透性。

爆炸變化過程中，瞬時放出內(nèi)含能量，并借助系統(tǒng)內(nèi)原有氣體或爆炸生成的氣體膨脹對周圍介質(zhì)做功，產(chǎn)生巨大破壞效應(yīng)并伴有強烈的發(fā)光和聲響。爆炸做功的原因為系統(tǒng)原有的高壓氣體或爆炸瞬間產(chǎn)生的高壓、高溫氣體急劇膨脹。爆炸的一個最重要的特征是壓力在爆炸點周圍的介質(zhì)中急劇增大，導(dǎo)致周圍介質(zhì)的破壞或周圍生命體的摧毀[10]。

1.2 爆破機理

藥包中心起爆后，爆轟波以相同的速度向各個方向傳播，其速度一般在2 000～7 000 m/s，通常大于煤體應(yīng)力波的傳播速度。

由于勢能的積累，被壓縮的煤體開始向爆源移動，因為徑向慣性拉應(yīng)力的結(jié)果，在藥包附近將產(chǎn)生大量的切向裂縫。動力過程結(jié)束后，煤體中會殘留下一個爆腔，爆腔周圍依次有3個區(qū):破碎區(qū)、破裂區(qū)、彈性區(qū)，如圖1所示。

1—炸藥；2—爆腔；3—破碎區(qū)；4—裂隙區(qū)；5—彈性區(qū)

2 數(shù)值模擬模型建立

2.1 軟件簡介

Autodyn是ANSYS子公司研發(fā)的產(chǎn)品，通過顯式有限元分析程序，通常解決固體、氣體、流體的動力學(xué)問題，以及三者相互作用的非線性動力學(xué)問題。具有完整、獨特的分析能力，自帶豐富的模型材料庫，同時包括本構(gòu)模型和熱力學(xué)等多種狀態(tài)方程，可以提供金屬、玻璃、陶瓷、水泥、炸藥、巖土、空氣、水以及其他氣體、流體和固體的數(shù)據(jù)和材料模型。

2.2 建立模型

2.2.1 求解器的設(shè)定

Autodyn二維建模中提供了Lagrange、Euler、Ale、shel1、SPh這幾類求解器。本試驗中采用了前3種。Lagrange求解器在計算時物質(zhì)質(zhì)點和坐標(biāo)是固定在一起的，也就是說當(dāng)物質(zhì)受到作用力而發(fā)生變形時，網(wǎng)格也會隨之變形；Euler網(wǎng)格在空間上固定，材料在網(wǎng)格內(nèi)流動，所有變量都定義在網(wǎng)格中心，適合于描述流體和氣體動力學(xué)行為，采用歐拉求解器計算的優(yōu)點是材料在單元網(wǎng)格中流動，不會存在由于計算網(wǎng)格的畸變而導(dǎo)致的計算終止問題；Ale能通過移動涉及到流體計算的網(wǎng)格來改善網(wǎng)格的大變形混亂，Ale重分區(qū)會更精確和有效率，當(dāng)重分區(qū)的節(jié)點不包含有大的流動時，時間步的強烈約束會確保Ale計算沒有大的流動。

基于上述特點，煤體是用Lagrange，炸藥用Euler、Ale分別和煤體建成爆破模型求解，對炸藥用Euler求解器比用Ale求解器更為合適。

2.2.2 網(wǎng)格的選取

1) 軟煤的網(wǎng)格。用Ale建立煤體的單元數(shù)為160×160。炸藥的單元數(shù)為40×40。裝藥半徑和煤體半徑比為1∶600。為了能讓模擬持續(xù)運算至結(jié)束，防止出現(xiàn)時間步過小或者計算能量過大而停止運算，炸藥和煤體接觸的地方單元邊長比最好為1∶1。

2) 硬煤的網(wǎng)格。用Ale計算時硬煤的網(wǎng)格和軟煤的基本一致，除了半徑比，炸藥半徑和煤體半徑比為1∶400。炸藥的單元數(shù)為120×120，煤體的單元數(shù)為800×800，半徑比仍為1∶400。

3) 封孔的網(wǎng)格。取合理的封孔長度，讓炸藥不至于擊穿頂板。工程上的乳化炸藥為圓筒狀，所以此處的炸藥用條形炸藥，單元數(shù)為120×240。因此兩者的網(wǎng)格為方形。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 煤體壓力變化

在整個爆破中，沖擊波和爆生氣體均對煤體壓縮，各處的煤體受到大小不等的壓力。本文中炸藥的爆轟速度為3 200 m/s，沖擊波在煤中的傳播速度為1 200～1 600 m/s，所以沖擊波的作用過程很短。爆生氣體的整個膨脹過程持續(xù)較長，其過程的長短和煤體的強度有關(guān)。通過爆腔的生成過程可看出，在軟煤中爆破時間較長，在硬煤中較短。

1) 軟煤壓力變化。軟巖煤體的半徑為6 m，炸藥的爆速為3 200 m/s，所以應(yīng)力波到達(dá)邊界只需要1.875 ms。圖2為0.1～2 ms的壓力云圖。

圖2 壓力云圖

圖3(a)為軟煤爆腔內(nèi)一高斯點的壓力在0.5 ms內(nèi)隨時間變化的關(guān)系圖，可以清晰地看出壓力在此時間段內(nèi)急劇下降。圖2反應(yīng)出了煤體材料所受壓力的區(qū)域，因沖擊波的速度極快，所以在此影響區(qū)域作用時間極短，可以認(rèn)為在軟煤中沖擊波起到了使煤體破碎的作用，爆腔的增長則依靠沖擊波沖擊作用和爆生氣體的膨脹作用，爆生氣體的膨脹作用占據(jù)主導(dǎo)地位。且煤體材料強度低，沖擊波衰減得快，在同等壓力下硬煤不能產(chǎn)生變形或破壞，而軟煤卻仍可變形或破壞，所以軟煤受爆破影響的時間長。

圖3 高斯點壓力

2) 硬煤壓力變化。硬巖煤體的半徑為4 m，炸藥的爆速為3 200 m/s，所以應(yīng)力波到達(dá)邊界只需要1.25 ms。圖4為0.05～1.5 ms的壓力云圖。

圖3(b)為硬煤爆腔內(nèi)一高斯點的壓力在0.5 ms內(nèi)隨時間變化的關(guān)系圖，可以清晰地看出壓力在此時間段內(nèi)急劇下降。圖4反應(yīng)出了煤體材料所受壓力的區(qū)域，同軟煤一樣因沖擊波的速度極快，所以在此影響區(qū)域作用時間極短，可認(rèn)為裂紋是爆生的尖裂區(qū)的生成是在4 ms以后，此時沖擊波早已過去，所以此區(qū)域的裂紋是爆生的尖劈作用形成的。爆腔的增長則依靠沖擊波沖擊作用和爆生氣體的膨脹作用，后者占據(jù)主導(dǎo)地位。在同等壓力下硬煤不能產(chǎn)生變形或破壞，而軟煤卻仍可變形或破壞，所以硬煤受爆破影響的作用時間比軟煤短。

3.2 煤體密度變化

模擬試驗的密度云圖如圖5所示。

圖5 密度云圖

取6個高斯點觀察密度變化，這6個高斯點爆破前距藥包距離分別為100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm，其密度具體值見表1。

表1 密度變化

從圖5的密度云圖上得出軟煤的密度變化范圍為803 mm，硬煤的密度變化650 mm。兩種計算方法得到的結(jié)果一致。從表1可以看出在相同的爆破條件下軟煤體更容易被擠密，且材料的密度變化影響范圍也更大，隨著煤體密度的增大，其強度也會相應(yīng)地增加。

4 結(jié) 語

1) 在模擬軟煤試驗中，對炸藥用Euler求解器比用Ale求解器更為合適，爆腔半徑是藥包半徑的28倍，破碎區(qū)半徑約為藥包半徑的40倍；在硬煤模擬中，用Alc求解器模擬得的結(jié)果和理論值誤差更小，爆腔半徑約為藥包半徑的12倍，破碎區(qū)半徑約為藥包半徑的26倍，破裂區(qū)半徑約為藥包半徑的250倍。

2) 爆破對煤體材料具有擠密的效應(yīng)，在高壓的作用下提高了煤的強度，在軟煤表現(xiàn)較明顯，在軟煤中密度影響范圍是藥包半徑的80倍，在硬煤中密度影響范圍是藥包半徑的65倍。