爆破擾動松軟煤層對巷道圍巖穩定性的影響

高 魁， 劉澤功， 劉 健， 朱飛昊

(1.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001)

隨著煤礦開采深度的不斷增加，爆破技術在煤礦生產中的應用越來越廣泛，如低透氣性煤層瓦斯抽采爆破增透[1-5]、堅硬頂板弱化[6-7]、厚煤層綜放開采堅硬頂煤預先弱化[8]、爆破掘進[9]、綜掘硬巖段深孔超前爆破[10]和石門揭煤[11]等等。

然而，在實際應用中，當爆破擾動到松軟煤層，容易誘發煤與瓦斯突出等礦井動力災害。例如，2009年11月21日，新興煤礦在構造復雜的南二石門探煤巷爆破誘發煤與瓦斯突出，造成108人死亡。2014年1月4日，中田煤礦主斜井掘進工作面遇煤層變厚，放炮時工作面漏頂誘發煤與瓦斯突出，突出煤量約260 t，瓦斯量約2.4萬m3，造成4人死亡。2014年6月11日，貴州新華煤礦1601工作面回風巷2#聯絡巷掘進工作面從底板揭穿M6煤層，在揭煤過煤門階段放炮誘發煤與瓦斯突出，突出煤巖量約1 010 t，瓦斯量約12萬m3，造成10人死亡，事故調查發現揭煤區域煤層松軟變厚[12]。目前煤巖體爆破理論大都建立在均勻、連續介質力學基礎上[13]，關于復雜地質條件下爆破擾動構造松軟煤層的試驗研究還不多見。

鑒于此，本文以爆破擾動松軟煤層誘發煤與瓦斯突出為工程背景，針對爆破載荷作用下地質構造帶煤巖體的動態應力演化這一科學問題，根據Froude 比例法結合相似理論在實驗室進行爆破擾動松軟煤層的模擬試驗，分析爆破載荷作用下試樣的力學特性，結合數值模擬分析其對巷道圍巖穩定性的影響，為揭示爆破擾動構造松軟煤層誘導煤與瓦斯突出的發生機理提供理論研究基礎。

1 爆破擾動松軟煤層模擬試驗

1.1 試驗模型構建

在煤礦井下采用爆破技術進行石門揭煤或者巷道掘進有時會遇到地質構造帶、煤層厚度變化或構造軟煤分層發育等情況，如圖1所示。

圖1 爆破擾動松軟煤層示意圖

將現場簡化構建爆破掘進擾動松軟煤層的試驗模型，爆破孔從巖層開始進入松軟煤層。在實驗室搭建爆破模擬試驗系統如圖2所示，試驗模型尺寸為50 cm×50 cm×50 cm，試驗時對爆破試樣的動態應力演變過程進行實時監測，利用高速攝像系統對爆破瞬間裂隙演化進行拍攝。

圖2 試驗模型示意圖

模型中應力測點布置如圖3所示，1#測點位于巖層中，距離煤巖交界面2 cm；2#和3#測點均位于煤層中，距煤巖交界面的距離分別為2 cm和6 cm。采用超動態應變數據采集儀實時記錄爆破過程應變數據，通過應變值反演出該點的應力值。

圖3 爆破試樣應力測點布置圖

爆破模擬試驗的原煤巖力學性質見表1，試驗炸藥采用雷管和導爆索，爆破孔直徑設計為7.5 mm，長度為130 mm，裝藥長度為80 mm。

表1 爆破模擬試驗煤巖力學參數

1.2 相似原理和試驗過程

根據Froude相似定律[14]，實驗時需要滿足比尺因數關系

Kσ=Kρ·Kl

(1)

其他需要滿足的關系式有

(2)

式中：m，p分別為試驗模型和原型；Ka為加速度比；Kε為應變比；Kμ為泊松值比；KΦ為摩擦角比。長度L、密度ρ和加速度a是基本變量，取加速度比為Ka=1。

模擬試驗密度相似比取Kρ=ρm/ρp=0.66，應力比取值Kσ=σm/σp=0.13，則長度比Kl=lm/lp=0.2，可模擬現場2.5 m的煤巖體。

本次試驗的材料配比參數見表2。

按照材料配比參數稱量所需材料攪拌均勻后倒入模具，在預定位置預留爆破孔，同時在煤巖層中按照設計位置埋設應變磚，試樣制作過程和應變磚鋪設如圖4所示。

表2 爆破模擬試驗相似材料配比參數

(a)(b)

圖4 模型制作和應變磚埋設

Fig.4 Model making and brick laying

爆破模擬試驗現場及應力監測系統如圖5所示。試樣在室溫下養護20天后拆模，然后裝藥封孔，連接雷管導線和起爆器進行模擬試驗。

(a)(b)

圖5 爆破試驗系統和數據監測

Fig.5 Blasting simulation test system and data monitoring

1.3 試驗結果分析

經過多組試驗，選取典型的試驗結果，如圖6所示。從圖中可以看出爆破瞬間巖體被粉碎拋出，發生了類似突出的破碎拋擲過程。將爆破試樣從巖層部分剖開，在松軟煤層炮孔周圍主要產生爆破粉碎圈，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

根據預埋應變磚所監測到的應變值，反演出相應位置的應力變化曲線如圖7所示，圖中應力值的正負說明爆破應力波的不同作用方向。

在0.5～1×10-4s時間段，為爆破載荷的動載階段，在此階段，3個應力測點均產生了不同方向的應力峰值，主要是由于爆轟應力沖擊波產生的壓縮波和卸載波形成。由于是正向起爆，使得距離起爆點較近布置在巖層的1#應力測點先達到應力峰值，并且所產生的應力峰值最大。

隨著爆破應力波的傳播，2#和3#應力測點相繼達到應力峰值。應力波在從巖層傳播到松軟煤層時，部分應力波從煤巖交界面透射到松軟煤層作用于2#和3#應變磚，由于應力波在松軟煤層的衰減，使3#應力測點的應力峰值最小，2#次之。

在1×10-4s之后，各個測點的應力值在小范圍內浮動，逐漸衰減趨向于0。

爆破應力波從巖層傳播到松軟煤層時，由于兩種介質的波阻抗不同，部分應力波經煤巖交界面反射到巖層繼續作用于巖層，使得1#應力測點出現了第二次較大的應力峰值，巖層反復受到爆破應力波的壓縮和拉伸作用，破壞嚴重；另外一部分應力波經過波的透射作用疊加到松軟煤層，使得松軟煤層的煤體受強烈的爆破沖擊波壓縮、粉碎，形成爆破空腔[15-16]。

構造松軟煤層對爆破應力波具有吸收和反射作用，導致由爆源產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生相互疊加，在煤巖交界面兩側應力差別最大，所受爆破擾動最為強烈。布置炸藥一側的巖石強度雖然遠大于構造松軟煤層強度，但是炸藥距離巖層一側爆破自由面的距離小于爆破的最小抵抗線長度，如圖8所示，最終導致爆破作用方向發生改變。

圖8 爆破作用方向發生改變示意圖

2 爆破擾動松軟煤層對巷道圍巖穩定性影響

煤礦井下單孔柱狀結構裝藥爆破對巷道圍巖松動圈的影響力學模型如圖9所示，σ為爆破應力波在巷道爆破松動圈外緣的入射應力，σ1為垂直于巷道側面的應力入射分量，σ2為平行巷道側面的應力入射分量，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力波傳播距離，設為r，則沿此方向入射到巷道頂端時的入射應力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為巖石的動態泊松比；L1為爆破藥卷與巷道中心點的水平距離，m；L2為爆破藥卷與巷道頂端松動圈外緣的垂直距離，m。

圖9 單孔柱狀裝藥爆破對巷道圍巖作用示意圖

垂直于巷道圍巖側面的應力分量σ1與入射應力σ之間的關系可以表示為

σ1=σ·cosα

(4)

因此，應力分量σ1可以表示為

(5)

由σ1產生的衍生拉應力σθ1的拉伸作用是導致巷道圍巖裂紋擴展的主要原因，σθ1和σ1的關系式為

(6)

巷道圍巖裂紋的最大擴展長度rmax為

(7)

式中：σD為巖石的動抗壓強度，MPa；D為裂紋尖端損傷因子；Lp為原巖應力作用下松動圈的長度，m。巷道圍巖受爆破動載作用時所產生的爆破松動圈的長度L可以表示為

L=Lp+rmax

(8)

通過分析可以看出，爆破裂紋擴展是導致巷道圍巖破壞的根本原因。當煤礦井下進行爆破揭煤或者爆破掘進擾動到松軟煤層時，爆破應力波從巖層入射到松軟煤層，由于松軟煤層的波阻抗遠遠小于巖體的波阻抗，爆破應力波會加劇巷道圍巖的破壞程度，促使巷道圍巖的裂隙進一步擴展發育，進而影響巷道圍巖的穩定性[17]。

3 爆破擾動軟煤層對巷道圍巖影響數值模擬分析

3.1 數值模型

利用DYNA3D軟件構建兩個數值模型，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，長度為30 cm。巷道為半圓拱形，采用錨噴的支護形式，巷道半圓直徑為10 cm，巷道中線垂高8 cm。

(a)(b)

圖10 爆破擾動松軟煤層數值模型

Fig.10 Numerical model of blasting in soft coal seam

數值模型的煤巖和巷道參數設置見表3。

表3 數值模型力學參數

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為爆轟產物的相對體積，m3；A，B為炸藥參數，GPa；E0為爆轟產物內能，MJ；R1，R2，ω為炸藥特性參數，無量綱。數值模型中炸藥參數設置見表4。

表4 炸藥特性參數

3.2 數值模擬結果分析

一個爆破孔起爆，不同時刻的三維有效應力云圖如圖11所示。

從圖中可以看出，當t=500 μs時，爆破應力波沿爆破孔周圍均勻傳播；當t=1 000 μs時，爆破應力波傳播到松軟煤層和巷道，此時應力波傳播受松軟煤層影響較小，但是在巷道頂端上方開始產生應力集中；在1 000 μs

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

(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，應力波傳播到煤層后會發生透射和反射，透射的應力波作用于煤層使煤體發生破壞，反射的應力波對巖體產生拉伸作用，加速了爆破孔上方靠近松軟煤層一側巖體的破壞。而巷道中間的空氣相當于自由介質，在爆破應力波傳播到巷道時又加速了爆破孔下方靠近巷道一側巖體的破壞。同時，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大于空氣介質，所以靠近巷道一側的巖體所受應力明顯大于靠近松軟煤層一側的應力。松軟煤層和巷道中自由面的存在促使巷道圍巖裂隙發育擴展。

三個爆破孔同時起爆，不同時刻的三維有效應力云圖如圖12所示，應力波的傳播形式和單孔爆破類似，但是三個爆破孔的爆破應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，炮孔數目多和需要多次爆破的情況下，爆破振動的累積損傷效應最終將會影響到巷道圍巖的穩定性[18]。

爆破模擬試驗、理論分析和數值模擬是對煤礦現場進行簡化后的結論，沒有考慮瓦斯壓力所產生的影響。如果煤礦井下同時進行多個炮孔聯合起爆，在松軟煤層中構造應力、瓦斯壓力和循環爆破作業的共同作用下將會產生更加復雜的應力波相互疊加的擾動現象。由于煤體的抗拉強度遠遠小于抗壓強度，爆破瞬間的震動能和爆破應力波反射產生的拉伸波的波動能對煤體有極大的破壞作用。同時，由于構造松軟煤層煤體所具有的特殊性質[19-20]，外加上井下爆破掘進和揭煤等作業工作面是循環往復向前推進的一個過程，所以工作面前方構造松軟煤層一側的煤體不斷受到爆破所產生的壓縮波和稀疏波的擾動，在煤體中不斷產生壓縮區域和膨脹區域[21-22]，使煤體內產生大量貫通性裂隙。

爆破擾動使得松軟煤層經爆破卸壓后吸附瓦斯迅速解吸，游離瓦斯經爆破粉碎圈向爆破空腔和爆破裂隙區擴散，如果此時爆破最小抵抗線長度不足以抵抗瓦斯壓力和瓦斯膨脹能，就很容易誘發煤與瓦斯突出動力災害的發生。

4 結 論

(1) 在實驗室搭建了爆破擾動松軟煤層的動態力學模擬試驗系統，試驗發現爆破應力波擾動巖體和松軟煤體后，產生了類似突出的破碎拋擲過程并在松軟煤體內部產生爆破粉碎圈。

(2) 分析了爆破擾動松軟煤層導致的巷道圍巖損傷破壞機理。裂紋擴展是導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，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加劇巷道圍巖的破壞程度，促使巷道圍巖的裂隙進一步擴展發育。在一次爆破藥量大，炮孔數目多和需要多次爆破的情況下，爆破振動累積損傷會最終影響到巷道的穩定。

(3) 文章雖然對爆破試驗條件進行了簡化處理，采用的是單孔爆破，但得出的結論使我們初步認識到爆破擾動構造帶煤巖誘導煤與瓦斯突出發生的致災理論基礎，為后續深入的研究提供了一條新的思路。