褚懷保，楊小林，2，侯愛軍，2，余永強，梁為民

(1.河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454000;2.洛陽理工學院，河南 洛陽 471023)

從本質而言，煤體也屬于巖石，煤體和巖體的最大不同在于煤體內含有瓦斯氣體。在外部應力和瓦斯壓力作用下，煤體變形和破壞在不同的作用階段均受本體和結構有效應力的雙重作用。且煤體內部裂隙更發(fā)育，強度也遠低于常規(guī)巖石，因此，不能簡單地將巖石爆破機理直接應用于煤體。而關于煤體爆破機理的相關理論和實驗研究的報道很少，現(xiàn)有文獻僅初步探討了堅硬煤體中爆炸應力波傳播和爆炸能量的轉化及煤體爆破裂縫擴展規(guī)律等煤體爆破的基本特點［1-3］。目前的理論研究還遠落后于工程實踐，同時也制約了爆破技術在煤體中的應用和發(fā)展。爆炸應力波理論一直是工程爆破界的重大研究課題，掌握爆炸應力波的傳播與衰減規(guī)律是了解受載介質動態(tài)應力場并進行爆破理論分析、計算及設計的基礎。所以，對煤體中爆炸應力波進行實驗測試，深入探討煤體爆破作用機理，具有重要意義。

1 理論分析

1.1 煤體中爆炸應力波作用機理

炸藥在煤體中爆炸后，將產(chǎn)生爆炸應力波和爆生氣體，爆炸應力波作用先于爆生氣體作用。爆破近區(qū)，爆轟波直接作用于孔壁形成爆炸沖擊波，且爆炸沖擊波的壓力遠高于煤體的動態(tài)抗壓強度，煤體固體骨架發(fā)生變形破壞;孔壁產(chǎn)生初始裂隙的同時，部分原生裂隙被擴展，炮孔周圍產(chǎn)生壓縮粉碎區(qū)并形成爆炸空腔。粉碎區(qū)邊界上，沖擊波衰減為應力波，并以彈性波的形式向煤體內傳播，產(chǎn)生的切向拉應力大于煤體的動抗拉強度，將使煤體產(chǎn)生拉伸破壞，形成與粉碎區(qū)貫通的徑向裂縫，而后由于積聚的彈性變形能釋放形成環(huán)向裂隙，且在壓拉應力共同作用下造成煤體的剪切破壞。隨著應力波的傳播，應力波逐漸衰減為地震波，在遠區(qū)煤體中產(chǎn)生爆破振動區(qū)。同時，爆炸應力波的擾動將使煤體中瓦斯的賦存狀態(tài)發(fā)生改變，進而打破原生裂隙中瓦斯的力學平衡狀態(tài)，非平衡狀態(tài)的瓦斯壓力場將在爆破作用的中后期與爆生氣體準靜態(tài)應力場疊加共同作用于已產(chǎn)生的裂隙內，使裂隙進一步擴展。

1.2 爆炸應力波作用下煤體的爆破斷裂準則

煤體爆破作用機理是以巖石爆破理論和損傷力學為理論基礎。巖石爆破理論認為［4］，巖石的爆破破壞是爆炸應力波的動作用和爆生氣體的準靜態(tài)作用共同作用的結果。當炸藥在無限大的煤體中爆炸時，在煤體內部將產(chǎn)生爆炸沖擊波作用下的粉碎區(qū)(近區(qū))、爆炸應力波和爆生氣體作用下的裂隙區(qū)(中區(qū))以及爆炸地震波作用下產(chǎn)生的彈性振動區(qū)(遠區(qū))。為了簡化，可以將沖擊波的作用區(qū)近似為應力波作用的一部分，而忽略爆破近區(qū);其次，由于瓦斯壓力遠小于爆炸應力波產(chǎn)生的壓力，在研究煤體中爆炸應力波的作用時，可以忽略瓦斯壓力對應力波傳播的影響。所以，根據(jù)巖石中的爆炸作用機理，可得煤體在爆炸應力波作用下的損傷斷裂準則。

(1)爆炸沖擊波作用下，煤體產(chǎn)生強烈的壓縮破壞，形成宏觀裂隙區(qū)，因此，可采用動態(tài)抗壓強度作為破壞準則，即

式中:p2為耦合裝藥時炸藥爆轟作用在煤體上的初始壓力;pc為爆轟波陣面的壓力;σd為煤體動態(tài)抗壓強度;ρ0D、ρ1(D'2+u1)和ρr0D2分別為炸藥沖擊阻抗、爆轟產(chǎn)物阻抗和煤體的沖擊阻抗。

煤體［5-6］作為一種含有大量原始損傷的微觀非均質體，由形狀不同、大小不同的塊狀顆粒疊壓而成，存在許多微孔洞、微裂隙以及顆粒膠結物，同時受節(jié)理、層理等軟弱結構面的影響，即便煤體中炸藥爆炸形成沖擊波，沖擊波也會迅速衰減，作用范圍非常有限，故近似認為爆轟波與炮孔壁煤體的碰撞是彈性的，煤體中直接生成彈性應力波，進而按彈性波理論或聲學近似理論確定煤體界面上的初始壓力，根據(jù)聲學近似理論可推得煤體中的初始壓力為

式中:ρr0cp為聲學近似理論條件下煤體的波阻抗，cp為煤體縱波波速。

(2)在爆炸應力波作用下，煤體往往表現(xiàn)為強脆性，可以采用Lematire等效應力概念定義的純脆性損傷斷裂準則［7］:當?shù)刃Ζ襡達到煤體的動態(tài)斷裂應力σu時，煤體發(fā)生斷裂，即σe≥σu。

考慮到瓦斯吸附的膨脹應力，根據(jù)有效應力原理，煤體骨架中任意一點的有效應力等于該點所受總應力σi減去孔隙膨脹應力，其中瓦斯吸附所產(chǎn)生的膨脹應力可以用下式計算［8］

因此，煤體所受有效應力可表示為σe=σi－σs=σi－αp，其中a、b均為瓦斯吸附常數(shù);p為瓦斯壓力，μ為煤體泊松比;ρ為密度，R為摩爾氣體常數(shù);T為絕對溫度;V為摩爾體積;α=2aRTρ(1－2μ)ln(1+bp)/(3pV)為孔隙壓力因數(shù)，且0≤α≤1。

2 模擬實驗

通過煤體中爆炸應力波傳播與衰減規(guī)律模擬實驗，對模擬煤體中爆炸應力波進行實測，進而分析煤體中爆炸應力波傳播與衰減規(guī)律、爆炸應力波波形特點及對煤體的作用機理。

2.1 實驗方法

根據(jù)文獻［9］，配置3類煤體試塊進行室內煤體內部爆破作用實驗，試塊材料質量配比及物理力學性能參數(shù)如表1所示，表中w1∶w2∶w3∶w4∶w5∶w6∶w7為水泥、沙子、石膏、水、珍珠巖、發(fā)泡劑和云母碎的質量配比，ρ為密度，c為波速，φ為孔隙率，σ為單軸強度，E為彈性模量。其中Ⅰ、Ⅱ類煤體各制作試塊3塊，Ⅲ類煤體制作2塊，試塊尺寸為500mm×500mm×400mm，人工攪拌，在模板中配以小型振動棒振動搗固成形，人工養(yǎng)護28 d。第Ⅲ類配比中沙子替換為碎煤，碎煤過0.6 mm篩;云母碎的加入量以試塊骨料質量為參照。在試塊中間預留直徑為16 mm的裝藥孔，孔深分別為120、140、160、180和200 mm，裝2.3 g的黑索金炸藥(10%顆粒狀石蠟鈍化的黑索金，以盡量保證實驗用炸藥與實踐工程中煤體爆破用炸藥性能相近)，集中裝藥，用濕潤黃土填塞，引火藥頭起爆。

應變磚尺寸為20 mm×20 mm×20 mm，材料及質量配比與被測試塊的材料和質量配比相同，在養(yǎng)護室養(yǎng)護7 d后使用，用AB環(huán)氧膠作防潮層和粘結劑，經(jīng)防水絕緣處理后澆筑于試塊中的設計位置。應變片采用浙江黃巖測試儀器廠生產(chǎn)的型號為BX120-3BA和BX120-3AA的應變片，每個試塊埋設4個應變磚，應變磚布置在藥包中心水平位置的對角線上，為準確測試到爆炸應力波波形，應變磚分布在應力波作用區(qū)，距離藥包中心的距離分別為50、80、130、200 mm。爆炸應力波采集儀器為USB8516，采集后用DasView2.0軟件進行分析。為減少邊界效應對爆破效果的影響，爆破時采用厚度為20 mm的鋼板對試塊進行夾制，并在試塊與鋼板的縫隙處充填細沙進行耦合。

表1 各組試塊材料質量配比及物理力學性能參數(shù)Table 1 M aterial ratios for testmodels and their physical and mechanical properties parameters

2.2 實驗結果

對3類煤體的14個試塊的56個測點的徑向和切向爆炸應力波進行了測試，采集到84個有效波形，由于應變磚制作、應變片防潮處理、儀器參數(shù)設置等原因，造成28個波形無效。可直接用DasView2.0軟件導出波形圖像，為了便于進行分析，對實測波形圖進行數(shù)據(jù)輸出，并截取其中波形特征明顯部位用EXCEL輸出，代表性波形如圖1所示。對采集到的有效波形，讀取每個測點的徑向和切向應變峰值，對于同一類模擬煤體的同一位置測到的應變峰值，取平均值作為最終的實驗數(shù)據(jù)，各測點爆炸應變波峰值如表2所示，εr，max為徑向應變峰值，εθ，max為切向應變峰值。

由各測點應變峰值εmax乘以煤體動態(tài)彈性模量Ed得到各測點的動態(tài)應力峰值。以Ⅱ-3類煤體為例，將煤體和炸藥參數(shù)帶入式(2)計算出初始應力，對實驗數(shù)據(jù)進行回歸，取置信因數(shù)為0.9，得到Ⅱ-3類煤體中爆炸應 力波 衰減 規(guī)律 為σr=，σθ=3。其余 4 類煤體的徑向應力波衰減指數(shù)分別為 2.18、2.34、2.58、3.18，本實驗條件下應力波衰減因數(shù)基本符合α=3－μ/(1－μ)。且，μd為煤體動態(tài)泊松比。

圖1 爆炸應變波典型波形Fig.1 Explosive strain waveforms

表2 不同位置處的爆炸應變峰值Table 2 Peak strains of explosion strain waves at different positions

2.2 實驗結果分析

(1)從圖1可以看出，各測點處一般形成2段應力波形，與文獻［10-12］測試結果類似。從測點第1段完整應力波波形可以看出，測點首先承受爆炸應力波的壓應力，而后承受拉應力;應力波壓縮相的作用時間較拉伸相的作用時間短，且壓縮相作用時間隨到炮孔中心距離的增加而延長。

炮孔中裝藥爆炸后，爆炸能對藥包周圍試塊進行加載，爆轟波直接入射試塊介質產(chǎn)生的擾動在試塊中傳播引起第1段由壓縮相和拉伸相組成的完整的平滑應力波形。第2段波形的形成是爆炸壓縮應力波、發(fā)射應力波、爆生氣體和瓦斯氣體準靜態(tài)應力場共同作用的結果，波形復雜。波形圖顯示，壓縮相的作用時間為40～50μs，拉伸相作用時間基本為100μs以上。

(2)從表2和應變分析可以看出，煤體中爆炸應力波衰減速度較一般巖石中大，實驗條件下，模擬煤體中爆炸應力波衰減因數(shù)基本符合α=3－μ/(1－μ)，應力波作用范圍減小。

一般巖石的爆炸應力波衰減指數(shù)為α=2－μ/(1－μ)(μ為煤體的泊松比，0.14～0.30)，實驗條件下，模擬煤體中爆炸應力波衰減因數(shù)基本符合α=3－μ/(1－μ)，也就是媒體中應力波衰減速度較一般巖石中大。煤體內存在許多微孔洞、微裂隙以及顆粒膠結物，且節(jié)理、層理等軟弱結構面更發(fā)育，而應力波的衰減與孔隙度具有良好的線性關系，所以煤體中應力波的衰減速度較一般巖石中大。煤體作為一種較弱的脆性介質，在爆炸載荷作用下極易形成粉碎區(qū)而消耗大量的能量，致使爆炸應力波形成裂隙區(qū)的能量降低，不利于初始新裂隙的形成，最終也影響爆生氣體后期的楔入作用。

(3)煤體中爆炸應力波的測試受煤體物理力學性能和結構特征、實驗設備和實驗技術等因素影響，煤體中爆炸應力波測試難度增大。

對3類煤體的14個試塊的56個測點的徑向和切向爆炸應力波進行測試，采集到84個有效波形，28個無效波形。藥包爆炸在爆破有效作用區(qū)范圍內激起的爆炸應力波，具有頻帶寬、上限頻率高以及幅值變化大的特點。所以要求測試系統(tǒng)有較好的頻響性能，以保證測試到的波形不發(fā)生畸變甚至采集不到。從本次實驗測試結果以及爆破后實際觀察應變磚和應變片的破壞情況看，產(chǎn)生28個無效波形的主要原因是:測試系統(tǒng)對部分爆炸應力波的頻響不夠;應變磚制作過程中應變片的粘貼、防潮以及應變磚由于制作養(yǎng)護等因素影響導致的與大試塊之間波阻抗匹配和剛度匹配存在差異。

3結論

在巖石爆破損傷斷裂理論的基礎上，對煤體中爆炸應力波作用機理及爆炸應力波作用下?lián)p傷斷裂準則進行了分析，并設計了模擬煤體爆炸應力波測試實驗，通過綜合分析得出以下結論:(1)爆炸沖擊波作用下，煤體被強烈壓縮破壞而形成宏觀裂隙區(qū)，可采用動態(tài)抗壓強度作為破壞準則;在爆炸應力波作用下，考慮瓦斯壓力作用，以等效應力σe達到煤體的動態(tài)斷裂應力σu為斷裂準則。(2)在本實驗條件下，煤體中的爆炸應變波波形包含了2段及以上的波形。在測點初始時刻形成的第1段完整應力波中，測點首先承受爆炸應力波的壓應力，而后承受拉應力;在作用時間上，應力波壓縮相的作用時間較拉伸相的作用時間短，且壓縮相作用時間隨到炮孔中心距離的增加而延長。煤體中爆炸應力波衰減速度更快，本實驗條件下應力波衰減因數(shù)基本符合α=3－μ/(1－μ)。在進行煤體中爆炸應力波測試時應在炸藥選擇，應變磚制作和與試塊的波阻抗、剛度匹配以及測試系統(tǒng)選擇上謹慎處理，以期獲得良好的測試效果。(3)煤體中爆炸應力波的主要作用是在煤體中形成少量的新生裂隙、激活煤體中原生裂隙擴展，并打破煤體中瓦斯氣體的平衡狀態(tài)，使瓦斯氣體參與爆生氣體對煤體的作用過程。

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