爆破载荷作用下控制孔增透作用机理试验研究

张树川， 刘泽功， 刘 健， 李重情， 高 魁

(1. 安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001)

我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一[1]。防治煤与瓦斯突出关键在于采取技术方法对煤层进行卸压，增加煤层透气性，提高煤层瓦斯抽采率和抽采量。深孔控制爆破技术是主要的卸压增透技术之一，其与水力压裂等水力化增透技术相比较其适用范围更广，增透效果更好[2]。不同于传统的深孔松动爆破技术，深孔控制爆破技术是在爆破孔周围增加辅助自由面-控制孔，缩小了爆破作用最小抵抗线长度，继而增加煤体的裂隙长度和范围，深孔控制爆破技术兼具大直径卸压钻孔和深孔松动爆破技术的优点。针对深孔控制爆破技术中控制孔的作用许多学者进行了有益的研究，罗勇等[3]在理论上和利用实验室模型实验对深孔控制卸压爆破中的控制孔的作用进行了研究分析；张晋京等[4]论述了松动爆破和控制孔的破坏机理，并将研究成果应用于工程实践；刘泽功等[5]针对高瓦斯低透气性煤层，对深孔预裂爆破进行了数值模拟分析研究。再现了爆破过程中，动压冲击震裂、应力波传播与叠加以及爆生气体驱动裂纹扩展的整个过程，系统地分析了控制孔与爆破孔对于爆破卸压增透效果的影响，提出了高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破的合理间距；龚敏等[6]利用三维数值模拟方法，对煤层深孔爆破应力传播和有关控制孔作用等进行了研究；赵宝友等[7]认为煤层深孔控制爆破致裂，是在爆炸波的动态冲击震裂和爆生气体及煤层瓦斯压力的尖劈压裂作用下共同完成的；深埋高应力煤层深孔控制爆破机理与常规浅孔采掘爆破机理不同；控制孔在高应力煤层中的导裂作用并不显著，其主要起到卸压孔和抽放孔的作用；代建兵[8]研究认为控制孔具有控制导向作用，结果是在介质内部的炮孔周围产生一柱状的压缩粉碎圈和一沿爆破孔与控制孔连心线方向的贯穿爆破裂缝面，使爆破更有利于形成更大范围的破碎圈带和松动圈带；徐向宇等[9]数值模拟分析了不同装药量、孔间距等条件下的爆破煤体裂纹扩展及爆破应力的传播特征，得到了控制孔对爆破应力在传播过程中具有减缓其衰减的作用，其减缓作用与孔间距有关，呈现随着孔间距的增加，其减缓作用先增大后减少的规律。上述研究取得了丰硕的成果，但也存在一定的问题和不足，主要有数值模拟难以达到和工程实践的完全吻合，现场效果考察具有一定的空间局限性，而实验室模型试验由于研究方法和实验设备的限制主要局限于模型试件表面宏观裂纹的静态分析。

鉴于此，针对深孔控制爆破过程中爆破载荷作用下控制孔增透作用机理的关键科学问题，在实验室搭建爆破模拟试验系统，利用相似材料配比加工制备有控制孔和无控制孔两种爆破试件，在爆破载荷作用下，通过超动态应变仪监测试件的应变信号，利用高速摄像仪记录试样完整表面宏观裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程，利用并行电法仪测试爆破前后模型试件电阻率，分析爆破载荷作用下有无控制孔两种模型试样内部和表面的断裂损伤特征以及动态力学特性，进一步揭示深孔控制爆破技术中控制孔增透作用的机理。

1 试验系统及试验模型

1.1 试验系统

在实验室自主设计搭建了爆破载荷作用下控制孔增透作用机理试验平台，该试验台主要由爆破模拟试样、爆破试件支架、CS动态电阻和AFT-0957-8型动态应变仪、TS3406动态测试分析仪、CamRecord600C高速成像仪、WBD并行电法测试仪、导爆管雷管、RDX炸药和起爆器等组成，试验平台示意图和试验现场如图1所示。

(a) 模拟试验示意图 (b) 试验现场 图1 爆破模拟试验示意图和试验现场Fig.1 Schematic diagram of blasting simulation test

为了对控制孔在爆破过程中导向和控制作用的考察，试验采用超动态应变数据采集系统实时采集爆破过程应变数据，为了能观测到爆破瞬间煤层表面动态裂纹的产生和演化过程，采用高速摄像机监测爆破的裂纹演变过程，采用并行电法仪测试爆破前后模型试件电阻率变化来反映爆破载荷作用下试件的裂隙发育和损伤程度。

1.2 试验模型制作

(1)试验模型设计方案

为了进行对比分析试验，得到有控制孔和无控制孔两种不同爆破条件下的细观损伤与裂纹演化过程，以及应力应变状态，设计了有无控制孔两种模型试件，有控制孔模型试件(以下称为试件1)爆破孔、控制孔、应变测试系统和电阻率测试系统布置如图2、图3所示，无控制孔模型试件(以下称为试件2)不预留控制孔，爆破孔等布置同有控制孔模型试件。

图2 钻孔与测试系统布置立体示意图Fig.2 Schematic map of drillings and testing system

(a) 应变测试系统 (b) 电阻率测试系统图3 钻孔与测试系统布置平面示意图Fig.3 Sketch map of drilling and testing system

试件模型尺寸为300 mm×300 mm×300 mm，试件1模型中有1个爆破孔和2个控制孔，爆破孔布置在试件模型中心，控制孔距离爆破孔100 mm，等间距布置在爆破孔的两侧。试件2有1个爆破孔。预留爆破孔和控制孔长度为180 mm，药柱长度100 mm，装药封孔长度为80 mm。试验所用药管的直径为6.5 mm，爆破孔直径设计为8 mm，装药不耦合系数1.23，能保证爆炸应力波和爆生气体发挥最大作用。

在试件模型中过药柱重心垂直药柱的平面对角线方向预埋4个应变砖，编号分别为1号、2号、3号和4号，距离爆破孔的水平距离分别为20 mm、50 mm、80 mm和110 mm，每块应变砖上粘贴径向和切向应变片来测试爆炸应变信号。在应变砖同一个平面上布置电阻率测试系统，即每个试件模型布置4根电极棒，每根电极棒布置14个电极测点，电极测点间距20 mm。

(2)试验模型的制作

煤与瓦斯突出与构造煤密切相关[10]。构造煤是预测煤与瓦斯突出的标志[11]。深孔控制爆破是防治煤与瓦斯突出的主要技术措施之一。选取构造煤作为爆破介质进行控制孔爆破作用研究。依据煤体工程分类，考虑煤体的单轴抗压强度、纵波波速、弹性模量和孔隙率等指标，在进行大量构造煤相似材料配比试验的基础上，确定了本次试验模型试件的材料及其配比参数，具体配比材料和参数见图4、表1。

(a) 水泥 (b) 沙子 (c) 云母碎 (d) 煤粉 (e) 石膏图4 模型试件材料Fig.4 Material of model

表1 爆破模拟试验相似材料配比参数(质量比/%)

按照材料配比参数称量所需材料搅拌均匀后倒入试验箱体和试验模具，在预定位置埋入钢筋以模拟炮孔和控制孔。在装入模拟材料的同时在煤体按照设计位置埋设应变砖和电极棒，试验模型制作过程包括搅拌、装载、夯实、安装、夯实等(见图5)。

图5 试验模型制作过程Fig.5 Process of test model production

试验模型制作完成之后，在室温下养护28天后，钻取Φ50 mm×100 mm试件测试物理力学参数，测试结果见表2所示。模型材料的物理力学性质与文献[12]煤体工程分类的III类煤体相对应。其结构特征受构造影响严重，煤呈碎粒状，属于碎粒煤和糜棱煤，符合构造煤的结构和力学特征。清理干净爆破孔进行装药，将药管导线引至试件外并采用沙子和502胶混合封孔(封孔长度80 mm)后起爆。

表2 模型试件物理力学参数

2 试验结果及分析

2.1 模型表面宏观裂纹动态发展过程

爆破孔中炸药爆炸，产生爆破冲击波，冲击波作用在爆破孔壁上时会产生初始径向裂隙，随后，冲击波衰减为应力波向煤体内部传播，在应力波切向拉伸作用下，煤体初始径向裂隙进一步扩展。当应力波衰减到低于煤体介质抗拉强度，裂隙就停止扩展。应力波向前传播的同时，爆生气体由于“气刃作用”楔入到初始径向裂隙中使其继续扩展，爆生气体膨胀压力降低，当压力低于一定程度，继续在煤体中的弹性能就以卸载波的形式释放出来，形成较少的环向裂隙。

(1)试验结果

高速摄像机捕捉到的爆破裂纹动态发展过程如图6所示。从图中可以将试件1和试件2爆破裂纹演化为裂纹的产生、扩展和贯通的全过程，破裂从炮孔中心向四周放射性扩展，形态为“+”字形，而试件1与试件2裂纹演化存在一定的不同，即试件2在“+”字裂纹的产生、扩展和贯通全过程中，当应力波传播到模型试件固定约束端，由于应力波的反射压缩作用，使扩展到最大的裂纹重新被压缩，同时由于爆破能量作用，部分煤粉冲破爆破孔口自由面向自由空间飞散；试件1不存在上述试件2的裂纹演化到最大后被重新压缩和煤粉向自由空间飞散的现象。

(a) 试件1

(b) 试件2图6 爆破裂纹动态发展过程Fig.6 Dynamic development process of blasting crack

(2)试验结果分析

当爆破应力波传到不同煤岩介质的分界面上(自由面、层理断面和不同介质面)时会发生反射和折射。斜入射时，入射波为纵波P，在不同介质分界面会激发出反射横波Sr和反射纵波Pr、透射横波St和透射纵波Pt(见图7)。应力波入射角为0°即正入射(应力波传播方向垂直于不同煤岩介质分界面)是斜入射的一种典型情况，下面以正入射来解释爆炸应力波在固定端(模型试件四周约束钢板)和自由端(控制孔处)的反射压缩或拉伸作用进行分析，对于正入射的入射波为纵波，反射波和透射波也都是纵波。

图7 入射纵波斜入射不同介质表面Fig.7 Incident longitudinal wave obliquely incident on different media surface

入射纵波入射到不同介质表面，入射应力为σi，根据介质分界面连续条件得出分界面两边质点的反射应力和透射应力分别为

(1)

(2)

式中：σr，σt分别为反射应力和透射应力；ρ1，ρ2分别为两种不同煤岩介质的密度，kg/m3；Cp1，Cp2为在两种不同煤岩介质的纵波传播速度，m/s。

1+F=T

(3)

从式(3)中可以看出，T总为正，因此透射波与入射波总是同号，F的正负取决于两种介质的波阻抗(介质密度和弹性纵波波速的乘积)的相对大小。应力波传播到不同介质界面，由于不同介质波阻抗不同，反射波将产生压缩或拉伸作用：

(1)若ρ2Cp2>ρ1Cp2，F>0，T>1，则反射波和入射波同号，压缩波反射仍为压缩波，反向加载，透射波在应力幅值上大于入射波。若ρ2Cp2→∞，则有F=1，T=2，相当于弹性波在固定端的反射。

(2)若ρ2Cp2=ρ1Cp2，F=0，T=1，此时入射应力波在通过交界面时没有发生波的反射，入射应力波全部透射进入第二种介质，分界面两边的介质材料相同或不同但波阻抗相同即波阻抗匹配，无能量的损失。

(3)若ρ2Cp2<ρ1Cp1，F<0，T<1，则反射波和入射波异号，将会出现透射的压缩波和反射的拉伸波。

应力波传播到模型试件四周约束的钢板，此时四周约束钢板的波阻抗大于煤体的波阻抗，应力波反射为压缩波，反向作用于煤体，使扩展的裂纹被反向压缩，属于上述分析(1)的情况，试件2的裂纹扩展的过程很好的反应了压缩波的反向作用。控制孔是爆破孔边增加辅助自由面，即压缩波传播到控制孔时，由于ρ2Cp2→0，则有F=-1，T=0，相当于弹性波在自由端的反射，则σt=0，σt=-σi，此时的入射波全部反射成拉伸波，属于上述分析(3)的情况。当反射拉伸波强度大于煤岩介质的抗拉强度的时候，就会发生霍金逊(Hopkinson)效应，使煤岩从自由面向里片落，人为增大了裂隙区的范围。试件1中有控制孔，由于控制孔的作用，爆炸载荷在控制孔和爆破孔之间裂隙充分发育，传播到四周约束钢板固定端的能量较少，在高速成像仪上没有反应出如试件2的反向压缩作用过程。

2.2 爆破载荷作用下应力波作用分析

(1)应变测试方法

本次实验采用宁波江东耀南机电设备有限公司生产的BX120-3CA金属箔电阻应变片间接测量爆破载荷产生的应力波。在实验过程中动态应变仪采集到的是电压信号，需要转换为应变信号，如果要计算应力，还需要得到动载荷下模型试件的动态本构关系，通过胡克定律求得。电压信号为[13]

(4)

式中：K为电阻应变片灵敏度系数；U为桥压；ε为应变；K′为增益倍数。

由式(7)得到爆破载荷下产生的应变为

(5)

(2)试验结果分析

由于试验采集仪器性能、采集参数设置、应变片制作与安装、环境条件和测试技术等因素影响，爆破后，试件1和试件2共采集的有效波形8个，无效波形8个。下面以试件1中3#应变片(在试件对角线上，距离炮孔80 mm)为例来说明应力波传播的过程。

从图8可以看出，炮孔中炸药爆炸后由于炸药的爆轰作用，爆炸能对模型试件进行加载，形成两段主要波形。第一段波形主要在25～80 μs时间段，该波形主要是由于爆炸应力波的作用而形成，在压缩和拉伸两个方向上发生剧烈变化并出现了2次较大的应变峰值，无论径向还是切向在爆破载荷作用下先受压在受拉，径向以受压为主，切向以受拉为主，径向方向压应变幅值较切向方向拉应变幅值出现时间早，径向应变峰值(绝对值)与切向应变峰值(绝对值)大小相近。当介质切向拉伸应力超过本身的动抗拉强度就会产生径向裂隙。第二段波形的产生100 μs后时间段，主要由于卸载波、反射波和膨胀波(稀疏波)等的复合作用，在拉伸方向上有较大的变化并产生了1次较大的应变峰值，压缩波的作用是由于爆生气体膨胀导致气体压力降低，当低于一定值，试件中在爆破载荷作用下积蓄的弹性能以卸载波的作用释放出来，向爆破孔中心传播，在试件内部产生环向裂隙，相应径向裂隙而言环向裂隙产生较少；反射波主要由于控制孔作为辅助自由面产生的拉伸波和模型试件反射形成的压缩波所组成，使试件模型收到压拉的综合作用，产生塑性变形和脆性破裂。

(a)径向应变 (b)切向应变图8 3#应变片应变图Fig.8 Strain gauge of 3# strain gauge

在两次主要波形出现后，可以认为爆破试件进入到准静态和静态阶段，模型试件主要受到爆轰气体作用，爆生气体进入介质中已经形成的孔隙，当裂纹尖端强度因子大于介质静态断裂韧性时，促使裂纹进一步扩展，随着爆生气体准静态应力的降低，当裂纹尖端强度因子衰减到一定值，爆破裂隙停止扩展。此时的应变值在较小的范围内发生波动，并且逐渐衰减。在工程实际中，由于煤体是煤与瓦斯气固耦合介质，煤体在爆破中远区裂隙的扩展还有瓦斯气体的参与，瓦斯气体压力越大，越有利于裂隙的扩展。

2.3 基于电法CT反演爆破试件电性参数

煤具有导电性，其由离子导电和电子导电构成，所有的煤均具有电子导电特性，而离子导电主要是由煤体中耦合的水分和矿物质引起的[14]。煤层的电阻率通常为数百至数千欧姆米。电阻率信息能反映煤岩内部裂隙的变化情况[15]。在爆破扰动作用下煤体内部产生裂隙，电阻率值会有一定程度的增大或异常。电法CT技术主要应用在对工作面受采动影响冒落带、裂隙带和弯曲下沉带以及工程实践中地质异常带的探测方面[16-17]。夏红兵等[18]为查明探测切面内的岩体损伤裂隙发育形态和空间展布，利用电法CT成像技术探测微量炸药爆炸前后裂隙岩体深孔之间电阻率的变化。煤岩在爆破载荷作用下产生裂隙和损伤，其裂隙演变规律和损伤范围可通过模型试件背景和爆破后电性参数的变化规律来反演出。

(1)测试方法

测试仪器为安徽理工大学与江苏东华测试技术股份有限公司联合研制的WBD并行电法仪，采样方法为ABM法，即模型试件中布置的56个电极中(见图3(b))任两个电极组成偶极AB极供电，其余54个作为M极电极同时采集模型试件爆破前后即试件背景和爆破后电位数据。温纳四极装置抗干扰能力较好，故试验模型试件采集的电位数据以温纳四极装置进行高密度电阻率法反演，反演模型和结果交会如图9所示。

(2)测试结果分析

为充分对比爆破载荷作用下模型试件电阻率的变化，通过对采集到的电阻率数据进行比值计算来提高分辨率，获得爆破载荷作用前后电阻率的异常系数

γ=ρi/ρ0

(6)

式中：ρ0为背景电阻率；ρi为爆破后电阻率。

(a)反演结果

(b)反演模型图9 反演模型和结果交会Fig.9 Resistivity crossplot and inverted image

当电阻率异常系数γ>1 或γ<1 的位置为电性异常区域，煤岩裂隙发育越充分或损伤越严重，异常系数值越大。利用surfer软件绘制异常系数的等值图(见图10)，由图10可以看出，试件1和试件2在爆破载荷作用下电阻率异常系数γ为6～9，均远大于1，说明模型试件在爆破载荷作用下电阻率的变化较背景值成倍发生，为爆破载荷作用模型试件裂隙充分发育所致。同时试件1在爆破孔近区和中区电阻率异常系数为8，等值线密度小，变化陡度小；试件2在爆破孔近区电阻率异常系数为9，中区电阻率异常系数为7～8，等值线密度大，变化陡度大。试件1是由于爆炸产生的压缩应力波传播到控制孔(辅助自由面)反射成拉伸波，使煤岩介质从控制孔向里发生片落现象，导致控制孔和爆破孔之间裂隙充分发育；试件2由于未设置控制孔，应力波将按指数衰减，应力波传播到模型试件四周的固定约束端产生反向压缩波，导致中区电阻率异常系数等值线密度和陡度较大。与3.1节高速摄像机观测到模型试件裂隙产生、扩展的宏观表现基本一致。

3 结 论

(1) 利用自主搭建的爆破模拟试验系统，设计了有控制孔和无控制孔两种模型试件的爆破试验。通过试件表面宏观裂纹发育结果得出，应力波在固定端的反射，反射波和入射波同号，爆破载荷产生反射压缩波反向加载于爆破试件，使模型试件向外扩展的裂纹被反向压缩。控制孔是爆破孔边增加辅助自由面，入射波全部反射成拉伸波，发生霍金逊(Hopkinson)效应，使煤岩从自由面向里片落。

(a) 试件1

(b) 试件2图10 电阻率异常系数等值图Fig.10 Equivalent coefficient of resistivity anomaly

(2) 根据测点应变变化曲线所呈现的规律，爆破试样在冲击波、应力波、爆生气体的共同作用下产生两段主要波形，试件模型裂隙的扩展主要是由于压缩波和卸载波，爆生气体的尖劈作用和准静态应力场作用以及瓦斯气体等综合作用。径向应变峰值与切向应变峰值大小相近。

(3) 电阻率信息能反映煤岩受扰动产生的内部裂隙的变化情况。通过电法CT反演了爆破前后煤岩电阻率异常变化，前后的平均异常系数为6～9。说明在爆炸荷载作用下，煤体的裂隙充分发育。同时有控制孔试件异常系数变化等值线相对无控制孔试件变化密度小和陡度小，进一步说明控制孔霍金逊(Hopkinson)效应。

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