楊仁樹(shù)曹文俊，2陳 程高祥濤

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.北京京煤化工有限公司，北京市房山區(qū)，102471）

單-雙孔爆炸荷載作用下應(yīng)變測(cè)試試驗(yàn)*

楊仁樹(shù)1曹文俊1，2陳 程1高祥濤1

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.北京京煤化工有限公司，北京市房山區(qū)，102471）

預(yù)裂效果是低滲透高瓦斯煤層深孔爆破增透技術(shù)的關(guān)鍵。采用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)測(cè)了單孔起爆和雙孔同時(shí)起爆作用下有機(jī)玻璃板中爆炸產(chǎn)生的應(yīng)變波，對(duì)測(cè)試得到的軸向和切向爆炸應(yīng)變波信號(hào)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：?jiǎn)慰灼鸨a(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度有限，雙孔起爆由于應(yīng)力波疊加作用產(chǎn)生的主裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展效果明顯；應(yīng)變波波形包括兩個(gè)部分，首先以壓縮為主的應(yīng)變作用使裂紋產(chǎn)生，然后以拉伸為主的應(yīng)變作用使裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展，且拉伸應(yīng)變峰值是導(dǎo)致裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展的主要原因；雙孔同時(shí)起爆爆炸拉伸應(yīng)變峰值是單孔起爆的3～6倍，說(shuō)明多點(diǎn)爆炸荷載對(duì)介質(zhì)的作用并不是單純的數(shù)值疊加。研究結(jié)果為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)爆破破巖機(jī)理和爆破預(yù)裂技術(shù)提供新的試驗(yàn)依據(jù)。

單孔爆炸 雙孔爆炸 爆炸效應(yīng) 應(yīng)變測(cè)試 動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

我國(guó)95%以上的高瓦斯和突出礦井所開(kāi)采的煤層屬于低透氣性煤層，煤層的難抽采性成為了絕大部分礦井的煤層特征。目前，在低透氣性高瓦斯煤層開(kāi)采過(guò)程中，傳統(tǒng)預(yù)裂爆破增透技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，液態(tài)CO2相變致裂爆破新技術(shù)也開(kāi)始嘗試試驗(yàn)。預(yù)裂效果是低滲透高瓦斯煤層深孔爆破增透技術(shù)的關(guān)鍵，爆炸荷載下固體介質(zhì)中爆炸應(yīng)力波傳播的應(yīng)變測(cè)試技術(shù)是考察爆破預(yù)裂效果的重要試驗(yàn)方法。

由于單-雙孔爆炸荷載作用下介質(zhì)應(yīng)變規(guī)律研究是爆破破巖機(jī)理和預(yù)裂爆破致裂技術(shù)的基礎(chǔ)，學(xué)者們對(duì)于單-雙孔爆破效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究。近年來(lái)高應(yīng)變率的爆炸應(yīng)變直接測(cè)試成為可能。高祥濤研究了利用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀實(shí)測(cè)了條形藥包在水泥砂漿試件中爆炸產(chǎn)生的應(yīng)變波，認(rèn)為該應(yīng)變波形具有初始以壓應(yīng)變?yōu)橹?、持續(xù)的壓拉應(yīng)變交替出現(xiàn)的特征；岳中文等開(kāi)展了切縫藥包空氣間隔裝藥爆破的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試，認(rèn)為切縫方向應(yīng)變衰減速度較快；梁冰等以漳村煤礦3#煤層為基礎(chǔ)分析了雙孔連續(xù)爆破應(yīng)力波的傳播過(guò)程及對(duì)煤層影響的范圍。由于煤巖材質(zhì)的各向異性，直接在煤、巖介質(zhì)水泥砂漿試樣中進(jìn)行爆炸應(yīng)變測(cè)試很難直觀獲得應(yīng)力波疊加效果，本文采用有機(jī)玻璃材料和超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)深入研究單-雙孔爆炸荷載作用下應(yīng)變波傳播和裂隙擴(kuò)展規(guī)律，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)爆破破巖機(jī)理和爆破預(yù)裂技術(shù)提供新的試驗(yàn)依據(jù)。

1　試驗(yàn)設(shè)備及材料

1.1超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由電阻應(yīng)變片、有機(jī)玻璃板、屏蔽線、電橋盒、SDY2107型超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀、TST3406C動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及臺(tái)式計(jì)算機(jī)組成。使用的應(yīng)變片為BX120-2BA直角應(yīng)變花，其敏感柵尺寸為2 mm×1 mm，基底尺寸為6.5 mm× 6.5 mm，電阻為120Ω。SDY2107型超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀頻率響應(yīng)為2.5 MHz，輸入阻抗大于100 MΩ，靈敏度（橋壓2 V）為0.1 V/100με。TST3406C動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最高采樣速率為40×107次/s，滿足試驗(yàn)測(cè)試要求。

1.2試驗(yàn)材料及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)材料為有機(jī)玻璃（PMMA），有機(jī)玻璃尺寸為400 mm×300 mm×5 mm，兩炮孔位于試件中央，間隔120 mm。采用微激光精確定位切割。有機(jī)玻璃動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)分別為縱波波速2.32× 103m/s，橫波波速1.26×103m/s，動(dòng)態(tài)彈性模量6.1 GN/m2，動(dòng)態(tài)泊松比0.31。試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，炮孔A、B直徑為6 mm，單孔裝藥量為140 mg疊氮化鉛炸藥；沿垂直于兩炮孔連線中心布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置一個(gè)應(yīng)變花，每個(gè)應(yīng)變花有兩個(gè)應(yīng)變片組成相互垂直，用于測(cè)試測(cè)點(diǎn)處的橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變，測(cè)點(diǎn)連線距離為80 mm、80 mm、80 mm。

圖1　有機(jī)玻璃、應(yīng)變片和炮孔

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1爆破效果

為了考察單-雙孔爆炸荷載下應(yīng)力分布情況，試驗(yàn)分兩組開(kāi)展，第一組起爆單孔A，第二組同時(shí)起爆炮孔A和炮孔B。爆破作用后效果見(jiàn)圖2。

由圖2（a）可以看出，在單孔起爆作用下，爆生裂紋主要集中在炮孔周圍，水平方向主裂紋擴(kuò)展距離沒(méi)有達(dá)到兩炮孔水平距離的一半；而由圖2（b）可以看出，在雙孔同時(shí)起爆情況下，裂紋的擴(kuò)展非常明顯，單個(gè)炮孔水平方向主裂紋擴(kuò)展都超過(guò)了兩炮孔水平距離的一半。由此可見(jiàn)，單孔起爆產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度有限，雙孔起爆由于應(yīng)力波疊加作用產(chǎn)生的主裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展效果明顯。

圖2　爆破作用后效果

2.2動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

起爆后超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀會(huì)瞬間采集炮孔周邊應(yīng)變信號(hào)，兩組信號(hào)應(yīng)變持續(xù)時(shí)間在10μs以內(nèi)。圖3為單孔爆破應(yīng)變測(cè)試波形（炮孔A起爆）和雙孔同時(shí)起爆應(yīng)變測(cè)試波形（炮孔A、B同時(shí)起爆）。

圖3　單、雙孔起爆應(yīng)變測(cè)試波形

由圖3可見(jiàn)，無(wú)論是單孔起爆還是雙孔同時(shí)起爆，應(yīng)變片傳感器先后形成兩個(gè)明顯的作用區(qū)域（如圖中虛線區(qū)域）。在第一個(gè)作用區(qū)域中，各測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)出應(yīng)變情況有所不同，應(yīng)變值有正有負(fù)，說(shuō)明不同測(cè)點(diǎn)受到的拉伸、壓縮應(yīng)變不同，但以壓縮為主；而在第二個(gè)作用區(qū)域中，各個(gè)測(cè)點(diǎn)都呈現(xiàn)出統(tǒng)一的變化趨勢(shì)，先壓縮再拉伸，整體作用以拉伸為主，僅峰值大小不同。前者是由于壓縮應(yīng)力波引起，后者是由于應(yīng)力波疊加和膨脹氣體準(zhǔn)靜壓造成，與文獻(xiàn)中水泥砂漿單孔爆破應(yīng)變?cè)囼?yàn)測(cè)試結(jié)果一致。因此，爆炸在材料中產(chǎn)生的應(yīng)變波形首先以壓縮為主的應(yīng)變作用使材料產(chǎn)生裂紋，然后以拉伸為主的應(yīng)變作用使裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展。

雙孔同時(shí)起爆相對(duì)于單孔爆破測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變峰值明顯升高，除藥量增加一倍以外，兩炮孔產(chǎn)生的應(yīng)力波相互疊加起到了重要的作用，特別是第二個(gè)作用區(qū)域中的拉伸應(yīng)變峰值是導(dǎo)致裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展的主要原因。4個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變波形中第二個(gè)作用區(qū)域中拉伸應(yīng)變的橫縱向應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可見(jiàn)，單孔起爆作用下，橫向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值最大值為48.2×103με，縱向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值最大值為38.4×103με；雙孔同時(shí)起爆作用下，橫向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值最大值為195.3×103με，縱向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值最大值為252×103με。雙孔起爆橫縱應(yīng)變峰值明顯大于單孔爆破數(shù)值，雙孔同時(shí)起爆作用下的橫向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值以及縱向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值是相應(yīng)單孔起爆條件下相應(yīng)峰值的3～6倍，說(shuō)明多點(diǎn)爆炸荷載對(duì)介質(zhì)的作用并不是單純的數(shù)值疊加。

表1　測(cè)點(diǎn)橫縱應(yīng)變片拉伸應(yīng)變峰值　103με

3　結(jié)論

（1）單、雙爆破裂紋宏觀上觀察可見(jiàn)，單孔起爆產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度有限，雙孔起爆由于應(yīng)力波疊加作用產(chǎn)生的主裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展效果明顯。

（2）在應(yīng)變波曲線上，無(wú)論是單孔起爆還是雙孔同時(shí)起爆，爆炸荷載對(duì)介質(zhì)的作用形式都是一致的，應(yīng)變波形包括兩個(gè)主要作用區(qū)域，首先以壓縮為主的應(yīng)變作用使裂紋產(chǎn)生，然后以拉伸為主的應(yīng)變作用使裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展，且拉伸應(yīng)變峰值是導(dǎo)致裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展的主要原因。

（3）雙孔起爆拉伸應(yīng)變區(qū)域橫縱應(yīng)變峰值明顯大于單孔爆破數(shù)值，雙孔同時(shí)起爆作用下的橫向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值以及縱向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值是相應(yīng)單孔起爆條件下相應(yīng)峰值的3～6倍，說(shuō)明多點(diǎn)爆炸荷載對(duì)介質(zhì)的作用，并不是單純的數(shù)值疊加。

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Research on strain test under blast load of single-hole or double-hole

Yang Renshu1，Cao Wenjun1，2，Chen Cheng1，Gao Xiangtao1
（1.School of Mechanics&Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Beijing Jingmei Chemical Industry Co.，Ltd.，F(xiàn)angshan，Beijing 102471，China）

The presplitting effect was the key of anti-reflection technique in deep hole blasting in the coal seam with low permeability and high gas.Taking the super dynamic strain test system，the explosion strain waves produced by single-hole detonating or double-hole detonating in perspex sheets were measured，and the axial and tangential strain wave signals were analyzed. The results showed that the crack length caused by single-hole detonating was limited，while the extension effect of main crack length caused by double-hole detonating was obvious because of the additive effects of stress waves.The waveform of strain wave included two parts，first part was the crack formation primarily caused by compression strain effect，and the second part was crack length extension primarily caused by tensile strain effect，and the peak of tensile strain was the main reason of crack length extension.The tensile strain peak of double-hole detonating was 3～6 times as big as the peak of single-hole detonating，which explained that the effect of multi-point explosion load on medium was not a simple numeral superposition.The research results provided a new test basis to explore the rock breaking mechanism and presplitting blast technology.

single-hole blasting，double-hole blasting，explosion effect，strain test，dynamic response

TD235

A

楊仁樹(shù)（1963-），男，安徽和縣人，教授，博士生導(dǎo)師。

（責(zé)任編輯 張毅玲）

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51134025），高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20110023110018）