高壓空氣爆破煤體彈性分析

聶榮山

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司；2.煤礦安全技術國家重點實驗室)

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高壓空氣爆破煤體彈性分析

聶榮山1,2

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司；2.煤礦安全技術國家重點實驗室)

為研究高壓空氣爆破煤體過程的應力特征，依據彈性理論，建立了煤體破壞模型，分析了高壓空氣爆破區域的應力大小并計算了破碎區半徑。現場試驗表明：經高壓空氣爆破后，爆破區域煤體的滲透系數被改變，透氣性系數由0.021 4m2/(MPa2·d)提高至1.138 48～27.065 29m2/(MPa2·d)，煤層透氣性系數增加率達到50%～1 000%，煤層透氣性得到較大改善。

高壓空氣爆破煤體彈性理論滲透性系數

將抽采的煤層氣經工業提純壓縮后用于發電或燃燒，既可有效緩解對臭氧層的破壞，又有助于提高資源利用效率[1-4]。煤科集團沈陽研究院有限公司提出高壓空氣爆破增透技術[5]，即利用高壓空氣沖擊爆破致裂煤體提高煤層的滲透系數，利用高壓空氣爆破致裂煤巖體，由于加壓的空氣不會造成水或空氣的污染，更能適應復雜的地質條件，特別是煤層含有對水敏感的蒙脫石、伊利石等膨脹性較大的礦物質，該技術可有效提高爆破區域瓦斯的抽采率。本研究通過進行高壓空氣爆破煤體彈性分析，為爆破孔布置提供依據。

1　彈性理論分析

由于高壓空氣爆破的孔徑遠小于其釋放后破壞范圍的孔徑，假設爆破區域無大斷層，煤巖體內無大裂隙，且裂隙分布均勻。現將高壓空氣沿孔徑破壞的區域簡化為一個內半徑為a、外半徑為b的厚壁圓筒[6]，如圖1所示。高壓空氣釋放后，內壁表面受到的壓力為p1，外壁表面受到的壓力為p2，筒體僅沿半徑方向發生均勻的膨脹或收縮。圖1中，用極坐標(r,θ)表示各分量，σr(r)、σθ(r)為徑向應力，εr(r)、εθ(r)為應變分量。

依據彈性理論的平衡方程、幾何方程、本構方程[6]推導得到的徑向應力計算公式為

(1)

煤體介質的抗拉強度遠小于抗壓強度，故可用巖石的單軸抗拉屈服極限表示相應的破壞屈服條件[7-9]，使用靜態破碎的拉應力分布函數對巖石的破壞進行分析。當拉應力σ大于巖石介質抗拉強度σs時，產生拉伸破壞形成裂紋。假設煤體為均質材料，依據爆破特征，可將破壞區域劃分為空腔區、破碎區、彈性區。其中，破碎區的最大半徑rkmax可通過下式計算：

圖1　簡化后的模型

(2)

式中,rb為空腔區半徑，取0.127 5m；pb為作用于鉆孔壁上的初始壓應力，取50MPa；σs為煤巖體的抗拉強度，取0.218MPa；rn/re為空腔區與壓碎區之間的內徑和外徑比值，取0.2；γ1為絕熱指數，取1.0。

經式(2)計算得：rkmax約為2.8m。

2　試驗分析

試驗煤層為丁集礦軌道大巷聯巷13-1#煤層，該煤層為瓦斯突出危險煤層，瓦斯壓力1.6MPa，瓦斯含量6.11m3/t，采用錨網(索)支護。在13-1軌道聯巷內施工穿層鉆孔將爆破釋放裝置和高壓輸氣管送入煤層中的預定位置，采用高壓空氣加壓，壓力達到設定壓力(60MPa)時，高壓空氣經爆破閥釋放。爆破后煤層透氣性與衰減系數的變化情況見表1。由表1可知：2#、3#、4#鉆孔氣爆后，煤體由于受到巨大沖擊，在破碎區內煤的透氣性系數被改變，原煤層的透氣性系數由0.021 4m2/(MPa2·d)提高至(1.138 48～27.065 29)m2/(MPa2·d)，煤層透氣性系數增加率達到50%～1 000%，煤層透氣性得到較大改善，由此可知，爆破影響破碎區的半徑約為2.6m。

表1　煤層透氣性系數測試數據

3　結　語

以丁集礦軌道大巷聯巷13-1#煤層為例，基于彈性理論對高壓空氣爆破區域的徑向應力及破碎區半徑的計算公式進行了推導，試驗表明：高壓空氣沖擊煤體后，煤體發生強烈的變形破壞，改變了區域內的應力分布，高壓空氣爆破增透后，煤層透氣性與衰減系數得到較大改善，觀測孔的瓦斯涌出量與抽采量大幅度增加。

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2016-06-01)

聶榮山(1985—)，男，工程師，碩士，110016 遼寧省沈陽市沈河區東濱河路108號。