高压空气爆破煤体弹性分析

2016-09-20聂荣山

现代矿业 2016年8期

关键词：透气性煤体瓦斯

聂荣山

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司；2.煤矿安全技术国家重点实验室)

高压空气爆破煤体弹性分析

聂荣山1,2

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司；2.煤矿安全技术国家重点实验室)

为研究高压空气爆破煤体过程的应力特征，依据弹性理论，建立了煤体破坏模型，分析了高压空气爆破区域的应力大小并计算了破碎区半径。现场试验表明：经高压空气爆破后，爆破区域煤体的渗透系数被改变，透气性系数由0.021 4m2/(MPa2·d)提高至1.138 48～27.065 29m2/(MPa2·d)，煤层透气性系数增加率达到50%～1 000%，煤层透气性得到较大改善。

高压空气爆破煤体弹性理论渗透性系数

将抽采的煤层气经工业提纯压缩后用于发电或燃烧，既可有效缓解对臭氧层的破坏，又有助于提高资源利用效率[1-4]。煤科集团沈阳研究院有限公司提出高压空气爆破增透技术[5]，即利用高压空气冲击爆破致裂煤体提高煤层的渗透系数，利用高压空气爆破致裂煤岩体，由于加压的空气不会造成水或空气的污染，更能适应复杂的地质条件，特别是煤层含有对水敏感的蒙脱石、伊利石等膨胀性较大的矿物质，该技术可有效提高爆破区域瓦斯的抽采率。本研究通过进行高压空气爆破煤体弹性分析，为爆破孔布置提供依据。

1　弹性理论分析

由于高压空气爆破的孔径远小于其释放后破坏范围的孔径，假设爆破区域无大断层，煤岩体内无大裂隙，且裂隙分布均匀。现将高压空气沿孔径破坏的区域简化为一个内半径为a、外半径为b的厚壁圆筒[6]，如图1所示。高压空气释放后，内壁表面受到的压力为p1，外壁表面受到的压力为p2，筒体仅沿半径方向发生均匀的膨胀或收缩。图1中，用极坐标(r,θ)表示各分量，σr(r)、σθ(r)为径向应力，εr(r)、εθ(r)为应变分量。

依据弹性理论的平衡方程、几何方程、本构方程[6]推导得到的径向应力计算公式为

(1)

煤体介质的抗拉强度远小于抗压强度，故可用岩石的单轴抗拉屈服极限表示相应的破坏屈服条件[7-9]，使用静态破碎的拉应力分布函数对岩石的破坏进行分析。当拉应力σ大于岩石介质抗拉强度σs时，产生拉伸破坏形成裂纹。假设煤体为均质材料，依据爆破特征，可将破坏区域划分为空腔区、破碎区、弹性区。其中，破碎区的最大半径rkmax可通过下式计算：

图1　简化后的模型

(2)

式中,rb为空腔区半径，取0.127 5m；pb为作用于钻孔壁上的初始压应力，取50MPa；σs为煤岩体的抗拉强度，取0.218MPa；rn/re为空腔区与压碎区之间的内径和外径比值，取0.2；γ1为绝热指数，取1.0。

经式(2)计算得：rkmax约为2.8m。

2　试验分析

试验煤层为丁集矿轨道大巷联巷13-1#煤层，该煤层为瓦斯突出危险煤层，瓦斯压力1.6MPa，瓦斯含量6.11m3/t，采用锚网(索)支护。在13-1轨道联巷内施工穿层钻孔将爆破释放装置和高压输气管送入煤层中的预定位置，采用高压空气加压，压力达到设定压力(60MPa)时，高压空气经爆破阀释放。爆破后煤层透气性与衰减系数的变化情况见表1。由表1可知：2#、3#、4#钻孔气爆后，煤体由于受到巨大冲击，在破碎区内煤的透气性系数被改变，原煤层的透气性系数由0.021 4m2/(MPa2·d)提高至(1.138 48～27.065 29)m2/(MPa2·d)，煤层透气性系数增加率达到50%～1 000%，煤层透气性得到较大改善，由此可知，爆破影响破碎区的半径约为2.6m。