基于LS－DYNA的射孔弹侵彻煤层可行性探究_周杰.pdf

第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 基于 LS－DYNA 的射孔弹侵彻煤层 可行性探究 周杰 1， 王凤英1， 安文同1， 赵家骏1， 马世豪2 （1.中北大学 环境与安全工程学院， 山西 太原 030051； 2.中北大学 机械工程学院， 山西 太原 030051） 摘要 为了解决高瓦斯低透气性煤层的瓦斯预抽问题， 采用 LS-DYNA3D非线性动力学有限元 分析软件对射孔弹压垮药型罩形成射流过程和侵彻煤层进行了数值模拟， 分析了金属射流的形 成以及侵彻煤层作用范围， 侵彻深度 1.4 m。 并与无药型罩射孔弹侵彻煤层即切缝药卷爆破进行 了对比。结果表明， 侵彻深度较无药型罩射孔弹提升了 250， 作用面积提升了 2 592。 关键词 射孔弹； 金属射流； 切缝药卷爆破； 数值模拟； 煤层侵彻 中图分类号 TD713文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 03-0164-04 Feasibility of Perforating Charge Penetrating Coal Seam Based on LS-DYNA ZHOU Jie1, WANG Fengying1, AN Wentong1, ZHAO Jiajun1, MA Shihao2 （1.School of Environmental and Safety Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;2.School of Mechanical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China） Abstract To solve the gas pre -drainage problem of high gas low permeability coal seam, based on LS -DYNA3Dnonlinear dynamic finite element analysis software, the process of ing jet by perforating charge crushing shaped charge liner and penetrating coal seam is simulated. The ation of metal jet and the action range of penetrating coal seam are analyzed, and the penetrating depth is 1.4 m. The comparison is made with non-shaped charge liner penetrating coal seam. The results showed that the penetration depth increased by 250 and the active area increased by 2 592. Key words perforating charge; metal jet; cutting seam cartridge blasting; numerical simulation; penetrating coal seam 射孔弹是目前全世界都广泛采用的石油开采方 法。 在射孔作业后， 孔眼及裂隙将成为油气与井筒的 唯一通道。将射孔弹这项成熟的技术引用到侵彻煤 层中来， 射流破坏所形成的通道与裂隙， 能够增加 瓦斯的流通， 提高煤层的透气性， 合理解决高瓦斯 低透气性煤层的瓦斯预抽、 排放问题[1-2]。如今国内 大部分矿井采用的是常规爆破和切缝药卷爆破[3]， 中国矿业大学的郭德勇[4-6]教授， 安徽理工大学的 穆朝民[7-8]教授对深孔聚能爆破进行了深入的研究。 在深孔聚能爆破基础上改变装药结构，做成射孔弹 模型， 经过数值模拟， 侵彻深度较现行煤矿使用的切 缝药卷爆破大幅提高。 1建模与参数 1.1模型尺寸和网格划分 采用 32 口径平顶射孔弹数据实体建模。 模型类 型为 3DSolid164 单元，采用 32 mm 口径无壳体装 药， 装药高度为 30 mm,采用中心起爆， 壁厚 1 mm， 锥角为 60， 计算模型图如图 1， 网格划分图如图 2。 煤层靶板尺寸长 2 000 mm， 宽 400 mm。 采用动力学软件 LS-DYNA[9]对射孔弹形成射流 侵彻煤层进行显示动力分析[10]。模型由炸药、 药型 罩、 空气、 煤层靶板组成， 采用多物质 ALE 算法， 且 靶板与空气和药型罩材料间采用流固耦合算法， 模 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.036 周杰， 王凤英， 安文同， 等.基于 LS-DYNA 的射孔弹侵彻煤层可行性探究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 164-167. ZHOU Jie, WANG Fengying, AN Wentong, et al. Feasibility of Perforating Charge Penetrating Coal Seam Based on LS-DYNA ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 164-167. 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （11572292） 移动扫码阅读 分析 探讨 164 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 型对称面采用对称约束，空气域除对称约束外的外 表面均施加无反射边界条件。由于弹体模型与煤层 靶板模型尺寸相差巨大，为了结果更加准确，射流 侵彻靶板区域网格加密，装药结构与药型罩都是轴 对称模型， 仅建立 1/4 有限元模型节省计算资源。 建 模单元网格表见表 1。 1.2炸药状态方程和参数确定 由 Lee 最终提出的 JWL 状态方程描述了爆轰 产物膨胀做功压垮药型罩过程，其任意时刻爆轰压 力 p 为 p＝A （1－ ω R1V ） e －R1V ＋B （1－ ω R2V ） e －R2V ωE0 V （1） 式中 V 为相对体积； E0为初始比内能， Pa； A、 B、 R1、 R2、 ω 为材料性质有关的常数。 炸药选用煤矿用硝铵炸药 （参考 TNT 参数修 改） ,材料模型为高能炸药 （High－Explosive－Burn）模 型， 炸药材料模型及参数见表 2。 1.3材料模型及破坏准则 因为射孔弹侵彻煤层是以金属射流为主，所以 采用 MAT_PLASTIC_KINEMATIC 作为煤岩材料本 构模型， 其默认塑性屈服判断准则为 Mises 准则。 空气材料采用 MAT_NULL 材料模型， 状态方程 用线性多项式描述 p＝C0＋C1u＋C2u2＋C3u3＋ （C4＋C5u＋C6u2） E（2 ） 式中 u1/V-1； E 为单位体积内能，取 2.533 105J/m3； C0～C6均为常数，取 C0C1C2C3C60， C4 C50.4。 在 DYNA 程序中， 用 Von Mises 有效应力表征介 质的应力特征是重要手段。有效应力 σe表达式为 σe＝ 1 2■ （σ1－σ2） 2 （σ2－σ3）2 （σ3－σ1） 2 ■（3 ） 式中 σ1为第一主应力； σ2为第二主应力； σ3为 第三主应力。 计算得到单元点的有效应力后，通过添加 MAT_ADD_EROSION 关键字来定义材料的破坏， 当 爆炸应力达到设定强度单元即失效被删除。通过分 析射流侵彻煤层靶板，靶板破孔附近失效单元数量 确定破坏范围。 药型罩材料使用紫铜，紫铜材料模型与参数见 表 3。靶板选用煤层， 煤层参数为某矿测试值， 煤层 材料模型及参数见表 4。 图 1计算模型图 Fig.1Calculation model 图 2网格划分图 Fig.2Mesh map 密度 / （g cm－3） 弹性模量 /GPa 泊松比 切线模量 /GPa 硬化参数 1. 34.80. 30. 941 材料单元数 炸药2 160 药型罩 （铜 ）264 空气域59 694 煤层380 000 表 1建模单元网格表 Table1Modeling unit grid table 表 2炸药材料模型及参数 Table 2Explosive material model and parameters 密度 / （g cm－3） 爆速 / （m s－1） CJ 压 力/GPa 屈服应 力/GPa 常数 B/GPa 常数 R1 常数 R2 常数 ω 1.398 70026.6067710.503.601.210.25 密度 / （g cm－3） 屈服应 力/GPa 硬化系 数/GPa 剪切模 量/GPa 温度 系数 融化 温度/K 材料相 关系数 硬化 指数 8. 960. 090. 2947. 71. 091 3560. 3940.31 表 3紫铜材料模型与参数 Table 3Copper material model and parameters 表 4煤层材料模型及参数 Table 4Coal seam material model and parameters 165 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 2仿真结果分析 2.1射孔弹与射孔弹 （无罩） 射流形成过程 射孔弹金属射流形成过程如图 3。从图 3 可知， 金属药型罩从顶部到底部在爆轰波的驱动下依次向 轴线中心挤压碰撞并压实， 当在 5 μs 时高温射流从 药型罩挤压出来， 10 μs 时射流头部速度达到峰值， 随着爆轰波的继续作用，在 15 μs 时汇聚成连续高 速且具有一定速度梯度的细长形射流。 射孔弹 （无罩） 射流形成过程如图 4。从图 4 可 知， 射孔弹 （无罩） 即切缝药卷爆破是指在药柱一端 留出聚能槽，可以形成聚能效应，能够极大地提高 炸药的局部作用。由于装药结构的改变， 起爆后， 爆 轰波由起爆点开始向前传播， 3 μs 时爆轰波到达聚 能槽，爆炸产物从聚能凹槽表面向外飞散时将偏离 其原来的运动轨道，发生特殊折射现象，使爆炸产 物的大部分能量局限在很小的圆锥角内， 6 μs 时爆 炸产物头部射流达到峰值，随着爆轰波的持续作 用， 爆炸产物头部射流逐渐变粗， 并在 16 μs 时， 形 成一个具有明显速度梯度的弧顶圆柱形射流。 2.2射孔弹与射孔弹 （无罩） 射流侵彻煤层过程 射孔弹侵彻煤层的全过程是高速金属射流依靠 自身动能和强度对煤层的一种毁伤现象。从图 3 可 以看出，射孔弹所形成的金属射流，短时间头部速 度就达到了峰值， 接触煤层后， 速度开始迅速下降， 但随着时间的推移，速度下降的越来越慢。这是由 于射流侵彻煤层的过程中能量消耗不是线性的， 侵 彻刚开始时， 由于射流的整体质量， 速度均很大， 所 以能量很高， 对煤层开坑进而发生深度侵彻， 短时间 效果很明显，能量会大幅消耗。煤层中钻孔孔径较 小， 无法提供有效炸高， 开坑阶段能量损耗严重， 两 重原因叠加导致了开始阶段射流速度的大幅度下 降， 而后随着时间的推移， 射流完全形成， 进入准定 常侵彻， 速度下降变慢， 能量继续消耗， 随着时间继 续变化， 速度越来越慢， 穿深增长也越来越困难， 到 1 200 μs 后金属射流能量几乎消耗殆尽，无法继续 侵彻煤层， 侵彻结束。 射孔弹 （无罩） 侵彻过程与射孔弹相似， 由于没 有金属药型罩，因此不存在爆轰产物与金属罩材料 能量的重新分布，因此爆轰产物将直接形成射流并 对煤层进行侵彻。由于不存在爆轰产物与金属罩材 料能量的重新分布，爆轰产物所形成的射流作用时 间更短， 射流头部速度更高。当开始接触煤层后， 速 度开始迅速下降， 比金属射流速度下降更快， 短时间 内两者速度达到一致。由于爆轰产物形成射流质量 远低于金属射流，所以速度的大幅降低会导致能量 在短时间内就消耗殆尽，失去继续侵彻能力。从而 在侵彻深度上也会远低于射孔弹形成的金属射流。 射孔弹射流头部速度-时间变化曲线如图 5。 2.3射孔弹与射孔弹 （无罩） 侵彻煤层结果对比 采取相同装药量分别对煤层靶板进行侵彻。射 孔弹和射孔弹 （无罩） 侵彻完成后煤层效果图如图 6 和图 7。 由模拟结果可知，射孔弹侵彻深度 1 400 mm， 影响半径 200 mm， 距离破孔处越近， 网格消失越多， 图 3射孔弹金属射流形成过程 Fig.3Metal jet process of perforating bullet 图 4射孔弹 （无罩） 射流形成过程 Fig.4Metal jet process of perforating bullet（without liner） 166 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 5射孔弹射流头部速度-时间变化曲线 Fig.5Perforating bullet head velocity-time curves 最大破孔半径 60 mm， 影响范围 0.56 m2。深孔聚能 爆破侵彻深度 400 mm， 影响半径 26 mm， 最大破孔 半径 26 mm， 影响范围 0.020 8 m2。射孔弹是在煤炭 传统的切缝药卷爆破基础上，更改装药结构，并添 加了 1 层较薄的金属罩，爆轰产物与金属材料之间 的特殊能量重新分布，部分金属由于聚能爆破有效 能量转移到金属罩中而形成金属射流，会大幅增加 侵彻能力。侵彻效果与药型罩所用金属有关。 对比图 6 和图 7 可看出，相同装药量情况下射 孔弹侵彻后裂纹延伸效果远好于射孔弹 （无罩） ， 是 因为炸药爆炸后，金属射流先行进行射孔，后续高 能气体进入刚刚形成的射孔内，继续疏通孔道， 在 爆炸震动，高压气体压胀以及煤层中应力变化的共 同作用下， 裂隙大幅度增加， 形成大范围裂隙网。 3结论 1） 根据模拟结果可以看出， 射孔弹相较于煤矿 现行的切缝药卷爆破， 作用面积变大， 穿深增加， 为 解决常规爆破破碎区范围大而裂隙区扩展小的问题 提供新的途径。 2） 根据模拟结果切缝药卷爆破头部速度峰值为 8 733 m/s，射孔弹金属射流头部速度峰值为 5 332 m/s， 切缝药卷爆破头部速度是射孔弹金属射流头部 速度的 1.638 倍。但射孔弹侵彻影响面积 0.56 m2， 切缝药卷爆破影响面积 0.020 8 m2， 相同炸药量下， 射孔弹作用面积提升了 2 592。 参考文献 ［1］ 罗勇， 沈兆武.多面聚能射孔压裂排放瓦斯的研究 ［J］ . 工程爆破， 2005， 11 （1） 68-71. ［2］ 袁亮.我国深部煤与瓦斯共采战略思考 ［J］ .煤炭学报， 2016， 41 （1） 1-6. ［3］ 杨仁树， 佟强， 杨国梁.聚能管装药预裂爆破模拟实验 研究 ［J］ .中国矿业大学学报， 2010， 39 （5） 631-635. ［4］ 郭德勇， 裴海波， 宋建成， 等.煤层深孔聚能爆破致裂 增透机理研究 ［J］ .煤炭学报， 2008， 33 （12） 1381. ［5］ 郭德勇， 赵杰超， 吕鹏飞， 等.煤层深孔聚能爆破动力 效应分析与应用 ［J］ .工程科学学报， 2016， 38 （12） 1681-1687. ［6］ 郭德勇， 吕鹏飞， 裴海波， 等.煤层深孔聚能爆破裂隙 扩展数值模拟 ［J］ .煤炭学报， 2012， 37 （2） 274-278. ［7］ 穆朝民， 王海露， 黄文尧， 等.高瓦斯低透气性煤体定 向聚能爆破增透机制 ［J］ .岩土力学， 2013， 34 （9） 2496-2500. ［8］ 穆朝民， 齐娟.含瓦斯煤在爆炸荷载作用下的力学特 性 ［J］ .煤炭学报， 2012， 37 （2） 268-273. ［9］ 李裕春， 时党勇， 赵远.ANSYS10.0／LS-DYNA 基础理 论与工程实践 ［M］ .北京 中国水利水电出版社， 2006. ［10］ 蔡峰， 刘泽功， 张朝举， 等.高瓦斯低透气性煤层深孔 预裂爆破增透数值模拟 ［J］ .煤炭学报， 2007， 32 （5） 499-503. 作者简介 周杰 （1993） ， 男， 山西长治人， 助理工程 师， 在读硕士研究生， 主要从事煤矿瓦斯治理、 武器安全工 程方面的研究工作。 （收稿日期 2019-04-04； 责任编辑 王福厚） 图 6射孔弹侵彻完成后煤层效果图 Fig.6The effect of the coal seam after the perforating bullet crushing 图 7射孔弹 （无罩） 侵彻完成后煤层效果图 Fig.7The effect of the coal seam after the perforating bullet （without liner）crushing 167 ChaoXing