断层对深孔聚能爆破煤层增透的影响

第36卷第10期 北京科技大学学报 Vol.36 No.10 2014年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2014 断层对深孔聚能爆破煤层增透的影响 郭德勇”四，张慧杰”，吕鹏飞”，张革伟) 1)中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京1000832)平顶山天安煤业股份有限公司，平顶山467000 ☒通信作者，E-mail:kikfg(@cumtb.cdu.cn 摘要针对断层构造对煤层深孔聚能爆破增透效果和安全性的影响，本文在理论分析、数值模拟和现场试验研究基础上， 分析了断层对爆破增透煤体裂隙生成和发育的影响，从瓦斯赋存和爆破能量传播探讨了断层对爆破安全性的影响。数值模拟 结果验证了断层对爆破裂隙扩展和应力波传播的影响.现场试验表明，断层影响区爆破孔增透效果是未受断层影响区域的 2.60倍，断层构造带容易造成冲孔现象，对爆破安全性有重要影响 关键词断层：爆破：瓦斯：煤层：渗透性：安全 分类号TD712 Effect of fault on deep-hole cumulative blasting to improve coal bed permeability GUO De-yong,ZHANG Hui-jie,LU Peng fei,ZHANG Ge-wei) 1)School of Resource and Safety Engineering,China University of Mining and Technology (Beijing),Beijing 100083,China 2)Pingdingshan Tian'an Coal Co.,Ltd.,Pingdingshan 467000,China Corresponding author,E-mail:kjkfg@cumtb.edu.cn ABSTRACT This article aims at the influence of fault structure on permeability-improved effect and coal-bed deep-hole cumulative blasting safety.The dependence of crack generation and growth upon fault was analyzed on the base of theoretical analysis,numerical simulation and field test.The effect of fault on blasting safety was discussed from two aspects of gas occurrence and blasting energy propagation.Numerical simulation results demonstrate that fault affects blasting crack growth and stress wave propagation.Field test shows that permeability-improved effect in the fault-affected zone is 1.6 times better than that in no fault-affected zone,and that the fault zone,which easily causes punching phenomena,has important influence on blasting safety. KEY WORDS fault:blasting:gas:coal beds;permeability:safety 爆破技术已在煤矿中得到了广泛应用·-，煤 合矿井实际煤体中断层构造的特点，通过理论分析、 层深孔聚能爆破增透技术逐渐成熟6-，现有侧重 数值模拟和现场试验研究了煤层地质条件对爆破增 于提高炸药能量爆破效果的研究，但关于煤层地质 透性的影响. 条件对爆破增透的影响研究较少.国内外的岩体爆 1煤体爆破作用原理 破理论大都建立在均匀、连续介质力学基础上，实际 上煤体多为不连续介质，遵循爆破结构控制原 煤与岩石在物理力学性质上的差异性十分显 理D-,即煤体结构边界条件控制着不连续煤体介 著：一是煤的强度比岩石低，脆性特征更明显；二是 质的爆破规律，另外，煤体中的爆破是在煤与瓦斯 煤中裂隙发育显著，渗透性更好：三是煤属于多孔介 固流耦合介质中进行的，煤体爆破是应力波、爆生气 质，煤体中可赋存瓦斯，影响其在三轴应力状态下和 体和瓦斯气体共同作用的过程，瓦斯压力在爆破裂 爆破载荷作用下的力学特性0-山 隙产生与扩展的整个过程中起重要作用回.本文结 煤层深孔聚能爆破属于井下爆破，根据岩体爆 收稿日期：20140109 基金项目：国家自然科学基金资助项目(41072118)：教育部科学技术研究重大项目(311022) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.001:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 10 期 2014 年 10 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 10 Oct． 2014 断层对深孔聚能爆破煤层增透的影响 郭德勇1) ，张慧杰1) ，吕鹏飞1) ，张革伟2) 1) 中国矿业大学( 北京) 资源与安全工程学院，北京 100083 2) 平顶山天安煤业股份有限公司，平顶山 467000  通信作者，E-mail: kjkfg@ cumtb． edu． cn 摘 要 针对断层构造对煤层深孔聚能爆破增透效果和安全性的影响，本文在理论分析、数值模拟和现场试验研究基础上， 分析了断层对爆破增透煤体裂隙生成和发育的影响，从瓦斯赋存和爆破能量传播探讨了断层对爆破安全性的影响． 数值模拟 结果验证了断层对爆破裂隙扩展和应力波传播的影响． 现场试验表明，断层影响区爆破孔增透效果是未受断层影响区域的 2. 60 倍，断层构造带容易造成冲孔现象，对爆破安全性有重要影响． 关键词 断层; 爆破; 瓦斯; 煤层; 渗透性; 安全 分类号 TD 712 Effect of fault on deep-hole cumulative blasting to improve coal bed permeability GUO De-yong1)  ，ZHANG Hui-jie1) ，L Peng-fei1) ，ZHANG Ge-wei2) 1) School of Ｒesource and Safety Engineering，China University of Mining and Technology ( Beijing) ，Beijing 100083，China 2) Pingdingshan Tian’an Coal Co． ，Ltd． ，Pingdingshan 467000，China  Corresponding author，E-mail: kjkfg@ cumtb． edu． cn ABSTＲACT This article aims at the influence of fault structure on permeability-improved effect and coal-bed deep-hole cumulative blasting safety． The dependence of crack generation and growth upon fault was analyzed on the base of theoretical analysis，numerical simulation and field test． The effect of fault on blasting safety was discussed from two aspects of gas occurrence and blasting energy propagation． Numerical simulation results demonstrate that fault affects blasting crack growth and stress wave propagation． Field test shows that permeability-improved effect in the fault-affected zone is 1. 6 times better than that in no fault-affected zone，and that the fault zone，which easily causes punching phenomena，has important influence on blasting safety． KEY WOＲDS fault; blasting; gas; coal beds; permeability; safety 收稿日期: 2014--01--09 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 41072118) ; 教育部科学技术研究重大项目( 311022) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 10． 001; http: / /journals． ustb． edu． cn 爆破技术已在煤矿中得到了广泛应用［1 － 4］，煤 层深孔聚能爆破增透技术逐渐成熟［5 － 6］，现有侧重 于提高炸药能量爆破效果的研究，但关于煤层地质 条件对爆破增透的影响研究较少． 国内外的岩体爆 破理论大都建立在均匀、连续介质力学基础上，实际 上煤体多为不连续介质，遵循爆破结构控制原 理［7 － 8］，即煤体结构边界条件控制着不连续煤体介 质的爆破规律． 另外，煤体中的爆破是在煤与瓦斯 固流耦合介质中进行的，煤体爆破是应力波、爆生气 体和瓦斯气体共同作用的过程，瓦斯压力在爆破裂 隙产生与扩展的整个过程中起重要作用［9］． 本文结 合矿井实际煤体中断层构造的特点，通过理论分析、 数值模拟和现场试验研究了煤层地质条件对爆破增 透性的影响． 1 煤体爆破作用原理 煤与岩石在物理力学性质上的差异性十分显 著: 一是煤的强度比岩石低，脆性特征更明显; 二是 煤中裂隙发育显著，渗透性更好; 三是煤属于多孔介 质，煤体中可赋存瓦斯，影响其在三轴应力状态下和 爆破载荷作用下的力学特性［10 － 11］． 煤层深孔聚能爆破属于井下爆破，根据岩体爆

·1282 北京科技大学学报 第36卷 破理论并结合聚能爆破作用特点和煤体物理力 煤层瓦斯富集，构造煤的存在使煤体塑性特性更加 学性质，可将聚能爆破过程分为四个阶段：聚能 明显，煤体与封孔物之间的摩擦因数也更小，在瓦斯 流侵彻煤体阶段、冲击波作用阶段、应力波作用阶段 压力和爆生气体的膨胀扩张作用下可将封孔物沿炮 以及爆生气体和瓦斯的准静态作用阶段.以抗压、 孔推出，即造成冲孔现象。若构造煤发育显著且瓦 抗拉破坏准则结合爆炸应力波传播规律，爆破煤体 斯压力更大时，爆破裂隙的生成促使赋存在煤体中 在空间上可划分为粉碎区、裂隙区和爆破震动 的瓦斯进一步解吸，在地应力、瓦斯和煤体结构等多 区).在埋深一定的条件下，煤层深孔聚能爆破物 种因素综合作用下会导致煤与瓦斯突出， 理过程、爆炸应力波的传播、爆破煤体变形和破坏机 2.2.2断层通过控制爆破能量传播影响爆破安 制受煤体中发育的节理、裂隙、断层等结构面控制， 全性 称为爆破煤体结构控制原理 断层对爆破能量传播的控制可从两方面来实 现：一是爆炸应力波的反射和透射改变爆破能量分 2断层对煤层增透及爆破安全的影响 布：二是爆生气体的卸压导致爆破能量逸散. 2.1断层对聚能爆破增透效果的影响 炸药起爆后，爆炸应力波自药卷向四周传播，若 煤的裂隙、孔隙结构和地应力是影响煤层透气 爆破影响范围内存在断层，则应力波传播至断层时 性的主要因素，增加煤的裂隙数量和密度是增加煤 会发生反射和透射现象.断层内填充物与炮孔周边 层透气性的主要途径，深孔聚能爆破煤体中的断层 煤体介质波阻抗差别不大时，应力波能量以透射为 通过控制裂隙的生成和发育影响爆破增透效果.断 主；反之，应力波能量以反射为主，假设入射应力波 层对爆破裂隙生成的控制作用表现在两方面：一是 为压缩波，则反射拉伸波与其他拉伸波相互作用，在 断层控制着爆破煤体介质的动态应力场，某点的应 断层附近会形成应力波叠加区（见图1），最终导致 力强度因子大于煤体的断裂韧度时初始裂隙生成， 断层一侧爆破能量大幅增加，若此区域瓦斯富集，瓦 且初始裂隙的开裂和扩展方向与最大主应力有关： 斯与爆生气体耦合作用下有可能造成冲孔，甚至发 二是断层控制着爆破煤体介质的准静态应力场，爆 生煤与瓦斯突出. 生气体在断层附近发育的次生裂隙中膨胀扩张，造 成次生裂隙的扩展，裂隙扩展的长度与准静态应力 场强度有关.煤体中爆破裂隙的发育受爆破作用方 向和结构面两种因素影响，由于煤层深孔聚能爆破 断层 采用连续装药正向爆破，爆破作用方向是确定的，因 而煤体爆破裂隙主要受结构面的控制.煤层深孔聚 应力波叠加 能爆破的聚能方向与非聚能方向相比，动态应力场 炮孔 应力波叠加区 和准静态应力场分布有很大差异，因而断层的位置 对于裂隙生成和发育影响很大，处于聚能方向的断 层对增透效果的影响更为显著 图1断层对爆炸应力波传播的影响 2.2断层对聚能爆破安全性的影响 Fig.I Impact of fault on blasting waves 2.2.1断层通过控制瓦斯赋存影响爆破安全性 断层对瓦斯赋存的影响有两种方式：一是造成 爆生气体的膨胀能量对爆破裂隙区的形成有 了有利于瓦斯赋存的环境：二是形成了有利于瓦斯 重要作用，其高温高压气体以爆破裂隙为通道向 逸散的通道。由于构造应力场的复杂性，出现有应 爆破远区传播，若在爆破影响区内存在断层与 力集中程度不同的块段，造成了相对高压区和低压 巷道连通（见图2），可将此断层视为自由面，根据 区，压差的存在构成了驱动瓦斯运移的动力，造成了 最小抵抗线爆破作用原理，爆炸能量会更多的作 瓦斯分布的不均衡.不同类型的断层，力学性质和 用在最小抵抗线方向，若断层内有软弱充填物或 封闭情况不同，形成了有利于瓦斯赋存或者瓦斯逸 无充填物，最终可能造成爆生气体能量逸出，影响 散的不同条件 爆破安全， 断层通过控制瓦斯赋存对爆破安全性的影响表 2.2.3断层对煤层深孔聚能爆破安全性的影响 现为冲孔以及诱发煤和瓦斯突出两种方式.断层周 煤层深孔聚能爆破与普通深孔爆破能量分布的 边的应力集中使得构造煤发育且透气性降低而导致 差异导致了断层对深孔聚能爆破能量传播的控制作

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 破理论并结合聚能爆破作用特点［12］和煤体物理力 学性质，可将聚能爆破过程分为四个阶段［5］: 聚能 流侵彻煤体阶段、冲击波作用阶段、应力波作用阶段 以及爆生气体和瓦斯的准静态作用阶段． 以抗压、 抗拉破坏准则结合爆炸应力波传播规律，爆破煤体 在空间上可划分为粉碎区、裂隙区和爆破震动 区［13］． 在埋深一定的条件下，煤层深孔聚能爆破物 理过程、爆炸应力波的传播、爆破煤体变形和破坏机 制受煤体中发育的节理、裂隙、断层等结构面控制， 称为爆破煤体结构控制原理． 2 断层对煤层增透及爆破安全的影响 2. 1 断层对聚能爆破增透效果的影响 煤的裂隙、孔隙结构和地应力是影响煤层透气 性的主要因素，增加煤的裂隙数量和密度是增加煤 层透气性的主要途径，深孔聚能爆破煤体中的断层 通过控制裂隙的生成和发育影响爆破增透效果． 断 层对爆破裂隙生成的控制作用表现在两方面: 一是 断层控制着爆破煤体介质的动态应力场，某点的应 力强度因子大于煤体的断裂韧度时初始裂隙生成， 且初始裂隙的开裂和扩展方向与最大主应力有关; 二是断层控制着爆破煤体介质的准静态应力场，爆 生气体在断层附近发育的次生裂隙中膨胀扩张，造 成次生裂隙的扩展，裂隙扩展的长度与准静态应力 场强度有关． 煤体中爆破裂隙的发育受爆破作用方 向和结构面两种因素影响，由于煤层深孔聚能爆破 采用连续装药正向爆破，爆破作用方向是确定的，因 而煤体爆破裂隙主要受结构面的控制． 煤层深孔聚 能爆破的聚能方向与非聚能方向相比，动态应力场 和准静态应力场分布有很大差异，因而断层的位置 对于裂隙生成和发育影响很大，处于聚能方向的断 层对增透效果的影响更为显著． 2. 2 断层对聚能爆破安全性的影响 2. 2. 1 断层通过控制瓦斯赋存影响爆破安全性 断层对瓦斯赋存的影响有两种方式: 一是造成 了有利于瓦斯赋存的环境; 二是形成了有利于瓦斯 逸散的通道． 由于构造应力场的复杂性，出现有应 力集中程度不同的块段，造成了相对高压区和低压 区，压差的存在构成了驱动瓦斯运移的动力，造成了 瓦斯分布的不均衡． 不同类型的断层，力学性质和 封闭情况不同，形成了有利于瓦斯赋存或者瓦斯逸 散的不同条件． 断层通过控制瓦斯赋存对爆破安全性的影响表 现为冲孔以及诱发煤和瓦斯突出两种方式． 断层周 边的应力集中使得构造煤发育且透气性降低而导致 煤层瓦斯富集，构造煤的存在使煤体塑性特性更加 明显，煤体与封孔物之间的摩擦因数也更小，在瓦斯 压力和爆生气体的膨胀扩张作用下可将封孔物沿炮 孔推出，即造成冲孔现象． 若构造煤发育显著且瓦 斯压力更大时，爆破裂隙的生成促使赋存在煤体中 的瓦斯进一步解吸，在地应力、瓦斯和煤体结构等多 种因素综合作用下会导致煤与瓦斯突出． 2. 2. 2 断层通过控制爆破能量传播影响爆破安 全性 断层对爆破能量传播的控制可从两方面来实 现: 一是爆炸应力波的反射和透射改变爆破能量分 布; 二是爆生气体的卸压导致爆破能量逸散． 炸药起爆后，爆炸应力波自药卷向四周传播，若 爆破影响范围内存在断层，则应力波传播至断层时 会发生反射和透射现象． 断层内填充物与炮孔周边 煤体介质波阻抗差别不大时，应力波能量以透射为 主; 反之，应力波能量以反射为主，假设入射应力波 为压缩波，则反射拉伸波与其他拉伸波相互作用，在 断层附近会形成应力波叠加区( 见图 1) ，最终导致 断层一侧爆破能量大幅增加，若此区域瓦斯富集，瓦 斯与爆生气体耦合作用下有可能造成冲孔，甚至发 生煤与瓦斯突出． 图 1 断层对爆炸应力波传播的影响 Fig． 1 Impact of fault on blasting waves 爆生气体的膨胀能量对爆破裂隙区的形成有 重要作用，其高温高压气体以爆破裂隙为通道向 爆破远区传播［14］，若在爆破影响区内存在断层与 巷道连通( 见图 2) ，可将此断层视为自由面，根据 最小抵抗线爆破作用原理，爆炸能量会更多的作 用在最小抵抗线方向，若断层内有软弱充填物或 无充填物，最终可能造成爆生气体能量逸出，影响 爆破安全． 2. 2. 3 断层对煤层深孔聚能爆破安全性的影响 煤层深孔聚能爆破与普通深孔爆破能量分布的 差异导致了断层对深孔聚能爆破能量传播的控制作 · 2821 ·

第10期 郭德勇等：断层对深孔聚能爆破煤层增透的影响 ·1283· 卷的关键，材料为铝合金.取1/4模型，水平方向为 聚能方向，采用共用节点法定义炸药单元爆炸载荷 传递，数值模拟选择ALE算法，分别对有、无断层两 种情况的煤层深孔聚能爆破进行模拟 断层 煤壁 表1煤层深孔聚能爆破数值模拟材料模型 Table 1 Numerical simulation model of coal-ed deep-hole cumulative blasting 介质 材料模型关键字 炸药 封孔材料 炸药 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 聚能罩 MAT STEINBERG 图2爆破影响区存在断层与巷道连通 空气 MAT_NULL Fig.2 Connectivity of the fault and the roadway in the blast-affected 煤 MAT_PLASTIC_KINEMATIC zone 用有所不同.首先，聚能方向与非聚能方向的爆破 3.2结果分析 能量分布不同，断层的位置对能量传播影响也有所 3.2.1裂隙扩展模拟结果及分析 差异：其次，聚能流所形成的初始裂隙导致聚能方向 裂隙是煤层中气体流动的通道，爆破裂隙的 爆破能量集中，爆破裂隙密集，与巷道连通的断层存 生成和扩展对于煤层深孔聚能爆破增透效果有重 在时更易造成爆破能量逸散.综上可知，存在于聚 要影响，在*MAT_ADD_EROSION关键字中定义 能方向的断层对爆破安全性影响更大，若此断层为 煤体失效，利用此方法模拟爆破裂隙的形成，有或 封闭性断层，则断层反射应力波导致的爆破能量叠 无断层两种情况的模拟结果如图3所示.对于存 加易于诱导突出，若此断层与巷道连通，则更易于造 在断层的煤层深孔聚能爆破，爆炸冲击波传至断 成爆破能量的逸散. 层时发生反射和透射一反射波使断层内侧周边 煤体产生新生裂隙，并使原裂隙产生一定程度扩 3煤层深孔聚能爆破数值模拟 展，加剧断层内侧煤体的破坏：透射波强度大幅下 3.1模型建立 降，导致断层外侧煤体基本不产生裂隙，保存了断 利用ANSYS/.LS-DYNA软件s-Ia对煤层深孔 层外侧煤体的完整性.由裂隙扩展爆破模拟结果 聚能爆破进行数值模拟，为简化计算，将煤层深孔聚 可知，与无断层相比，存在断层的裂隙圈范围更 能爆破过程视为平面应变问题处理，从而利用二维 大，后者在聚能和非聚能方向分别为前者的1.15 壳单元建立有限元模型.模型由炸药、聚能罩、空气 和1.2倍，后者的裂隙圈半径为前者的1.33倍， 和煤体四种介质组成，材料模型定义如表1所示，空 且聚能方向裂隙增加较多.由此可知，断层对煤层 气介质表示无充填物的断层，聚能罩是制作聚能药 深孔聚能爆破裂隙扩展影响显著 a间 图3有或无断层煤层深孔聚能爆破裂隙扩展结果.(）无断层：(b)有断层 Fig.3 Structured surface or unstructured surface coal-bed deep hole-cumulative blasting fracture extending in different moments:(a)without fault: (b)with fault

第 10 期 郭德勇等: 断层对深孔聚能爆破煤层增透的影响 图 2 爆破影响区存在断层与巷道连通 Fig． 2 Connectivity of the fault and the roadway in the blast-affected zone 用有所不同． 首先，聚能方向与非聚能方向的爆破 能量分布不同，断层的位置对能量传播影响也有所 差异; 其次，聚能流所形成的初始裂隙导致聚能方向 爆破能量集中，爆破裂隙密集，与巷道连通的断层存 在时更易造成爆破能量逸散． 综上可知，存在于聚 能方向的断层对爆破安全性影响更大，若此断层为 封闭性断层，则断层反射应力波导致的爆破能量叠 加易于诱导突出，若此断层与巷道连通，则更易于造 成爆破能量的逸散． 图 3 有或无断层煤层深孔聚能爆破裂隙扩展结果． ( a) 无断层; ( b) 有断层 Fig． 3 Structured surface or unstructured surface coal-bed deep hole-cumulative blasting fracture extending in different moments: ( a) without fault; ( b) with fault 3 煤层深孔聚能爆破数值模拟 3. 1 模型建立 利用 ANSYS /LS--DYNA 软件［15 － 16］对煤层深孔 聚能爆破进行数值模拟，为简化计算，将煤层深孔聚 能爆破过程视为平面应变问题处理，从而利用二维 壳单元建立有限元模型． 模型由炸药、聚能罩、空气 和煤体四种介质组成，材料模型定义如表 1 所示，空 气介质表示无充填物的断层，聚能罩是制作聚能药 卷的关键，材料为铝合金． 取 1 /4 模型，水平方向为 聚能方向，采用共用节点法定义炸药单元爆炸载荷 传递，数值模拟选择 ALE 算法，分别对有、无断层两 种情况的煤层深孔聚能爆破进行模拟． 表 1 煤层深孔聚能爆破数值模拟材料模型 Table 1 Numerical simulation model of coal-bed deep-hole cumulative blasting 介质 材料模型关键字 炸药 * MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BUＲN 聚能罩 * MAT_STEINBEＲG 空气 * MAT_NULL 煤 * MAT_PLASTIC_KINEMATIC 3. 2 结果分析 3. 2. 1 裂隙扩展模拟结果及分析 裂隙是煤层中气体流动的通道，爆破裂隙的 生成和扩展对于煤层深孔聚能爆破增透效果有重 要影响，在* MAT_ADD_EＲOSION 关键字中定义 煤体失效，利用此方法模拟爆破裂隙的形成，有或 无断层两种情况的模拟结果如图 3 所示． 对于存 在断层的煤层深孔聚能爆破，爆炸冲击波传至断 层时发生反射和透射———反射波使断层内侧周边 煤体产生新生裂隙，并使原裂隙产生一定程度扩 展，加剧断层内侧煤体的破坏; 透射波强度大幅下 降，导致断层外侧煤体基本不产生裂隙，保存了断 层外侧煤体的完整性． 由裂隙扩展爆破模拟结果 可知，与 无 断 层 相 比，存在断层的裂隙圈范围更 大，后者在聚能和非聚能方向分别为前者的 1. 15 和 1. 2 倍，后者的裂隙圈半径为前者的 1. 33 倍， 且聚能方向裂隙增加较多． 由此可知，断层对煤层 深孔聚能爆破裂隙扩展影响显著． · 3821 ·

·1284 北京科技大学学报 第36卷 3.2.2煤体单元应力结果及分析 爆炸应力波的传播与煤层深孔聚能爆破增透效果和 爆炸应力波能量主要作用于煤层深孔聚能爆破 安全性有重要影响，本文对煤层深孔聚能爆破有、无 裂隙生成过程，爆生气体能量主要作用于裂隙扩展 断层两种情况下的煤体单元应力分布进行数值模 过程，后者利用前者生成的裂隙通道完成裂隙扩展. 拟，结果如图4所示. b 图4有或无断层煤层深孔聚能爆破过程应力分布云图.()无断层：(b)有断层 Fig.4 Pressure distribution nephograms of structured surface or unstructured surface coal-bed deep-hole cumulative blasting:(a)without fault:(b) with fault 煤层深孔聚能爆破过程应力分布云图模拟结果 为突出煤层，戊煤层为非突出煤层.戊煤层最大 表现了断层的存在对爆炸应力波传播的影响.有断 瓦斯含量7.08m3t-1,最大瓦斯压力0.82MPa 层存在时，爆炸应力波传播的范围被限制在断层左 4.2试验效果分析 侧，从而导致断层左侧区域形成了应力波叠加区，煤 为提高平煤六矿煤层透气性，选取戊煤层为试 体破坏相应加剧，增透效果增加，同时安全性降低. 验煤层，共完成煤层深孔聚能爆破增透试验15次， 另外，煤层深孔聚能爆破过程应力分布云图验证了 试验中聚能爆破的聚能方向均为水平方向，现选取 煤体裂隙尖端的应力集中效应. 部分试验数据进行效果分析. 4 平煤六矿煤层深孔聚能爆破现场试验 4.2.1断层对聚能爆破增透效果的影响 以4爆破孔为例，该孔位置如图5所示，图中H 4.1矿井概况 为断层的落差.对4”爆破孔周边抽放孔的瓦斯参数 平煤股份六矿于1970年投产，2010年生产能 进行分析，对比爆破前后抽放孔平均瓦斯纯量变化， 力核定为3.8M·a,现采煤层为丁5-6、戊s和 结果如图6所示 戊g-o:矿井采用立、斜井多水平混合开拓方式，开 采方法均采用走向长壁下行垮落采煤法，采掘工艺 为综采和综掘.井田位于李口向斜西南翼，锅底山 正断层的北东盘，受其影响，井田基本为一向北东缓 205 209 211213215 202204206208210212214216 倾斜的单斜构造，地层倾角8°~12°，地质构造较简 聚能爆破孔 正断层 单.井田地层自下而上有寒武系、石炭系、二叠系、 瓦斯抽放孔 。4聚能爆破孔开孔位置 三叠系和第四系，现采煤层属于石炭系下石盒子组， 注：相邻瓦斯抽放孔间距均为3m。 自下而上形成戊、丁和丙等煤段，每个煤段为一旋 图5平煤六矿4“聚能爆破孔布孔示意图 回，其岩性组合垂直序列基本为砂岩、砂质泥岩、泥 Fig.5 Schematic diagram of 4*coal-bed deep-hole cumulative blas- 岩和煤层.戊煤层煤厚0~3.72m,平均1.86m,直 ting hole arrangement in Pingdingshan No.6 Mine 接顶板为砂质泥岩和泥岩，老顶为细粒砂岩；底板为 由4爆破孔布孔位置可知，4"爆破孔左侧存在 深灰色泥岩和砂质泥岩，老底为中粒砂岩，属较稳定 一落差为1.5m的正断层，断层经过203抽放孔开 项底板 孔位置沿基本垂直巷帮方向延伸，204"~208抽放 平煤股份六矿为煤与瓦斯突出矿井，戊，-煤层 孔皆位于断层与爆源之间.4爆破孔爆破后爆炸应

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 3. 2. 2 煤体单元应力结果及分析 爆炸应力波能量主要作用于煤层深孔聚能爆破 裂隙生成过程，爆生气体能量主要作用于裂隙扩展 过程，后者利用前者生成的裂隙通道完成裂隙扩展． 爆炸应力波的传播与煤层深孔聚能爆破增透效果和 安全性有重要影响，本文对煤层深孔聚能爆破有、无 断层两种情况下的煤体单元应力分布进行数值模 拟，结果如图 4 所示． 图 4 有或无断层煤层深孔聚能爆破过程应力分布云图． ( a) 无断层; ( b) 有断层 Fig． 4 Pressure distribution nephograms of structured surface or unstructured surface coal-bed deep-hole cumulative blasting: ( a) without fault; ( b) with fault 煤层深孔聚能爆破过程应力分布云图模拟结果 表现了断层的存在对爆炸应力波传播的影响． 有断 层存在时，爆炸应力波传播的范围被限制在断层左 侧，从而导致断层左侧区域形成了应力波叠加区，煤 体破坏相应加剧，增透效果增加，同时安全性降低． 另外，煤层深孔聚能爆破过程应力分布云图验证了 煤体裂隙尖端的应力集中效应． 4 平煤六矿煤层深孔聚能爆破现场试验 4. 1 矿井概况 平煤股份六矿于 1970 年投产，2010 年生产能 力核 定 为 3. 8 Mt·a － 1，现 采 煤 层 为 丁5 － 6、戊8 和 戊9 － 10 ． 矿井采用立、斜井多水平混合开拓方式，开 采方法均采用走向长壁下行垮落采煤法，采掘工艺 为综采和综掘． 井田位于李口向斜西南翼，锅底山 正断层的北东盘，受其影响，井田基本为一向北东缓 倾斜的单斜构造，地层倾角 8° ～ 12°，地质构造较简 单． 井田地层自下而上有寒武系、石炭系、二叠系、 三叠系和第四系，现采煤层属于石炭系下石盒子组， 自下而上形成戊、丁和丙等煤段，每个煤段为一旋 回，其岩性组合垂直序列基本为砂岩、砂质泥岩、泥 岩和煤层． 戊8煤层煤厚 0 ～ 3. 72 m，平均 1. 86 m，直 接顶板为砂质泥岩和泥岩，老顶为细粒砂岩; 底板为 深灰色泥岩和砂质泥岩，老底为中粒砂岩，属较稳定 顶底板． 平煤股份六矿为煤与瓦斯突出矿井，戊9 － 10煤层 为突出煤层，戊8 煤层为非突出煤层． 戊8 煤层最大 瓦斯含量 7. 08 m3 ·t － 1，最大瓦斯压力 0. 82 MPa． 4. 2 试验效果分析 为提高平煤六矿煤层透气性，选取戊8煤层为试 验煤层，共完成煤层深孔聚能爆破增透试验 15 次， 试验中聚能爆破的聚能方向均为水平方向，现选取 部分试验数据进行效果分析． 4. 2. 1 断层对聚能爆破增透效果的影响 以 4# 爆破孔为例，该孔位置如图 5 所示，图中 H 为断层的落差． 对 4# 爆破孔周边抽放孔的瓦斯参数 进行分析，对比爆破前后抽放孔平均瓦斯纯量变化， 结果如图 6 所示． 图 5 平煤六矿 4# 聚能爆破孔布孔示意图 Fig． 5 Schematic diagram of 4# coal-bed deep-hole cumulative blas￾ting hole arrangement in Pingdingshan No． 6 Mine 由 4# 爆破孔布孔位置可知，4# 爆破孔左侧存在 一落差为 1. 5 m 的正断层，断层经过 203# 抽放孔开 孔位置沿基本垂直巷帮方向延伸，204# ～ 208# 抽放 孔皆位于断层与爆源之间． 4# 爆破孔爆破后爆炸应 · 4821 ·

第10期 郭德勇等：断层对深孔聚能爆破煤层增透的影响 ·1285· 0.06r ·4爆破孔左侧抽放孔 。4爆破孔右侧抽放孔 5结论 0.05 0.04 (1)断层通过控制爆破煤体介质的动态和准静 0.03 态应力场影响爆破裂隙生成，数值模拟中断层两侧 0.02 应力波分布和裂隙扩展差异显著，断层影响区域增 001 透效果有很大提高. 10 15 (2)断层存在的位置影响爆破裂隙发育.数值 爆破后时间d 模拟结果表明，断层位于裂隙圈外部时裂隙圈半径 图6平煤六矿4聚能爆破孔周边抽放孔瓦斯纯量变化 扩大为原来的1.33倍；现场试验中爆破后断层影响 Fig.6 Average gas pure quantity changes of drainage holes surround- 区增透效果是不受断层影响区域的2.60倍. ing No.4 coal-ed deep-hole cumulative blasting hole in Pingdings- (3)断层控制煤层瓦斯赋存和爆破能量传播 han No.6 Mine 现场试验中爆破孔处于两断层之间，瓦斯赋存不均 力波向周边传播，遇断层后发生反射现象，反射应力 匀和断层对爆破能量的控制作用使得爆破孔发生冲 波与后续应力波叠加，204~208"抽放孔范围内形 孔现象，表明断层对爆破安全性有重要影响. 成应力波叠加区，从而导致此区域煤体破坏加剧，煤 层透气性增加，瓦斯抽放率得到提高.与未受断层 参考文献 影响的210"~215"抽放孔区域形成对比，204"~ [Gong M,Liu W B,Wang D S,et al.Controlled blasting tech- 208"抽放孔瓦斯纯量在0.00476~0.05012m· nique to improve gas pre-drainage effect in a coal mine.Unie Sci min-1,210~215抽放孔瓦斯纯量在0.00074~ Technol Beijing,2006,28(3):223 0.02152m3min1,前者是后者的2.33~6.43倍，平 (龚敏，刘万波，王德胜，等.提高煤矿瓦斯抽放效果的控制 均2.60倍. 爆破技术.北京科技大学学报，2006,28(3)：223) 2] 4.2.2断层对聚能爆破安全性的影响 Luo Y,Shen Z W.Study on mechanism and test of controlled stress relaxation blasting in deep hole.Chin Mech,2006,27 以10爆破孔为例，该孔位置如图7所示.由 (3):469 10爆破孔布孔位置可知，爆破孔左侧20m处存在 (罗勇，沈兆武.深孔控制卸压爆破机理和防突试验研究.力 一落差为1.5m的正断层，爆破孔右侧45m处存在 学季刊，2006,27(3)：469) 一落差为2.2m的正断层.两断层使得此区域构造 B] Li C R,Kang L J,Qi Q X,et al.Numerical simulation of deep- 应力集中，构造煤发育，瓦斯赋存不均匀，且对爆破 hole blasting and its application in mine roof weaken.China C0 al Soc,2009,34(12）:1632 作用都有影响，但左侧断层对爆破作用具有控制作 (李春眷，康立军，齐庆新，等。深孔爆破数值模拟及其在煤 用.受左侧断层影响，爆破影响区域缩小，爆破影响 矿顶板弱化中的应用.煤炭学报，2009,34(12)：1632) 区爆破能量增强，同时受断层影响，在爆炸应力波和 4 Huang W Y,Yan S L,Liu Z G,et al.Research and application 爆生气体综合作用下发生冲孔.相对而言，4爆破 of water gel explosive grain on coal mine gas extraction in coal 孔受断层影响略小，断层仅对爆破增透效果产生影 seam deep hole blasting.J China Coal Soc,2012,37(3):472 (黄文尧，颜事龙，刘泽功，等。煤矿瓦斯抽采水胶药柱在煤 响，未发生冲孔现象 层深孔爆破中的研究与应用.煤炭学报，2012,37(3)：472) H=15m H=2.2m Guo D Y,Lii P F,Pei H B,et al.Numerical simulation on crack propagation of coal bed deep-hole cumulative blasting.China Coal Soc,2012,37(2):274 (郭德勇，吕鹏飞，裴海波，等。煤层深孔聚能裂隙扩展数值 模拟.煤炭学报，2012,37(2)：274) [6 Guo D Y,Lii P F,Shan Z Y,et al.Drilling parameters of deep- hole cumulative blasting to improve coal seam permeability in gas drainage.JUnir Sci Technol Beijing,2013,35(1):16 聚能爆破孔 正断层 瓦斯抽放孔 10聚能爆破孔开孔位置 (郭德勇，吕鹏飞，单智勇，等.瓦斯抽放煤层增透深孔聚能 注：相邻瓦斯抽放孔间距均为3m。 爆破钻孔参数.北京科技大学学报，2013,35(1)：16) ] Chen J P,Gao W X.Blasting Engineering Geology.Beijing:Sei- 图7平煤六矿10煤层深孔聚能爆破孔布孔示意图 ence Press,2005 Fig.7 Schematic diagram of No.10*coal-bed deep-hole cumulative (陈建平，高文学.爆破工程地质学.北京：科学出版社， blasting hole arrangement in Pingdingshan No.6 Mine 2005)

第 10 期 郭德勇等: 断层对深孔聚能爆破煤层增透的影响 图 6 平煤六矿 4# 聚能爆破孔周边抽放孔瓦斯纯量变化 Fig． 6 Average gas pure quantity changes of drainage holes surround￾ing No． 4# coal-bed deep-hole cumulative blasting hole in Pingdings￾han No． 6 Mine 力波向周边传播，遇断层后发生反射现象，反射应力 波与后续应力波叠加，204# ～ 208# 抽放孔范围内形 成应力波叠加区，从而导致此区域煤体破坏加剧，煤 层透气性增加，瓦斯抽放率得到提高． 与未受断层 影响的 210# ～ 215# 抽放孔区域形成对比，204# ～ 208# 抽 放 孔 瓦 斯 纯 量 在 0. 00476 ～ 0. 05012 m3 · min － 1，210# ～ 215# 抽放孔瓦斯纯量在 0. 00074 ～ 0. 02152 m3 ·min － 1，前者是后者的 2. 33 ～ 6. 43 倍，平 均 2. 60 倍． 4. 2. 2 断层对聚能爆破安全性的影响 图 7 平煤六矿 10# 煤层深孔聚能爆破孔布孔示意图 Fig． 7 Schematic diagram of No． 10# coal-bed deep-hole cumulative blasting hole arrangement in Pingdingshan No． 6 Mine 以 10# 爆破孔为例，该孔位置如图 7 所示． 由 10# 爆破孔布孔位置可知，爆破孔左侧 20 m 处存在 一落差为 1. 5 m 的正断层，爆破孔右侧 45 m 处存在 一落差为 2. 2 m 的正断层． 两断层使得此区域构造 应力集中，构造煤发育，瓦斯赋存不均匀，且对爆破 作用都有影响，但左侧断层对爆破作用具有控制作 用． 受左侧断层影响，爆破影响区域缩小，爆破影响 区爆破能量增强，同时受断层影响，在爆炸应力波和 爆生气体综合作用下发生冲孔． 相对而言，4# 爆破 孔受断层影响略小，断层仅对爆破增透效果产生影 响，未发生冲孔现象． 5 结论 ( 1) 断层通过控制爆破煤体介质的动态和准静 态应力场影响爆破裂隙生成，数值模拟中断层两侧 应力波分布和裂隙扩展差异显著，断层影响区域增 透效果有很大提高． ( 2) 断层存在的位置影响爆破裂隙发育． 数值 模拟结果表明，断层位于裂隙圈外部时裂隙圈半径 扩大为原来的 1. 33 倍; 现场试验中爆破后断层影响 区增透效果是不受断层影响区域的 2. 60 倍． ( 3) 断层控制煤层瓦斯赋存和爆破能量传播． 现场试验中爆破孔处于两断层之间，瓦斯赋存不均 匀和断层对爆破能量的控制作用使得爆破孔发生冲 孔现象，表明断层对爆破安全性有重要影响． 参 考 文 献 ［1］ Gong M，Liu W B，Wang D S，et al． Controlled blasting tech￾nique to improve gas pre-drainage effect in a coal mine． J Univ Sci Technol Beijing，2006，28( 3) : 223 ( 龚敏，刘万波，王德胜，等． 提高煤矿瓦斯抽放效果的控制 爆破技术． 北京科技大学学报，2006，28( 3) : 223) ［2］ Luo Y，Shen Z W． Study on mechanism and test of controlled stress relaxation blasting in deep hole． Chin Q Mech，2006，27 ( 3) : 469 ( 罗勇，沈兆武． 深孔控制卸压爆破机理和防突试验研究． 力 学季刊，2006，27( 3) : 469) ［3］ Li C Ｒ，Kang L J，Qi Q X，et al． Numerical simulation of deep￾hole blasting and its application in mine roof weaken． J China Coal Soc，2009，34( 12) : 1632 ( 李春睿，康立军，齐庆新，等． 深孔爆破数值模拟及其在煤 矿顶板弱化中的应用． 煤炭学报，2009，34( 12) : 1632) ［4］ Huang W Y，Yan S L，Liu Z G，et al． Ｒesearch and application of water gel explosive grain on coal mine gas extraction in coal seam deep hole blasting． J China Coal Soc，2012，37( 3) : 472 ( 黄文尧，颜事龙，刘泽功，等． 煤矿瓦斯抽采水胶药柱在煤 层深孔爆破中的研究与应用． 煤炭学报，2012，37( 3) : 472) ［5］ Guo D Y，Lü P F，Pei H B，et al． Numerical simulation on crack propagation of coal bed deep-hole cumulative blasting． J China Coal Soc，2012，37( 2) : 274 ( 郭德勇，吕鹏飞，裴海波，等． 煤层深孔聚能裂隙扩展数值 模拟． 煤炭学报，2012，37( 2) : 274) ［6］ Guo D Y，Lü P F，Shan Z Y，et al． Drilling parameters of deep￾hole cumulative blasting to improve coal seam permeability in gas drainage． J Univ Sci Technol Beijing，2013，35( 1) : 16 ( 郭德勇，吕鹏飞，单智勇，等． 瓦斯抽放煤层增透深孔聚能 爆破钻孔参数． 北京科技大学学报，2013，35( 1) : 16) ［7］ Chen J P，Gao W X． Blasting Engineering Geology． Beijing: Sci￾ence Press，2005 ( 陈建平，高 文 学． 爆破工程地质学． 北 京: 科 学 出 版 社， 2005) · 5821 ·