基于多物理場(chǎng)耦合的瓦斯排放半徑的確定

趙汝星

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院文法與管理學(xué)院)

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基于多物理場(chǎng)耦合的瓦斯排放半徑的確定

趙汝星

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院文法與管理學(xué)院)

為提高松動(dòng)爆破作為局部防突措施的實(shí)施效果，節(jié)省掘進(jìn)工作面防突措施(效果檢驗(yàn))的執(zhí)行時(shí)間，確定合理的鉆孔布置參數(shù)，結(jié)合成莊煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)，建立了爆破損傷及損傷誘致圍巖卸壓和促進(jìn)瓦斯運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型。綜合考慮地應(yīng)力、爆破導(dǎo)致的煤巖損傷及對(duì)于瓦斯運(yùn)移的影響等因素，對(duì)爆破卸壓及對(duì)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的影響進(jìn)行了數(shù)值分析，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，確定了合理的瓦斯排放半徑為2.0～2.5 m，對(duì)于有效進(jìn)行局部防突及工作面快速掘進(jìn)有一定的參考價(jià)值。

煤與瓦斯突出松動(dòng)爆破排放半徑爆破泄壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律

成莊煤礦隨著巷道向深部的延伸，煤與瓦斯突出災(zāi)害威脅顯著增加，為此須采取“四位一體”的防突措施。但由于瓦斯突出檢測(cè)指標(biāo)超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重，采取“四位一體”的措施后嚴(yán)重影響了掘進(jìn)效率，造成采掘接替日益緊張，直接影響礦井經(jīng)濟(jì)效益的進(jìn)一步提高。為緩解常規(guī)防突措施給生產(chǎn)銜接帶來(lái)的矛盾，在該礦4103、4105工作面進(jìn)行了深孔松動(dòng)爆破試驗(yàn)，力爭(zhēng)將掘進(jìn)速度由以往的2～3 m/d提高至8～10 m/d，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的快速掘進(jìn)，但如何提高松動(dòng)爆破的瓦斯排放效果，瓦斯排放半徑的確定是該項(xiàng)措施實(shí)施成敗的關(guān)鍵。

1　松動(dòng)爆破瓦斯排放半徑數(shù)值模擬

煤層松動(dòng)爆破是在掘進(jìn)工作面使用普通振動(dòng)放炮的基礎(chǔ)上，在一定深度的煤體應(yīng)力集中帶內(nèi)布置數(shù)個(gè)長(zhǎng)炮眼進(jìn)行爆破，目的在于利用炸藥的能量破壞煤體前方的應(yīng)力集中帶，便于在工作面前方形成較長(zhǎng)的卸壓帶，預(yù)防瓦斯突出的發(fā)生[1]。為此，本研究建立了爆破損傷及損傷誘致圍巖卸壓和促進(jìn)瓦斯運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型，綜合考慮地應(yīng)力、爆破導(dǎo)致的煤巖損傷及對(duì)于瓦斯運(yùn)移的影響等因素，利用有限元分析軟件Comsol Multiphyscics實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性多物理場(chǎng)耦合控制方程的求解，進(jìn)行爆破卸壓及對(duì)瓦斯運(yùn)移規(guī)律影響的數(shù)值分析[2-3]。

1.1模型構(gòu)建

由于針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際建立的數(shù)值模型所需的計(jì)算單元較多，故本研究以簡(jiǎn)化的三維數(shù)值模型為模擬單元，模型取X方向10 m，Y方向5 m，Z方向7 m，巷道頂?shù)装迳细矌r層為砂巖，工作面按給定資料取高3.0 m，寬5.0 m，在掘進(jìn)面上打控制孔一個(gè)，距爆破孔1.0 m，爆破孔2個(gè)，間距1.4 m，孔深5.0 m。由于深孔控制預(yù)裂爆破是一個(gè)超動(dòng)態(tài)的瞬間過(guò)程，故本研究采用零位移邊界條件，模型四周假設(shè)為無(wú)瓦斯補(bǔ)給，給定瓦斯流量為0 MPa，抽放孔定義為-5 kPa，將煤體視為連續(xù)的、均質(zhì)的、各向同性的彈性體，煤體中初始瓦斯壓力為0.98 MPa(表1)。假設(shè)模型處于地下500 m深處，模擬上覆巖層的荷載為12.25 MPa。

表1　瓦斯抽放與深孔控制預(yù)裂爆破模擬基本參數(shù)

1.2數(shù)值計(jì)算結(jié)果

1.2.1巷道開(kāi)挖后狀態(tài)

巷道開(kāi)挖引起的損傷區(qū)域云圖如圖1所示。由圖1可知：由于巷道開(kāi)挖造成應(yīng)力重分布，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力集中和煤體的損失破壞，導(dǎo)致靠近煤壁附近約1 m的半圓柱范圍內(nèi)產(chǎn)生了煤體破壞區(qū)。

圖1　巷道開(kāi)挖引起的損傷區(qū)域云圖

"極限應(yīng)力狀態(tài)區(qū)”易在掘進(jìn)工作面的前方形成，由圖2可知：拉應(yīng)力區(qū)的最大拉應(yīng)力為3.116 MPa，壓應(yīng)力區(qū)的最大壓應(yīng)力為33.57 MPa，在巷道的頂?shù)装宄霈F(xiàn)了拉應(yīng)力，靠近工作面向X軸方向延伸1 m附近也出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，并且在距工作面1～2 m附近會(huì)出現(xiàn)壓應(yīng)力區(qū)域，隨著不斷遠(yuǎn)離工作面，壓應(yīng)力會(huì)不斷降低，直至降至原巖應(yīng)力為止。

1.2.2松動(dòng)爆破實(shí)施后的狀態(tài)

松動(dòng)爆破后的損傷區(qū)云圖如圖3所示。由圖3可知爆破孔附近產(chǎn)生松動(dòng)的范圍。由于模擬實(shí)際爆破效果的難度較大，加之相關(guān)爆破參數(shù)的不確定性，故本研究通過(guò)對(duì)模型施加等效的徑向爆破壓力(2 275.91 MPa)來(lái)模擬爆破所產(chǎn)生的氣體壓力，松動(dòng)爆破使得在爆破孔周?chē)纬闪税霃郊s1.2 m的松動(dòng)區(qū)和半徑1.05 m的破碎區(qū)，表明松動(dòng)爆破發(fā)揮了預(yù)防瓦斯突出的作用。

圖2　沿爆破孔和控制孔縱剖面的彈性模量及應(yīng)力分布

圖3　松動(dòng)爆破后損傷區(qū)分布

由圖4(a)可知：正應(yīng)力Z為0的區(qū)域明顯大于松動(dòng)爆破前的范圍，此時(shí)壓應(yīng)力最大為36.51 MPa，拉應(yīng)力最大為4.525 MPa，靠近工作面煤壁的應(yīng)力集中移動(dòng)至爆破孔附近。由圖4(b)可知：煤層的彈性模量為1 000 MPa，在爆破孔附近的區(qū)域，彈性模量明顯降低，反映了爆破對(duì)煤層的損傷效果較好。

爆破孔正上方0.383 m處沿孔走向方向的應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖5。由圖5可知：X=0～2 m為工作面，X=2～10 m為煤層，由于開(kāi)采損傷，煤層中的應(yīng)力集中向煤層內(nèi)部轉(zhuǎn)移，因此在X=2～2.5 m段，應(yīng)力緩慢增加，從而在X=2.5～9.0 m段，Z方向的應(yīng)力顯著增加，在X=3.06 m時(shí)應(yīng)力達(dá)到峰值。圖6給出了控制孔正上方0.134 m處沿孔走向方向的應(yīng)力分布。由圖6可知：爆破前Z方向的應(yīng)力分布規(guī)律與圖5類(lèi)似，而在爆破后由于爆破松動(dòng)造成煤巖體的破壞與應(yīng)力重分布，在卸壓帶X=2～3.31 m段，應(yīng)力變化量約0.6 MPa，而在X=3.31～9.6 m 段，應(yīng)力集中導(dǎo)致Z方向的應(yīng)力梯度變化顯著增加，在X=7.08 m時(shí)出現(xiàn)了Z方向正應(yīng)力峰值，即距工作面5.08 m產(chǎn)生應(yīng)力峰值，其值為20.6 MPa。

圖4　沿爆破孔和控制孔縱剖面的的彈性模量和應(yīng)力分布

圖5　爆破孔上方拉伸線應(yīng)力變化曲線

圖6　控制孔上方拉伸線應(yīng)力變化曲線

2　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

在爆破孔附近每隔0.5 m打5個(gè)深10 m的鉆孔，通過(guò)觀測(cè)爆破孔爆破后煤層裂隙的瓦斯涌出強(qiáng)度，用流量法測(cè)定了爆破的影響半徑[4-6]，爆破孔、測(cè)試孔的分布如圖7所示，爆破前后瓦斯涌出曲線如圖8所示。

圖7　松動(dòng)爆破有效影響半徑測(cè)試鉆孔布置示意

由圖8可知：①1#～4#孔在爆破后，瓦斯涌出量較爆破前有明顯增加，說(shuō)明該4個(gè)孔位于爆破影響范圍之內(nèi)；②5#孔的瓦斯涌出量較爆破前減小，表現(xiàn)出與鉆孔瓦斯涌出量正常衰減的特征，表明該孔未受到爆破孔的影響。據(jù)此，經(jīng)實(shí)測(cè)分析得到的爆破鉆孔的有效影響半徑為2.0～2.5 m。

圖8　松動(dòng)爆破測(cè)試鉆孔瓦斯涌出變化曲線◆—5#孔(間距2.5 m)；■—4#孔(間距2.0 m)；▲—3#孔(間距1.5 m)；●—2#孔(間距1.0 m)； ×—1#孔(間距0.5 m)

3　結(jié)　論

(1)深孔松動(dòng)爆破有助于消除煤體結(jié)構(gòu)的不均勻性，減少地應(yīng)力，降低煤體中的瓦斯含量，增大煤層的透氣性，排放瓦斯，達(dá)到快速消突的效果。

(2)在實(shí)施松動(dòng)爆破后，由于煤體破壞及滲透率的提高，瓦斯的快速排放效果明顯。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，確定成莊礦實(shí)施松動(dòng)爆破時(shí)的瓦斯排放半徑為2.0～2.5 m。

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2016-05-26)

趙汝星(1959—)，男，副教授，100043 北京市昌平區(qū)立湯路181號(hào)。