低透气性煤层预裂爆破裂纹扩展特征数值模拟研究

摘要

在煤矿瓦斯治理工程中，预裂爆破是改善低透气性煤层渗透率的有效措施之一，其效果取决于爆破裂纹的产生与扩展程度。为研究低透气性煤层预裂爆破裂纹产生与扩展的特征及规律，将爆破过程看作平面应变问题，基于HJC模型、HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN材料模型和JWL状态方程，构建了深孔预裂爆破数值模型，并采用六面体单元进行网格划分；基于此，采用LS-DYNA软件对数值模型进行解算，分析了爆破孔周围破碎区和裂隙区的产生与发展过程，探讨了爆破孔周围煤体的裂隙与应力变化特征；最后，针对煤层预裂爆破参数选取，给出了合理化建议。研究表明：采用2号岩石乳化炸药，药卷直径94 mm,炮孔直径120 mm的爆破条件下，爆破产生的破碎区范围为1.43 m×1.25 m,裂隙区半径约为3.4 m,主裂隙长度为2.0～2.62 m;爆破孔与控制孔连线方向主要受压应力作用，切向受拉压应力作用，控制孔左右两侧切向受拉压作用显著；不同炮孔先后爆破产生的应力波与裂隙区应力场发生叠加，对裂隙的产生发展具有一定影响；煤层预裂爆破的合理布孔参数需综合考虑煤层对爆破应力波的衰减作用、空孔壁面对爆破应力波的反射作用以及双孔爆破应力波的叠加作用。

关键词

低透气性煤层 / 预裂爆破 / 裂纹扩展 / 数值模拟 / 控制孔

基金资助

国家自然科学基金资助项目(51974108、51404093); 河南省博士后科研项目(001701014); 河南省高校基本科研业务费专项资金资助项目(NSFRF210315); 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地开放基金项目(WS2020B12、WS2012A09); 河南理工大学博士基金资助项目(B2008-15、B2012-093)