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【摘  要】为认识深部煤岩体爆破裂纹扩展过程及裂隙范围，采用LS-DYNA对二维煤岩单孔耦合柱状炸药下的煤岩爆破裂纹扩展进行数值分析。在较为广裹的一片区域内，将煤层近似看做均质;并将在某煤层区域内原始的瓦斯压力也视作均匀。模拟结果表明：当峰值压力值远超煤岩的极限动态抗压强度时，导致煤岩受压破碎，压碎区范围在 20cm～25cm 左右;由于边界拉伸波造成煤岩产生环向裂隙。

1引言

煤炭行业与其他行业对比，矿产安全是重中之重。无论是巷道掘进还是工作面开采，不论坚硬顶板预先弱化还是煤体预裂增透，离不开爆破工程。在煤矿的爆破工程中主要采用了工业炸药，爆破过程产生的高温和火源在瓦斯矿井易于产生煤尘与瓦斯瞬爆，因此炸药爆破对煤矿开采带来极大的安全隐患。通过研究爆破增加煤岩裂隙，确定裂隙范围能够提高煤岩开采效率。

崔峰等[1]通过对注水和爆破同时作用定义为固-液耦合致裂，确定出煤岩体耦合致裂方案和强度劣化关系，获得注水压力和炸药用量同时作用煤岩体时破坏情况的定量计算。穆朝民等[2]通过建立含瓦斯煤岩的拉压动态损伤动态本构模型，对含瓦斯煤体柱状装药预裂爆破进行了模拟，得出压缩波与卸载波的共同作用是形成煤体裂纹的主要原因。孙可明等[3]利用数值模拟得到爆破过程中应力波和裂隙发展的规律;控制孔对爆破应力波的传播具有衰减作用，随着两孔之间的距离增加，衰减作用呈现出先增加后减小的规律。吕昌等[4]通过煤体爆破数值模拟和现场实验对比，得出受应力波与自由面反射效应的拉应力叠加作用，通过试验区对比试验证明有效卸压区半径结果相互吻合。冯辉等[5]利用有限元软件，建立含有多层节理的露天煤矿台阶爆破模型，分析其爆破过程。认为爆炸产生的应力波在互层交界面作用明显，压力波衰减较快;不同煤层中有效应力分层现象明显，裂隙区呈不连续状态。

本文根据现有的爆破理论和破坏准则的研究，确定单孔和双孔煤岩爆破产生压碎区和裂隙区的破坏条件，采用数值模拟方法研究炸药爆破时的破坏范围。

2 建立煤岩爆破有限元模型

2.1单孔煤岩爆破模型

本模型为单孔集中耦合装药结构，煤岩半径为 250cm，空气半径100cm，炮孔半径10cm，炸药半径6cm，如图1所示。采用流固耦合算法（煤岩-固体-拉格朗日算法;炸药、空气-流体-ALE算法），空气为耦合域，建模单位制cm-g-μs。

2.2材料物理力学参数

本项目选择塑性随动硬化模型（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC）模拟煤体材料，塑性随动硬化模型是把材料看作为各向同性、随动硬化或各向同性和随动硬化的混合模型，与应变率相关，可考虑失效。

本项目选取的煤岩材料是陕北神木研究区域煤样，通过相关力学试验得出数值模拟所需要的煤岩物理力学参数，密度为1557 kg/m3，弹性模量5.26103，泊松比0.23，硬化参数0.35，屈服应力18.6MPa，切线模量0.89MPa，失效应变0.65，抗拉强度0.48MPa。选择的炸药为二型矿用乳化炸药，材料模型关键字为（*MAT_HIGH_EXPLOSI VE_BURN），炸药的具体材料参数，A、B为炸药的特征性参数分别为254.8GPa、3.74Gpa;爆轰压力7.0GPa，格林艾森参数0.37，R1、R2分别为4.15、1.49，初始比能7GPa。炸药用量依据二氧化碳爆破当量选取，模型中，炸药单元设置为不同直径，厚度的圆柱体;在 ANSYS/LS-DYNA 中，炸药爆炸产生的爆炸产物需要用状态方程来加以描述，炸药状态方程通过关键字（*EOS_JWL）确定，高能炸药爆炸产物压力—体积采用 JWL 方程，JWL 状态方程可以准确的描述凝合炸药的爆炸过程，且物理意义相对比较明确，所以在爆炸模型计算过程中能够得到普遍应用。

通过定义*INITIAL_DETONATION 关键字设置炸药爆炸的坐标位置和时间。

2.3 边界条件

根据煤岩爆炸发生的外界条件，其具体模型边界条件，根据爆破作用过程的特点和数值模拟计算的目的具体边界条件参数设置如下：

（1）  煤岩模型表面施加约束，模型 Z 两侧为单向约束，施加 Z 方向的约束，因此只在 OXY 面处施加法向约束条件，即在边界沿 Z 方向的位移为零;

（2）  因为数值计算模型只是模拟无限大煤体的一部分，为了保证计算的准确性和时效性，模型的上、下平面和左、右侧面没有施加约束的各平面都施加无反射边界条件。 非反射边界条件（Non-reflecting Boundary）、透射边界（Transmitting Boundary）或无反应边界（Silent Boundary）。当模拟地理力学系统时，常常用一个有限域来表示地面或其他大的实体，通过边界表面节点组元施加，可选择膨胀和剪切波被吸收选项，避免在边界产生的人为应力波反射再次进入模型进而影响计算结果。

3数值计算结果分析

本文采用装药半径为 3cm，对应二氧化碳致裂器 51 型的钻孔半径进行了数值模拟计算。

3.1 应力波云图及分析

由于煤岩在爆破作用下所受的应力应变十分复杂，通过 LS-PREPOST 后处理软件可以绘出模型在不同时刻的有效应力云图及指定单元的有效应力随时间变化关系曲线，并且可以动态显示爆炸应力场的传播与分布情况。通过对炸药单元的隐藏，更直观的了解煤岩材料的有效应力情况。

由图2所示，炮孔孔径为 3cm 的压力云图分析，在 t=30s 时的峰值压力为 933MPa，t=60s时的峰值压力为 54.6MPa，t=80s 时的峰值压力为 8.83MPa，t=170s 时的峰值压力为 10.33MPa。炸药爆炸后，在冲击波和爆生气体的双重作用下，压应力峰值先升高并在 t=170s 时刻出现明显衰减，在 t=30s 时刻的峰值压力值远超煤岩的极限动态抗压强度，最终导致煤岩受压破碎，根据 t=30s 时刻的压应力云图可知压碎区范围在 20cm～25cm 左右。

由图3所示，中心区域形成煤岩爆破的粉碎区域，沿空气耦合区域边界形成径向裂隙，随着爆破时间的增加，径向裂隙逐渐增大，由于边界拉伸波造成煤岩产生环向裂隙。

结论

（1）在冲击波和爆生气体的双重作用下，当峰值压力值远超煤岩的极限动态抗压强度时，导致煤岩受压破碎，压碎区范围在 20cm～25cm 左右。

（2）中心区域形成煤岩爆破的粉碎区，沿空气耦合区域边界形成径向裂隙，径向裂隙随着爆破时间的增加逐渐增大，同时边界拉伸波造成煤岩产生环向裂隙。

参考文献

[1]穆朝民， 潘飞等.煤体在爆破荷载和地应力偶和作用下裂纹扩展的数值模拟[J].高压物理学报， 2013， 27（3）： 403-410.

[2]孙可明， 李云等.渗煤层预裂爆破裂纹扩展规律数值模拟研究[J].爆破， 2014， 31（1）： 30-36.

[3]吕昌，刘健，郭林杰.深孔预裂爆破不同孔间距下裂隙演化规律[J].煤矿安全， 2016， 47（11）： 65-68.

[3]冯辉， 张华栋.基于ANSYS/LS-DYNA的互层煤岩[J].采矿技术， 2017， 17（5）： 128.