引言

我国大部分地区煤层地质构造比较复杂，在工作面回采过程中经常遇到坚硬断层，从而导致采煤机械磨损甚至破坏、破岩效率底，对矿井安全生产造成了严重的影响。而过断层的方法根据目前研究有以下几种：调整割煤高度法、挑顶起底法、跳采法和综合采法^[1]。对于调整割煤高度法、挑顶起底法比较适用于断层落差小的情况，有可能会因为爆破产生的飞石造成采煤机损坏，挑顶起底法截割围岩强行通过断层也有可能会造成采煤机械磨损甚至破坏，产生较大的安全隐患，跳采法适用于落差较大的断层，可是会打破工作面的正常循环，造成煤炭损失严重、工期长等缺陷^[2][3][4]。由于深孔预裂爆破钻孔深度大和钻孔数目少的特点大大的降低了生产的成本，并且生产效率相较于浅孔爆破高，因此深孔预裂爆破在破岩爆破工程和地下开挖工程中得到广泛的运用

杨付岭等^[5]采用二氧化碳深孔致裂爆破技术来松动岩层，应用结果表明岩体受到了预裂和松动,为通过类似条件工作面提供了工程经验。赵善坤^[6]通过对深孔顶板预裂爆破过程的分析,提出了深孔顶板预裂爆破力构协同防冲机理并对其类型进行划分。李汉坤等^[7]基于ANSYS的耦合装药系数对煤层预裂爆破增透效应数值模拟。吕昌等^[8]运用LS-DYNA对控制孔距离爆破孔不同间距的煤体进行深孔预裂爆破数值模拟。黄文尧等^[9]针对在采煤工作面遇坚硬断层和采煤机破岩效率低的问题,采用自制远距离传爆水胶药柱,通过数值模拟结果分析，设计合理的爆破参数,进行深孔预裂爆破。

综上所述，深孔预裂爆破技术可以用在坚硬断层治理上，根据山东矿区某薄煤层综采工作面过坚硬断层的具体地质条件，结合理论研究和数值模拟结果，优化现场爆破炮孔间距，开孔位置，起爆顺序等爆破设计，对坚硬断层起到很好弱化作用，为顺利提高回采工作面过断层提供技术支撑。

1深孔爆破岩石破坏机理

对于坚硬断层深孔预裂爆破弱化主要使坚硬断层岩体产生裂隙弱化，便于切割破坏，在冲击波和应力波的分别作用下，会分别形成粉碎区、裂隙区，震动区，对于硬岩弱化主要重点研究深孔预裂爆破裂隙区。

1.1 冲击波作用下形成的粉碎区

当冲击波和高温高压的爆生气体对岩石孔壁产生剧烈的冲击时，其冲击强度大于岩石的抗压强度，从而造成岩石被压缩，这时就会形成一个空腔称为粉碎区（压缩区），并且根据三大守恒定律可以建立起岩石在冲击波作用下的三个基本方程：

                                      （1）

                                            （2）

                                       （3）

式中：

查找文献^[10]可知爆破粉碎区半径为：

                                      （4）

由上述公示可得到炮孔粉碎区半径。

1.2 应力波作用下的裂隙区

    应力波在岩石之中形成压应力波，引起切向拉应力，岩石会受到径向压缩从而产生径向的位移，岩石开裂形成径向裂隙，在爆破过程中岩石破坏的主要区域就是破裂区。通过已知的切向峰值垃应力与到炮孔中心距离的关系式：

                                              （5）

     式中为系数，可通过公式求出，同理将岩石的抗拉强度代入公式（5）中计算得到裂隙区半径为：

                                       （6）

对于常见一般的岩石而言，岩石的抗拉强度远低于抗压强度，所以形成的裂隙区范围要远远大于压坏区的范围，因此裂隙区是把岩石破坏的主要原因，并且基于岩石岩性f数值和岩石爆破机理，可以得出本次坚硬岩石断层爆破的损伤半径范围是8~10倍的炮孔半径。

2 数值模拟

2.1 计算模型中材料模型及参数

本次数值模拟主要有5种材料:砂岩、泥岩、煤岩、空气和炸药。由于ALE及Euler两种模式能够有效解决当划分的单元网格产生严重畸变而造成计算终止的问题，从而达到流固耦合的动态分^[11][12]。所以对本次数值模拟中炸药和空气采用 ALE单元，而对三种岩体采用Lagrange单元，而后在LS-DYNA软件中，通过*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID关键字的方式，实现流固耦合分析。由于模拟的是深部岩体，所以需在模型四周的边界处设置无反射边界条件，用来模拟半无限域岩体，并在Z向（垂直于岩石的方向上）施加位移约束。

三种岩石材料采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS模型，其主要物理力学参数见表1。

表 1主要物理力学参数

炸药选取LS-DYNA模拟软件内置的炸药关键字*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN进行模拟，并选取关键字*EOS_JWL状态方程来描述爆轰产物的膨胀驱动做功过程，JWL状态方程的表达式如下^[13]。

式中：P为压力；为初始内能密度；V为相对体积，，其中为爆轰物的密度，为炸药初始密度；e为爆轰产物的比内能；A、B、、、为材料常数。炸药采用2#乳化炸药，该炸药参数及JWL状态方程参数如下表2 ^[14]。

表2炸药参数

由于爆破模拟需要采用流固耦合算法，且对于不耦合装药需要空气模型来填充炮孔和炸药之间的空隙，因此采用LINEAR_POLYNOMIAL状态方程和NULL材料模型来模拟空气，计算时空气参数如表3所示^[15]。

表3空气参数

2.2 数值模型建立与网格划分

由于在过断层采用深孔预裂爆破，装药的长度远大于炮孔直径在不考虑封孔的情况时可以将计算模型进行简化，将模型简化为“准二维”平面问题，这样既可以减小计算量，也方便观察岩石爆破裂纹的扩展情况。

2.2.1 炮孔间距的确定

采用ANSYS/LS-DYNA建立模型，根据现场的情况按照一定的比列进行模型的缩小，计算模型尺寸为35cm35cm，炮孔直径为d=8mm，药径为6mm，采取不耦合装药的形式，分别模拟了炮孔间距7d、9d、10d、11d四种情况。

在炮孔中间布置监测点，观察峰值应力的变化情况，如图1所示，从图上可以看出随着孔间距的增大其峰值应力变小，并且可以看出从7d到9d和9d到10d峰值应力变化较大，而从10d到11d变化明显变小。

为了更好的了解炮孔裂隙的发育情况，因此以距爆破300孔间的裂隙发展状态为研究对象，如图2所示，四种情况下竖向上下均产生了两条贯穿的主裂纹，但从图我们可以看出炮孔间距为7d、9d时，炮孔两侧均有明显主裂纹且伴随很多次生裂纹，可在炮孔两者之间裂纹存在“搭接”和“拉槽”现象，炮孔间距11d时我们可以看到的是在主裂纹附近产生了很多次生裂纹，但由于两炮孔间由于间距过大而没有形成贯穿裂纹，而炮孔间距10d的模拟结果可以明显的看到在每条主要裂纹附近均产生了很多的次生裂纹，要比炮孔间距9d时多，并且炮孔中间形成了贯穿裂纹。因此根据岩石爆破机理理论分析和对裂纹扩展效果研究确定，炮孔间距为10倍的炮孔间距最佳。

图1 应力峰值曲线                         图2 裂隙扩展云图

2.2.2 现场数值模型建立

根据现场情况和施工条件建立1：1的计算模型，模型的尺寸为21m12m，炮孔直径为75mm，炸药直径为63mm，考虑爆破损伤和破坏的范围，此次的炮孔之间的间距取1.2m，根据规定要求，两排炮眼之间的排距应该小于2倍的裂隙长度，因此取为1m。共有24个炮孔，计算模型如图3所示。在炮孔周围网格采用映射网格划分的方式，为提高计算的准确性，对炮孔周围的网格进行加密处理，整体厚度方向上为单层网格。

图3 数值模拟计算模型

2.3 分段延时起爆模拟

根据现场施工情况，同时起爆并不可能，因此在数值模拟过程中通过*INITIAL_DETONATION关键字进行延时起爆，从左向右分为4组，6个炮孔同时起爆，延时时间为300，同时在竖向施加20Mpa地应力，四组之间爆破效果相似，因此分析第1组前6个炮孔爆破效果，通过后处理软件ls-prepost读取LS-DYNA软件计算获得的d3plot文件可知：当炸药在起爆后25时应力波开始在岩石中传播，直到125时应力波传播至相邻炮孔连线的中点处，产生应力叠加，此时单排炮孔间中点处的有效应力为28.18MPa，小于岩石的抗拉强度29.2MPa，不足以使岩石产生拉伸破坏，可是双排排炮孔之间达到了169.1MPa，使得两排炮孔之间斜向产生了拉伸破坏，形成贯穿裂纹。随着应力波的传播，到150时单排两相邻炮孔连线中点处的有效应力达到了422.6MPa，此时中点处的岩石开始产生拉伸破坏，从而形成贯穿裂纹。直到200炸药爆炸产生的有效应力明显变小，由于相邻两炮孔中间处产生应力叠加，此处的有效应力大于岩石的抗拉强度，从而使裂纹继续发育。裂纹最终扩展情况如图4。

图4 最终裂隙扩展云图

由图5可知，在该布孔方式下炮孔周围裂纹较为密集，且由于相邻的三个炮孔形成了三角形，炮孔间均形成了贯穿裂纹，达到了预裂爆破效果，所以在实际工程中采用三花布孔方式。

采用煤矿许用乳化炸药,通过炮棍将炸药送入炮孔,正向连续不耦合的装药方式,选用速凝水泥做封孔材料,选择双发煤矿许用毫秒延时电雷管引爆炸药,正向起爆。根据数值模拟结果,设置2排炮孔,排距为1m，单排炮孔间距1.2m，炮孔直径为75mm，炸药直径63mm。爆破前，由于断层岩石f系数较大、岩石较硬，无法直接回采。爆破后，爆破孔处岩石较破碎，并在周围形成裂隙区，整个回采区域断层被有效弱化，采煤机顺利切割回采，如图5所示。

                         图5 断层岩石弱化现场效果图

3结论

（1）通过理论和对不同孔间距的数值模拟，确定了10倍的炮孔间距岩石爆破效果最佳，并确定了现场爆破参数为炮孔直径为75mm，炸药直径为63mm，炮孔间距1.2m，排间距为1m。

（2）通过ANSYS/LS-DYNA软件爆破进行数值模拟，分析了在第一组爆破时应力波传播规律和最终裂隙扩展情况，靠近煤层的先起爆为后面提供了自由面，有效的提高了爆破的区域，且由于相邻的三个炮孔形成了三角形，炮孔间均形成了贯穿裂纹，达到了预裂爆破效果。

（4）现场采用上述爆破参数并且采用三花布孔方式，预裂爆破后回采区域坚硬断层被有效弱化，保证采煤机顺利切割回采，取得了良好效果。

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