赵汝星

(北京工业职业技术学院文法与管理学院)



基于多物理场耦合的瓦斯排放半径的确定

赵汝星

(北京工业职业技术学院文法与管理学院)

为提高松动爆破作为局部防突措施的实施效果，节省掘进工作面防突措施(效果检验)的执行时间，确定合理的钻孔布置参数，结合成庄煤矿现场实际参数，建立了爆破损伤及损伤诱致围岩卸压和促进瓦斯运移的数学模型。综合考虑地应力、爆破导致的煤岩损伤及对于瓦斯运移的影响等因素，对爆破卸压及对瓦斯运移规律的影响进行了数值分析，并进行了现场实测验证，确定了合理的瓦斯排放半径为2.0～2.5 m，对于有效进行局部防突及工作面快速掘进有一定的参考价值。

煤与瓦斯突出松动爆破排放半径爆破泄压瓦斯运移规律

成庄煤矿随着巷道向深部的延伸，煤与瓦斯突出灾害威胁显著增加，为此须采取“四位一体”的防突措施。但由于瓦斯突出检测指标超标现象严重，采取“四位一体”的措施后严重影响了掘进效率，造成采掘接替日益紧张，直接影响矿井经济效益的进一步提高。为缓解常规防突措施给生产衔接带来的矛盾，在该矿4103、4105工作面进行了深孔松动爆破试验，力争将掘进速度由以往的2～3 m/d提高至8～10 m/d，实现掘进工作面的快速掘进，但如何提高松动爆破的瓦斯排放效果，瓦斯排放半径的确定是该项措施实施成败的关键。

1　松动爆破瓦斯排放半径数值模拟

煤层松动爆破是在掘进工作面使用普通振动放炮的基础上，在一定深度的煤体应力集中带内布置数个长炮眼进行爆破，目的在于利用炸药的能量破坏煤体前方的应力集中带，便于在工作面前方形成较长的卸压带，预防瓦斯突出的发生[1]。为此，本研究建立了爆破损伤及损伤诱致围岩卸压和促进瓦斯运移的数学模型，综合考虑地应力、爆破导致的煤岩损伤及对于瓦斯运移的影响等因素，利用有限元分析软件Comsol Multiphyscics实现对非线性多物理场耦合控制方程的求解，进行爆破卸压及对瓦斯运移规律影响的数值分析[2-3]。

1.1模型构建

由于针对现场实际建立的数值模型所需的计算单元较多，故本研究以简化的三维数值模型为模拟单元，模型取X方向10 m，Y方向5 m，Z方向7 m，巷道顶底板上覆岩层为砂岩，工作面按给定资料取高3.0 m，宽5.0 m，在掘进面上打控制孔一个，距爆破孔1.0 m，爆破孔2个，间距1.4 m，孔深5.0 m。由于深孔控制预裂爆破是一个超动态的瞬间过程，故本研究采用零位移边界条件，模型四周假设为无瓦斯补给，给定瓦斯流量为0 MPa，抽放孔定义为-5 kPa，将煤体视为连续的、均质的、各向同性的弹性体，煤体中初始瓦斯压力为0.98 MPa(表1)。假设模型处于地下500 m深处，模拟上覆岩层的荷载为12.25 MPa。

表1　瓦斯抽放与深孔控制预裂爆破模拟基本参数

1.2数值计算结果

1.2.1巷道开挖后状态

巷道开挖引起的损伤区域云图如图1所示。由图1可知：由于巷道开挖造成应力重分布，进而导致应力集中和煤体的损失破坏，导致靠近煤壁附近约1 m的半圆柱范围内产生了煤体破坏区。

图1　巷道开挖引起的损伤区域云图

"极限应力状态区”易在掘进工作面的前方形成，由图2可知：拉应力区的最大拉应力为3.116 MPa，压应力区的最大压应力为33.57 MPa，在巷道的顶底板出现了拉应力，靠近工作面向X轴方向延伸1 m附近也出现拉应力区，并且在距工作面1～2 m附近会出现压应力区域，随着不断远离工作面，压应力会不断降低，直至降至原岩应力为止。

1.2.2松动爆破实施后的状态

松动爆破后的损伤区云图如图3所示。由图3可知爆破孔附近产生松动的范围。由于模拟实际爆破效果的难度较大，加之相关爆破参数的不确定性，故本研究通过对模型施加等效的径向爆破压力(2 275.91 MPa)来模拟爆破所产生的气体压力，松动爆破使得在爆破孔周围形成了半径约1.2 m的松动区和半径1.05 m的破碎区，表明松动爆破发挥了预防瓦斯突出的作用。

图2　沿爆破孔和控制孔纵剖面的弹性模量及应力分布

图3　松动爆破后损伤区分布

由图4(a)可知：正应力Z为0的区域明显大于松动爆破前的范围，此时压应力最大为36.51 MPa，拉应力最大为4.525 MPa，靠近工作面煤壁的应力集中移动至爆破孔附近。由图4(b)可知：煤层的弹性模量为1 000 MPa，在爆破孔附近的区域，弹性模量明显降低，反映了爆破对煤层的损伤效果较好。

爆破孔正上方0.383 m处沿孔走向方向的应力分布情况见图5。由图5可知：X=0～2 m为工作面，X=2～10 m为煤层，由于开采损伤，煤层中的应力集中向煤层内部转移，因此在X=2～2.5 m段，应力缓慢增加，从而在X=2.5～9.0 m段，Z方向的应力显著增加，在X=3.06 m时应力达到峰值。图6给出了控制孔正上方0.134 m处沿孔走向方向的应力分布。由图6可知：爆破前Z方向的应力分布规律与图5类似，而在爆破后由于爆破松动造成煤岩体的破坏与应力重分布，在卸压带X=2～3.31 m段，应力变化量约0.6 MPa，而在X=3.31～9.6 m 段，应力集中导致Z方向的应力梯度变化显著增加，在X=7.08 m时出现了Z方向正应力峰值，即距工作面5.08 m产生应力峰值，其值为20.6 MPa。

图4　沿爆破孔和控制孔纵剖面的的弹性模量和应力分布

图5　爆破孔上方拉伸线应力变化曲线

图6　控制孔上方拉伸线应力变化曲线

2　现场测定

在爆破孔附近每隔0.5 m打5个深10 m的钻孔，通过观测爆破孔爆破后煤层裂隙的瓦斯涌出强度，用流量法测定了爆破的影响半径[4-6]，爆破孔、测试孔的分布如图7所示，爆破前后瓦斯涌出曲线如图8所示。

图7　松动爆破有效影响半径测试钻孔布置示意

由图8可知：①1#～4#孔在爆破后，瓦斯涌出量较爆破前有明显增加，说明该4个孔位于爆破影响范围之内；②5#孔的瓦斯涌出量较爆破前减小，表现出与钻孔瓦斯涌出量正常衰减的特征，表明该孔未受到爆破孔的影响。据此，经实测分析得到的爆破钻孔的有效影响半径为2.0～2.5 m。

图8　松动爆破测试钻孔瓦斯涌出变化曲线◆—5#孔(间距2.5 m)；■—4#孔(间距2.0 m)；▲—3#孔(间距1.5 m)；●—2#孔(间距1.0 m)； ×—1#孔(间距0.5 m)

3　结　论

(1)深孔松动爆破有助于消除煤体结构的不均匀性，减少地应力，降低煤体中的瓦斯含量，增大煤层的透气性，排放瓦斯，达到快速消突的效果。

(2)在实施松动爆破后，由于煤体破坏及渗透率的提高，瓦斯的快速排放效果明显。

(3)通过数值模拟分析与现场测试，确定成庄矿实施松动爆破时的瓦斯排放半径为2.0～2.5 m。

[1]郝富昌，刘明举，孙丽娟.基于多物理场耦合的瓦斯抽放半径确定方法[J].煤炭学报，2013(1)：106-111.

[2]郭涛.钻孔抽放瓦斯流固耦合分析及数值模拟[J].重庆大学学报：自然科学版，2011，34(11)：105-110.

[3]郝富昌.基于多物理场耦合的瓦斯抽采参数优化研究[D].北京：中国矿业大学(北京)，2012.

[4]刘斯佳.基于瓦斯流动理论对瓦斯排放半径确定方法的改进研究[D].焦作：河南理工大学，2011.

[5]张福旺.“三软”突出煤层超前钻孔有效排放半径的测定技术[J].煤炭工程，2008(10)：42-44.

[6]宋军.坪上煤矿不同孔径超前钻孔有效排放半径的测定[J].煤矿安全，2012，43(10)：131-133.

2016-05-26)

赵汝星(1959—)，男，副教授，100043 北京市昌平区立汤路181号。