深部煤层水压爆破裂纹扩展规律

李真珍; 于建新; 杨小林; 褚怀保; 王金星; 刘焕春

doi:10.11858/gywlxb.20210912

深部煤层水压爆破裂纹扩展规律

doi: 10.11858/gywlxb.20210912

李真珍^1,,
于建新^{1, 2,*, ,},
杨小林¹,
褚怀保¹,
王金星¹,
刘焕春²

1.
河南理工大学土木工程学院, 河南焦作　454003
2.
河南理工大学安全科学与工程学院, 河南焦作　454003

基金项目: 国家自然科学基金（42107200）；河南省科技攻关计划（212102310598）；中国职业安全健康协会创新创业项目（CXCY-2021-23）

详细信息

作者简介:
李真珍（1996－），女，硕士，主要从事地下工程爆破及防灾减灾研究. E-mail：578425526@qq.com

通讯作者:
于建新（1986－），男，博士，副教授，主要从事地下工程爆破及防灾减灾研究.E-mail：jianxinyu@hpu.edu.cn

中图分类号: O347; TU43
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出版历程
- 收稿日期: 2021-12-01
- 修回日期: 2021-12-21
- 刊出日期: 2022-05-30

Crack Propagation Regularity of Hydraulic Blasting in Deep Coal Seam

1.
School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, Henan, China
2.
College of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, Henan, China

摘要

摘要: 深部煤层的地应力高、瓦斯含量高、渗透系数低，严重威胁煤炭的高效安全生产，必须进行强化增透以提高瓦斯的抽采率。水压爆破具有传能效率高、安全性好的特点，可应用于深部煤层增透。为研究深部煤层水压爆破裂纹扩展规律，基于LS-DYNA数值模拟，分析了不同的地应力、不耦合系数、耦合介质等条件下煤层的致裂效果。结果表明：地应力对水压爆破产生的冲击荷载有削减作用，地应力增大致使煤层裂纹长度变短，裂隙区范围减小，地应力在1～20 MPa范围内时，随着地应力的增大，爆破应力波的衰减逐渐减弱；不耦合系数处于1.0～3.0区间时，随着不耦合系数的增大，破碎区范围减小，裂隙区范围先增大后减小，煤层水压爆破裂纹扩展范围先增大后减小，不耦合系数为2.0时，爆破致裂效果最佳；采用不同的耦合介质爆破时，水介质耦合下爆破煤层裂隙区范围大于空气介质，水介质条件下爆破产生的有效应力最大值是空气介质下的1.35倍，水介质更有利于煤层裂纹的扩展发育。研究成果对于深部煤层水压爆破致裂增透工程实践具有一定的指导作用。
- 煤层增透 /
- 水压爆破 /
- 地应力 /
- 不耦合系数
Abstract: Deep coal seam has high geostress, high gas content and low permeability coefficient, which seriously threaten the safety and efficiency of coal production, so it is necessary to strengthen the permeability enhancement and improve the gas extraction rate. Hydraulic blasting has the characteristics of high energy transfer efficiency and good safety, and can be better applied to the permeability enhancement of deep coal seam. In order to study the crack propagation regularity of hydraulic blasting in deep coal seam, LS-DYNA numerical method was used to analyze the effect of fracture of coal seam under different geostresses, uncoupling coefficient and coupling medium. The results show that the geostress can reduce the impact load caused by hydraulic blasting. With the increase of geostress, the crack length of coal seam becomes shorter and the range of crack zone decreases. When the geostress is within the range of 1−20 MPa, the attenuation trend of blasting stress wave weakens gradually with the increase of geostress. With the increase of the uncoupling coefficient, the range of crushing zone decreases, the range of fracture zone increases at first and then decreases. When the uncoupling coefficient is in the range of 1.0−3.0 and the uncoupling coefficient is 2.0, the blasting cracking effect is the best. When blasting in different coupling media, and the range of blasting fracture zone in water is larger than that in air. The maximum effective stress produced by blasting in water is 1.35 times higher than that in air, the water is more beneficial to the propagation and development of coal seam cracks. This research results have a certain guiding role for the engineering practice of crack propagation and permeability enhancement caused by hydraulic blasting in deep coal seam.
- coal seam permeability enhancement /
- hydraulic blasting /
- geostress /
- uncoupling coefficient

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煤层气（煤矿瓦斯）是储存在煤层及煤系地层的烃类气体，主要成分是甲烷，其热值与天然气相当，是一种优质的清洁能源。我国煤层气储条件具有低饱和度、低渗透性、低储层压力、高质变程度的特点，煤层气开发难度很高。通过改善煤层裂隙发育水平、提高煤层透气性、疏通渗流通道，可以获得理想的煤层气抽取速率和规模。目前广泛使用的方法主要有保护层开采卸压、煤层致裂增渗、扩大钻孔影响半径等^[1-3]。然而，由于深部煤层具有高地应力^[4]，含瓦斯煤层的微孔隙、低渗透性和高吸附的赋存特征愈发明显，致裂效果不甚理想，因此瓦斯的抽采难度很大。

煤层爆破增透可以增加开采煤层的透气性系数，提高煤层瓦斯抽取率，为煤层的快速消突提供解决途径。相对于空气介质，水压爆破具有应力波作用时间长、能量利用率高的特点，广泛应用于爆破拆除、爆炸成形与整形中^[5]。实践证明，在煤层增透方面，水压爆破的传能效率高、安全性好、增透效果显著，具有绝对的优势和广阔的应用前景^[6-8]。

国内外学者采用理论分析、模型实验、动态冲击、数值模拟等方法，对岩石爆破动力学问题开展了大量的研究，取得了丰硕的成果。陈士海等^[9]根据水介质特性和爆炸作用特点，得到岩石水压爆破不产生粉碎区时的最佳不耦合系数，计算得出粉碎区、裂隙区与炮孔半径的关系。邵珠山等^[10]通过理论分析得到了冲击波在水中的传播规律、孔壁处冲击压力与不耦合系数的关系、岩石质点位移随质点距爆心距离的变化规律，以及岩石在应力波作用下的破裂机理和破裂区范围。徐向宇等^[11]通过数值模拟得出裂纹扩展与爆破应力波传播方向的关系，以及最佳装药量、控制孔对爆破应力波的影响。Huang等^[12-13]通过水压爆破真三轴模型实验，得出致裂煤体的裂隙范围呈椭圆形，并得到了水压爆破后再进行水力压裂时裂隙煤岩体的裂纹扩展规律；Zhu等^[14-15]采用AUTODYN 2D分析了起爆位置、边界条件、耦合介质、钻孔直径、装药直径和节理因素对应力波传播及岩石裂纹扩展的影响规律。朱飞昊等^[16]利用LS-DYNA软件建立了水和空气耦合装药的松软煤体爆破模型，得出水耦合装药在松软煤体中形成的裂纹数量以及裂隙区范围明显较优，形成的压、拉应力峰值分别是空气耦合装药爆破的3.71和2.58倍。

国内外学者通过理论分析、模型实验及数值模拟等方法，对岩石爆破增透的影响范围、影响因素、增透效果等进行了研究，对于岩石爆破致裂增透技术的应用、水压爆破裂纹扩展及应力波传播规律的探索具有较强的指导意义。然而，目前大多数研究主要针对岩石爆破，对于含有瓦斯的煤岩，其研究成果并不能完全适用。就当前的大部分研究成果而言，关于高地应力条件下的深部煤岩，水压爆破增透研究尚未形成完整的理论体系，不同的地应力、装药量、不耦合系数条件下，水压爆破对煤层爆破致裂效果的分析仍不充分。为此，本研究针对地应力、不耦合系数等因素对水压爆破煤层增透效果进行模拟分析，以期为高地应力条件下的低渗透煤层水压爆破裂纹扩展研究提供一些参考。

1. 煤层水压爆破数值模拟

1.1 模型的建立

建立简化平面应变数值计算模型，如图1所示，中间孔为水压爆破孔，直径为7.5 cm，两侧为控制孔，模型尺寸为100 cm×100 cm。对整个模型施加z方向位移约束，底部施加y方向位移约束，周边施加x方向水平地应力 ${\sigma _x}$ ，顶部施加y方向竖直地应力 ${\sigma _y}$ ，整个模型四周为非反射边界条件。

图 1 数值计算模型

Figure 1. Model of numerical calculation

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1.2 材料参数

为考察不同因素（地应力、不耦合系数等）对水压爆破煤层致裂效果的影响，以炮孔周围煤层为研究对象。煤层选用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型进行描述，该模型适用于各向同性和动态塑性硬化模型，并考虑了速度效应，相关力学参数如表1所示，其中： $\,\rho$ 为密度，E为杨氏模量，c为应变率参数， $\nu$ 为泊松比。

表 1 煤层的主要力学参数

Table 1. Main mechanical parameters of coal seam

$\,\rho$ /(g·cm⁻³)	E/GPa	c	$\nu$
2.6	68.69	2.63	0.25

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炸药为2号岩石乳化炸药，采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型模拟，状态方程选用*EOS_JWL，其表达式为

$p = A\left( {1 - \frac{\omega }{{{R_1V}}}} \right){{\rm e}^{ - {R_1}V}} + B\left( {1 - \frac{\omega }{{{R_2V}}}} \right){{\rm e}^{ - {R_2}V}} + \frac{{\omega {E_0}}}{V}$

(1)

式中：p为爆生气体压力，单位MPa；V为相对体积，单位m³；E₀为爆轰产物的初始内能比，单位GPa；A、B、R₁、R₂、 $\omega$ 为实验确定的常数。相关参数列于表2，其中：D为爆速，p_CJ为Chapman-Jouguet压力。

表 2 炸药及其状态方程的主要参数

Table 2. Main parameters of explosive and equation of state

$\rho$ /(g·cm⁻³)	D/(m·s⁻¹)	p_CJ/GPa	A/GPa	B/GPa	R₁	R₂	E₀/GPa	$\omega$
1.15	4300	3.43	214.4	0.182	4.5	0.9	3.5	0.15

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空气选用*MAT_NULL模型描述，其状态方程采用*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL，表达式为

${p_{\rm a}} = {C_0} + {C_1}\mu + {C_2}{\mu ^2} + {C_3}{\mu ^3} + ({C_4} + {C_5} + {C_6}{\mu ^2}){e_0}$

(2)

式中：p_a为爆轰压力，单位GPa；e₀为初始单位体积内能，单位J/m³； $\,\mu$ 为比体积， $\,\mu$ =1.4；C₀～C₆为方程系数。主要参数见表3。

表 3 空气及其状态方程的主要参数

Table 3. Main parameters of air and equation of state

$\,\rho$ /(kg·m⁻³)	C₀	C₁	C₂	C₃	C₄	C₅	C₆	e₀/(J·m⁻³)
1.29	0	0	0	0	0.4	0.4	0	2.5×10⁵

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水选用*MAT_NULL模型描述，其状态方程采用*EOS_GRUNEISEN，表达式为

$p = \frac{{{\rho _0}{C^2}\mu \left[ {1 + \left( {1 - \dfrac{{{\gamma _0}}}{2}} \right)\mu - \dfrac{a}{2}{\mu ^2}} \right]}}{{{{\left[ {1 - \left( {{S_1} - 1} \right)\mu - {S_2}\dfrac{{{\mu ^2}}}{{\mu + 1}} - {S_3}\dfrac{{{\mu ^3}}}{{{{\left( {\mu + 1} \right)}^2}}}} \right]}^2}}}$

(3)

式中： ${\,\rho _0}$ 为初始密度，单位g/cm³； ${\gamma _0}$ =0.5为常数；C为u_s-u_p（冲击波速度-粒子速度）曲线的截距；S₁、S₂、S₃为u_s-u_p曲线斜率的系数；a为 ${\gamma _0}$ 的一阶体积修正。主要参数如表4所示。

表 4 水及其状态方程的主要参数

Table 4. Main parameters of water and equation of state

${\,\rho }$ ₀/(g·cm⁻³)	C/(km·s⁻¹)	S₁	S₂	S₃
1.0	1.480	2.560	−1.986	0.227

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1.3 数值模拟方案

运用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件，共建立3组模型。第1组是不同地应力条件下的单孔水压爆破（双控制孔不耦合系数r=1.5），对整个模型周边x方向和顶部y方向施加模拟地应力，地应力分别为1、5、10、20 MPa，对应的模型编号分别为1、2、3、4，用于考察地应力对水压爆破的影响。第2组模型是在相同的地应力（20 MPa）条件下，分析不耦合系数对水压爆破的影响，爆破孔径保持7.5 cm不变，通过改变装药直径调整不耦合系数，不耦合系数r分别为1.0、1.5、2.0、3.0，不耦合系数越大，装药直径越小，装药量越少，对应的模型编号分别为5、6、7、8。第3组模型是在相同的地应力（10 MPa）和不耦合系数（r=1.5）条件下，对比分析空气介质耦合与水介质耦合对煤层爆破增透效果的影响，水介质耦合和空气介质耦合模型编号分别为9和10。

2. 数值模拟结果分析

2.1 地应力对水压爆破效果的影响

在不同的地应力条件下，对双控制孔不耦合系数r=1.5的单孔水压爆破进行模拟。令 ${\sigma _x}$ 和 ${\sigma _y}$ 均等于1、5、10、20 MPa，以模拟不同的围压条件，提取相同时刻、不同地应力条件下水压爆破应力波传播及裂纹扩展图像，如图2所示。

图 2 不同地应力条件下不同时刻应力波的传播及裂纹扩展

Figure 2. Propagation of stress wave and cracks at different time under different geostresses

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结果显示，对于双控制孔不耦合系数r=1.5的单孔水压爆破，应力波（绿色）以爆破中心点为起点向四周扩散，裂纹（白色）扩展方向也由爆破中心向四周扩散，与应力波传播方向一致。爆破孔周围的横向裂纹和纵向裂纹发育明显，形成密集的环形裂纹区域，这是由于爆炸产生的高应力波从水中透射进入煤层，应力波的初始应力远高于煤体抗压强度，在爆破孔附近形成粉碎区，随应力波衰减形成裂隙区^[16]。观察图2所示的裂纹扩展情况可以发现，在同一时刻，随着地应力的增加，裂隙范围逐渐减小，裂纹逐渐变细变短。

利用LS-PrePost软件中的History板块Global-Knietic Energy选项，提取不同地应力条件下破碎区煤层的动能数据，采用Origin软件绘制水压爆破过程中的动能-时间曲线，如图3所示。观察图3可知，煤层水压爆破所产生的动能随地应力的增大而减小，地应力为1 MPa时的最大动能约为20 MPa时的1.05倍。结合图2可知，双控制孔煤层单孔水压爆破增透时，地应力增大使得煤层中爆破产生的动能减小，阻碍爆破应力波传播，致使裂纹扩展范围减小，爆破效果变差。

图 3 不同地应力条件下的动能-时间曲线

Figure 3. Kinetic energy-time curves under different geostress conditions

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为分析其原因，在爆破孔与控制孔水平方向上的中间位置选择目标点A，利用LS-PrePost软件中的History板块Element-Effective Stress (v-m)选项，提取不同地应力条件下点A的最大有效应力，绘制地应力-最大有效应力曲线，如图4所示。

图 4 点A的最大有效应力

Figure 4. Maximum effective stress at point A

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从图4中可以看出，随着地应力的增大，目标点A的最大有效应力逐渐降低，并且1～10 MPa地应力范围内最大有效应力的下降趋势明显，地应力大于10 MPa时下降趋势变缓，与图2所示的裂隙区横向和纵向裂纹扩展长度的变化趋势一致。1～10 MPa地应力区间最大有效应力的下降值是10～20 MPa区间有效应力下降值的83倍，即随着地应力的增大，点A的最大有效应力下降趋势先增强后减弱，当地应力大于10 MPa时，深部水压爆破受地应力的影响较小。

通过对比分析可知，对于双控制孔不耦合系数r=1.5的单孔水压爆破，水压爆破应力波对煤层的压力荷载受到地应力的抑制作用，从而影响裂纹扩展发育，随着地应力的增大，煤层裂纹扩展范围逐渐减小，横向和纵向裂纹长度变短、宽度变细，裂隙区范围逐渐减小。由此可以得出：双控制孔煤层单孔水压爆破时，地应力增大会限制煤岩体变形，使爆破空腔缩小，爆破应力波传播受阻，裂纹扩展范围减小，煤层致裂效果变差。

2.2 不耦合系数对水压爆破效果的影响

改变装药直径，在相同围压（ ${\sigma _x}$ 、 ${\sigma _y}$ 均为20 MPa）条件下，研究不耦合系数对双控制孔煤层单孔水压爆破的影响，不耦合系数不同时各时刻爆破应力波的传播及裂纹扩展情况如图5所示。

图 5 不同时刻不同不耦合系数条件下的应力波传播及裂纹扩展

Figure 5. Propagation of stress wave and cracks at different time under different uncoupling coefficients

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模拟结果显示，爆破应力波（绿色）以爆破中心点为起点，随着传播距离的增加而不断衰减，裂纹（白色）扩展方向与爆破应力波传播方向一致。随着不耦合系数的增大，装药直径减小，即装药量减少，起爆能量降低，破碎区范围减小，裂隙区范围先增大后减小。当r=1.0时，装药量过大，起爆能量高，导致过度破碎，裂纹发育不良，不利于煤层爆破增透；当r=3.0时，装药量过少，起爆能量低，导致破碎区范围较小，在控制孔的导向作用下，裂纹发育呈“十字形”展开，此时增透效果较差。随着不耦合系数的增大，裂纹发育扩展区域先增大后减小，r=3.0时的裂隙区扩展范围小于r=2.0时的情况。

为了分析其原因，在起爆孔与控制孔水平方向上，近起爆点1/3位置选择目标点B，如图6所示，提取该点的有效应力，得到不同不耦合系数下有效应力时程曲线，如图7所示。

图 6 目标点B的选取

Figure 6. Selection of target point B

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从图7可以看出：r在1.0～3.0区间时，点B的有效应力先增大后减小；当r=2.0时，有效应力达到最大值，为153 MPa；当r=3.0时，有效应力峰值最小，为46 MPa；当r在1.0～2.0区间时，r=2.0时的有效应力峰值约为r=1.0时的2.06倍，有效应力峰值和有效应力作用时间均逐渐增大；当r >2.0时，点B的有效应力峰值最低，且有效应力峰值和有效应力作用时间均减小，低于r=1.0时的各项参数，此时装药量过小，起爆能量过低。

图 7 目标点B的有效应力随时间变化曲线

Figure 7. Relationship between effective stress and time at point B

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由此可知，对于双控制孔煤层单孔水压爆破，不耦合系数过大或过小均不利于煤层致裂，当不耦合系数r处于1.0～3.0区间时，不耦合系数为2.0时的煤层致裂效果最好。

3. 耦合介质对爆破效果的影响

在相同的地应力和不耦合系数条件下，对比分析空气介质和水介质对单孔爆破煤层裂纹扩展的影响。结合上述分析，选取地应力为10 MPa，r=1.5，建立水介质和空气介质的煤层单孔爆破模型，爆破应力波传播及裂纹扩展情况如图8和图9所示。

图 8 水耦合条件下应力波传播及裂纹扩展

Figure 8. Propagation of stress wave and cracks under the condition of water coupling

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图 9 空气耦合条件下应力波传播及裂纹扩展

Figure 9. Propagation of stress wave and cracks under the condition of air coupling

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从碎裂区范围和裂隙区扩展发育情况来看，水介质中的裂纹发育及应力波传播范围均优于空气介质，对于双控制孔煤层单孔爆破，采用水介质时应力波的传播效率更高，裂纹扩展范围更大。如图10所示，在爆破孔与控制孔之间等距离取3个点C、D、E，绘制各点的有效应力随时间的变化曲线，如图11、图12和图13所示。

图 10 目标点C、D、E的选择

Figure 10. Selection of target points C, D and E

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图 11 目标点C的有效应力时程曲线

Figure 11. Effective stress-time curves at point C

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图 12 目标点D的有效应力时程曲线

Figure 12. Effective stress-time curves at point D

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图 13 目标点E的有效应力时程曲线

Figure 13. Effective stress-time curves at point E

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从图11、图12和图13可以看出，水介质中点C、D、E处的有效应力最大值分别是空气介质的1.35、1.93和2.76倍，且水介质中点C的有效应力作用时间大于空气介质中，D、E两点处应力波产生的有效应力峰值不足以破坏煤体。总体来看，水介质中的有效应力大于空气介质中的有效应力，说明对于地应力为10 MPa、不耦合系数r=1.5的双控制孔煤层单孔爆破，选取水作为耦合介质有利于应力波的传播和裂纹的扩展发育。

4. 结　论

(1) 通过对比分析不同地应力情况下双控制孔不耦合系数r=1.5的单孔水压爆破，发现高地应力对煤层受到的爆破应力荷载产生抵消作用，使爆破产生的裂隙区裂纹的横、纵向扩展范围减小，裂纹变短变细。

(2) 对于双控制孔煤层单孔水压爆破，在相同地应力、不同不耦合系数的条件下，随着不耦合系数的增大，爆破裂隙区范围先增大后减小。炸药过多，会导致粉碎区范围较大，煤层过度粉碎，不利于煤层增透；炸药过少，起爆能量较低，粉碎区和裂隙区范围较小，不能达到煤层增透的效果。模拟实验得出，当地应力为20 MPa、不耦合系数r在1.0～3.0范围内时，最佳不耦合系数为2.0。

(3) 对比分析了水和空气两种耦合介质对双控制孔煤层单孔爆破增透的影响，水介质条件下应力波的传播范围优于空气介质，煤层爆破产生的裂隙区范围大于空气介质。在煤层爆破有效区域内，水介质条件下产生的有效应力最大值是空气介质条件下的1.35倍。在地应力为10 MPa、不耦合系数r=1.5的双控制孔煤层单孔爆破增透中，选取水作为耦合装药介质更有利于能量传播和煤层增透裂纹的扩展发育。

图 1 数值计算模型

Figure 1. Model of numerical calculation

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图 2 不同地应力条件下不同时刻应力波的传播及裂纹扩展

Figure 2. Propagation of stress wave and cracks at different time under different geostresses

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图 3 不同地应力条件下的动能-时间曲线

Figure 3. Kinetic energy-time curves under different geostress conditions

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图 4 点A的最大有效应力

Figure 4. Maximum effective stress at point A

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图 5 不同时刻不同不耦合系数条件下的应力波传播及裂纹扩展

Figure 5. Propagation of stress wave and cracks at different time under different uncoupling coefficients

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图 6 目标点B的选取

Figure 6. Selection of target point B

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图 7 目标点B的有效应力随时间变化曲线

Figure 7. Relationship between effective stress and time at point B

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图 8 水耦合条件下应力波传播及裂纹扩展

Figure 8. Propagation of stress wave and cracks under the condition of water coupling

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图 9 空气耦合条件下应力波传播及裂纹扩展

Figure 9. Propagation of stress wave and cracks under the condition of air coupling

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图 10 目标点C、D、E的选择

Figure 10. Selection of target points C, D and E

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图 11 目标点C的有效应力时程曲线

Figure 11. Effective stress-time curves at point C

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图 12 目标点D的有效应力时程曲线

Figure 12. Effective stress-time curves at point D

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图 13 目标点E的有效应力时程曲线

Figure 13. Effective stress-time curves at point E

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表 1 煤层的主要力学参数

Table 1. Main mechanical parameters of coal seam

$\,\rho$ /(g·cm⁻³) E/GPa c $\nu$

2.6 68.69 2.63 0.25

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表 2 炸药及其状态方程的主要参数

Table 2. Main parameters of explosive and equation of state

$\rho$ /(g·cm⁻³) D/(m·s⁻¹) p_CJ/GPa A/GPa B/GPa R₁ R₂ E₀/GPa $\omega$

1.15 4300 3.43 214.4 0.182 4.5 0.9 3.5 0.15

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表 3 空气及其状态方程的主要参数

Table 3. Main parameters of air and equation of state

$\,\rho$ /(kg·m⁻³) C₀ C₁ C₂ C₃ C₄ C₅ C₆ e₀/(J·m⁻³)

1.29 0 0 0 0 0.4 0.4 0 2.5×10⁵

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表 4 水及其状态方程的主要参数

Table 4. Main parameters of water and equation of state

${\,\rho }$ ₀/(g·cm⁻³) C/(km·s⁻¹) S₁ S₂ S₃

1.0 1.480 2.560 −1.986 0.227

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参考文献(16)

[1]	袁亮, 薛俊华, 张农, 等. 煤层气抽采和煤与瓦斯共采关键技术现状与展望 [J]. 煤炭科学技术, 2013, 41(9): 6–11, 17. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2013.09.006 YUAN L, XUE J H, ZHANG N, et al. Development orientation and status of key technology for mine underground coal bed methane drainage as well as coal and gas simultaneous mining [J]. Coal Science and Technology, 2013, 41(9): 6–11, 17. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2013.09.006
[2]	周世宁, 林柏泉. 煤矿瓦斯动力灾害防治理论及控制技术 [M]. 北京: 科学出版社, 2007. ZHOU S N, LIN B Q. Theory and control technology of coal mine gas dynamic disaster prevention [M]. Beijing: Science Press, 2007.
[3]	程远平, 付建华, 俞启香. 中国煤矿瓦斯抽采技术的发展 [J]. 采矿与安全工程学报, 2009, 26(2): 127–139. doi: 10.3969/j.issn.1673-3363.2009.02.001 CHENG Y P, FU J H, YU Q X. Development of gas extraction technology in coal mines of China [J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2009, 26(2): 127–139. doi: 10.3969/j.issn.1673-3363.2009.02.001
[4]	康红普. 煤岩体地质力学原位测试及在围岩控制中的应用 [M]. 北京: 科学出版社, 2013. KANG H P. In-situ geomechanics measurements for coal and rock masses and their application on strata control [M]. Beijing: Science Press, 2013.
[5]	汪旭光. 爆破手册 [M]. 北京: 冶金工业出版社, 2010. WANG X G. Blasting manual [M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2010.
[6]	张英华, 倪文, 尹根成, 等. 穿层孔水压爆破法提高煤层透气性的研究 [J]. 煤炭学报, 2004, 29(3): 298–302. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2004.03.010 ZHANG Y H, NI W, YIN G C, et al. Study on improving the penetrability of coal seam with the water pressure blasting in the through beds hole [J]. Journal of China Coal Society, 2004, 29(3): 298–302. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2004.03.010
[7]	孙鑫, 林柏泉, 董涛, 等. 穿层深孔水压控制爆破及其在防突工程中的应用 [J]. 采矿与安全工程学报, 2010, 27(1): 82–86. doi: 10.3969/j.issn.1673-3363.2010.01.016 SUN X, LIN B Q, DONG T, et al. Deep crossing-hole controlled hydraulic blasting and its application in outburst prevention [J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2010, 27(1): 82–86. doi: 10.3969/j.issn.1673-3363.2010.01.016
[8]	蒲文龙, 毕业武. 低透气性煤层深孔聚能水压爆破增透瓦斯抽采技术 [J]. 煤炭科学技术, 2014, 42(5): 37–40. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2014.05.010 PU W L, BI Y W. Permeability improvement gas drainage technology with deep borehole accumulated energy hydraulic blasting of low permeability seam [J]. Coal Science and Technology, 2014, 42(5): 37–40. doi: 10.13199/j.cnki.cst.2014.05.010
[9]	陈士海, 林从谋. 水压爆破岩石的破坏特征 [J]. 煤炭学报, 1996, 21(1): 24–29. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.1996.01.005 CHEN S H, LIN C M. Features of rock fragmented by water blasting [J]. Journal of China Coal Society, 1996, 21(1): 24–29. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.1996.01.005
[10]	邵珠山, 杨跃宗, 米俊峰, 等. 水压爆破中波衰减规律及致裂机理的理论研究 [J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版), 2017, 49(6): 820–826. doi: 10.15986/j.1006-7930.2017.06.008 SHAO Z S, YANG Y Z, MI J F, et al. Theoretical study on the wave attenuation law about water pressure blasting [J]. Journal of Xi’an University of Architecture & Technology (Natural Science Edition), 2017, 49(6): 820–826. doi: 10.15986/j.1006-7930.2017.06.008
[11]	徐向宇, 姚邦华, 魏建平, 等. 煤层预裂爆破应力波传播规律及增透机理模拟研究 [J]. 爆破, 2016, 33(2): 32–38. doi: 10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.007 XU X Y, YAO B H, WEI J P, et al. Numerical study of stress wave propagation behavior and permability-increasing mechanism of pre-splitting blasting in coal seam [J]. Blasting, 2016, 33(2): 32–38. doi: 10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.007
[12]	HUANG B X, LI P F, MA J, et al. Experimental investigation on the basic law of hydraulic fracturing after water pressure control blasting [J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2014, 47(4): 1321–1334. doi: 10.1007/s00603-013-0470-z
[13]	HUANG B X, LI P F. Experimental investigation on the basic law of the fracture spatial morphology for water pressure blasting in a drillhole under true triaxial stress [J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2015, 48(4): 1699–1709. doi: 10.1007/s00603-014-0649-y
[14]	ZHU Z M, MOHANTY B, XIE H P. Numerical investigation of blasting-induced crack initiation and propagation in rocks [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2007, 44(3): 412–424. doi: 10.1016/j.ijrmms.2006.09.002
[15]	ZHU Z M, XIE H P, MOHANTY B. Numerical investigation of blasting-induced damage in cylindrical rocks [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2008, 45(2): 111–121. doi: 10.1016/j.ijrmms.2007.04.012
[16]	朱飞昊, 刘泽功, 刘健, 等. 松软煤层水不耦合装药预裂爆破的力学特性数值分析 [J]. 中国安全生产科学技术, 2018, 14(5): 124–129. doi: 10.11731/j.issn.1673-193x.2018.05.018 ZHU F H, LIU Z G, LIU J, et al. Numerical analysis on mechanical properties of presplitting blasting with water uncoupled charge in soft coal seam [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2018, 14(5): 124–129. doi: 10.11731/j.issn.1673-193x.2018.05.018

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1. 煤层水压爆破数值模拟
1.1 模型的建立
1.2 材料参数
1.3 数值模拟方案
2. 数值模拟结果分析
2.1 地应力对水压爆破效果的影响
2.2 不耦合系数对水压爆破效果的影响
3. 耦合介质对爆破效果的影响
4. 结　论

深部煤层水压爆破裂纹扩展规律

doi: 10.11858/gywlxb.20210912

作者简介: 李真珍（1996－），女，硕士，主要从事地下工程爆破及防灾减灾研究. E-mail：578425526@qq.com

通讯作者: 于建新（1986－），男，博士，副教授，主要从事地下工程爆破及防灾减灾研究.E-mail：jianxinyu@hpu.edu.cn

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