喬國(guó)棟，高 魁,2，鄭明亮，張健玉，張樹川,2，夏 微

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001;3.蘇交安江蘇安全技術(shù)咨詢有限公司，南京 210000)

我國(guó)煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重，低透氣性煤層眾多。通過(guò)工程技術(shù)手段對(duì)高瓦斯、低透氣煤層進(jìn)行增透處理以提高煤層瓦斯抽采量和抽采率，是防治煤與瓦斯突出的重要方式。目前工程中常用的增透方式有水力壓裂、煤層高壓注水、爆破增透等技術(shù)[1-3]。其中爆破增透由于增透效果好、瓦斯抽采率提高明顯等優(yōu)勢(shì)，在煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的運(yùn)用。然而爆破增透會(huì)出現(xiàn)爆生裂紋隨機(jī)發(fā)育的現(xiàn)象，無(wú)序擴(kuò)展的裂紋可能會(huì)破壞頂板或擾動(dòng)到地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域[4]在井下產(chǎn)生不安全因素，而定向控制爆破可以有效解決這一問題。

切槽爆破是定向控制爆破的一種，是通過(guò)對(duì)炮孔進(jìn)行切槽處理以獲得定向控制爆破的方式。大批學(xué)者對(duì)切槽爆破中爆生裂紋的擴(kuò)展[5-6]、切槽爆破的力學(xué)效應(yīng)[7-8]、切槽爆破切槽角[9-10]等方面進(jìn)行了研究并取得了豐碩的成果。然而當(dāng)前對(duì)切槽爆破運(yùn)用于煤層定向增透爆破的研究較為匱乏，除了夏彬偉[11]等少數(shù)學(xué)者通過(guò)改變爆破孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行煤層定向爆破增透以外，鮮有文獻(xiàn)記述相關(guān)研究。而且現(xiàn)有的切槽爆破研究多為單一條件下的裂隙擴(kuò)展研究，對(duì)含控制孔的切槽爆破試驗(yàn)研究相對(duì)匱乏。

筆者通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行含控制孔的切槽爆破相似模擬的試驗(yàn)，分析控制孔影響下的切槽爆破應(yīng)力變化情況以及裂紋擴(kuò)展方式，以期豐富切槽爆破增透理論，為指導(dǎo)切槽爆破增透實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 切槽爆破增透的裂隙擴(kuò)展機(jī)制

1.1 切槽爆破成縫機(jī)理

切槽爆破成縫過(guò)程主要有兩個(gè)階段：①爆炸沖擊波產(chǎn)生的應(yīng)力波在切槽內(nèi)發(fā)生反射、繞射作用，使切槽尖端產(chǎn)生初始裂隙[12]；②爆生氣體的準(zhǔn)靜壓作用使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展[13]。

1)爆炸沖擊波作用。由于炮孔壁的“V”形切槽要比巖石當(dāng)中的初始裂隙尺寸大的多，因此可以認(rèn)為“V”型切槽是炮孔壁上唯一的初始裂隙。炸藥在炮孔中起爆后產(chǎn)生的爆炸沖擊波通過(guò)對(duì)孔壁作用，以壓力脈沖的形式在切槽表面激發(fā)出壓應(yīng)力波。壓應(yīng)力波在切槽處的反射和繞射效應(yīng)使切槽尖端形成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度后，裂隙沿著V形槽方向擴(kuò)展。除此之外壓力脈沖激發(fā)出的壓應(yīng)力波沿炮孔周邊繞射并散射，在切槽根部附近形成一個(gè)壓應(yīng)力和低拉應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域內(nèi)裂紋發(fā)育受到抑制，被稱為抑制區(qū)?？偟膩?lái)說(shuō)爆炸沖擊波在這個(gè)階段對(duì)裂隙的發(fā)育主要有兩個(gè)影響：一是在切槽尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，有利于尖端裂隙發(fā)育；二是在切槽根部形成抑制區(qū)，抑制根部裂隙發(fā)育。

2)爆生氣體作用。炸藥爆炸后產(chǎn)生的爆炸沖擊波會(huì)迅速消散，只剩下少量殘余應(yīng)力繼續(xù)作用于炮孔周圍的煤巖體上，而爆破裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展主要依靠爆生氣體的準(zhǔn)靜壓作用。

根據(jù)炸藥的爆轟理論，炸藥爆炸后產(chǎn)生爆生氣體充滿炮孔時(shí)的壓力為

(1)

如果炸藥密度用ρ表示，炮孔單位體積的裝藥量用ρo表示，則可得表達(dá)式為

(2)

在切槽爆破裝藥過(guò)程中，常用裝藥的集中度qL表示裝藥量,g/m。當(dāng)炮孔直徑為d時(shí)，有

(3)

聯(lián)立式(1～3)可得，切槽爆破產(chǎn)生爆生氣體充滿炮孔時(shí)的壓力為

(4)

當(dāng)爆生氣體和爆炸沖擊波的殘余拉應(yīng)力共同作用時(shí)，切槽爆破斷裂力學(xué)模型如圖1所示。

注：p為爆生氣體準(zhǔn)靜壓力；σ為殘余拉應(yīng)力；r為炮孔半徑；a0為切槽深度；a為裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度。
圖1 切槽爆破斷裂力學(xué)模型
Fig.1 Fracture mechanics model of grooving blasting

根據(jù)斷裂力學(xué)模型，切槽尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子可表達(dá)為

(5)

由于殘余拉應(yīng)力σ遠(yuǎn)小于爆生氣體壓力p，故其對(duì)裂隙擴(kuò)展的影響可以忽略不計(jì)，式(5)簡(jiǎn)化為僅有爆生氣體影響下的切槽尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子式為

(6)

式中:F為應(yīng)力強(qiáng)度因子修正系數(shù)。

設(shè)巖石的斷裂韌性為KIc，則裂隙起裂條件為

(7)

當(dāng)p>M時(shí)，切槽爆破孔中的爆生氣體壓力足夠大，切槽尖端裂隙發(fā)生擴(kuò)展。但隨著爆生氣體壓力的衰減，當(dāng)p

1.2 控制孔對(duì)裂隙發(fā)育的作用原理

控制孔在深孔預(yù)裂控制爆破中起著重要作用，可以縮小最小抵抗線，減小爆破阻力。爆破過(guò)程中，控制孔引導(dǎo)爆破能量的擴(kuò)展，使能量得到充分利用，顯著擴(kuò)大裂隙擴(kuò)展范圍，提升了爆破效果[14]。除此之外，控制孔被作為輔助自由面，爆炸產(chǎn)生的壓應(yīng)力波到達(dá)控制孔后經(jīng)過(guò)自由面反射產(chǎn)生拉伸波[15]。產(chǎn)生的拉伸波不僅會(huì)破壞控制孔和爆破孔連線方向上的煤巖體，在控制孔邊緣產(chǎn)生向爆破孔孔心擴(kuò)展的裂隙，而且會(huì)和切槽尖端的集中應(yīng)力產(chǎn)生疊加效應(yīng)，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展?？偟脕?lái)說(shuō)，控制孔會(huì)對(duì)裂隙起到導(dǎo)向作用，并促使切槽尖端裂隙擴(kuò)展。

2 切槽爆破增透相似模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

本次相似模擬試驗(yàn)使用兩種槽鋼的拼接方式搭建試驗(yàn)箱體。使用尺寸為1 500 mm×100 mm×50 mm和550 mm×100 mm×50 mm的長(zhǎng)方體槽鋼各10根，兩兩搭接，連接方式為螺栓連接，搭建出一個(gè)長(zhǎng)500 mm，寬500 mm，高450 mm的長(zhǎng)方體箱體。為了更加真實(shí)的模擬現(xiàn)場(chǎng)，在箱體上部用帶有壓力表的液壓千斤頂加載，以模擬地應(yīng)力環(huán)境(見圖2)。本試驗(yàn)平臺(tái)前期用來(lái)制作試驗(yàn)試塊，試塊成型后，將箱體拆開，拔出用來(lái)預(yù)留炮孔的PVC管。在進(jìn)行爆破模擬試驗(yàn)時(shí)，再將槽鋼拼接在試塊四周，起到約束試塊位移的作用。

圖2 試驗(yàn)裝置
Fig.2 Test device

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽鐬?00 mm×500 mm×450 mm，頂板、煤層、底板的具體尺寸分別為100、250、100 mm(見圖3)。

圖3 切槽爆破試驗(yàn)?zāi)Ｐ图俺叽?br/>Fig.3 Grooving blasting test model and size

試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)置1個(gè)炮孔，2個(gè)控制孔。炮孔和控制孔均為直徑25 mm的圓孔，炮孔做切槽處理。炮孔孔深180 mm，其中80 mm位于煤層中，100 mm位于頂板巖層中?？刂瓶卓咨?80 mm，在炮孔水平面兩側(cè)對(duì)稱分布，距離炮孔130 mm。炮孔和控制孔的具體尺寸如圖4所示。

圖4 炮孔尺寸
Fig.4 Blasthole size

為研究爆破過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變情況，在試塊中布置4個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采集。1#測(cè)點(diǎn)位于炮孔面上距炮孔中心70 mm處。以炮孔中心為圓心，70 mm為半徑逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每隔45°分別布置2#、3#、4#測(cè)點(diǎn)。

圖5 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置
Fig.5 Layout of stress measuring points

2.3 試塊制作過(guò)程

相似模擬試驗(yàn)原型取自淮南礦區(qū)13-1煤層及其頂?shù)装?，主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 原煤巖層的主要力學(xué)參數(shù)

進(jìn)行相似材料配比試驗(yàn)，采用CSS-YAM3000 微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試各試塊力學(xué)參數(shù)，最后得出本爆破模擬試驗(yàn)所需的材料配比參數(shù)(見表2)。

表2 模擬實(shí)驗(yàn)材料配重

按照試驗(yàn)材料配對(duì)材料進(jìn)行稱量、攪拌，然后將攪拌好的材料鋪設(shè)在預(yù)先用槽鋼拼接好的裝置中，按照試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾脩?yīng)力磚，預(yù)留炮孔、控制孔。在拔出預(yù)留炮孔和控制孔的PVC管后，養(yǎng)護(hù)28 d成型。模型制作過(guò)程如圖6所示。

圖6 試塊制作過(guò)程
Fig.6 Making process of test block

2.4 結(jié)果分析

制作完成的試塊裝入用槽鋼拼成的試驗(yàn)箱體內(nèi)。將應(yīng)變磚的數(shù)據(jù)采集線和TST3000系列動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀相連接，調(diào)試動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀使激發(fā)電壓保持穩(wěn)定。使用單個(gè)雷管和黑索金的不耦合裝藥，該試驗(yàn)藥柱長(zhǎng)度為80 mm，使用黃泥進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度為100 mm。將雷管的導(dǎo)線連接在專用充電式發(fā)炮器上，充電完成后起爆。在起爆的同時(shí)收集數(shù)據(jù)，應(yīng)變磚和數(shù)據(jù)采集裝置如圖7所示。

圖7 應(yīng)變磚和數(shù)據(jù)采集裝置
Fig.7 Strain brick and data collecting device

爆破后觀察試塊頂板表面的裂隙發(fā)育情況(見圖8a)。在炮孔和控制孔連線的方向上產(chǎn)生了2條明顯裂隙，裂隙起于切槽尖端，過(guò)控制孔后，擴(kuò)展至試塊邊界。爆破產(chǎn)生的粉碎區(qū)很小，除切槽方向外的炮孔壁上沒有明顯的隨機(jī)裂隙產(chǎn)生，說(shuō)明爆轟能量多作用于切槽尖端，并通過(guò)切槽引導(dǎo)形成了貫穿試塊的裂隙。而除了頂板表面有裂隙發(fā)育以外，平行于裂隙擴(kuò)展走向試塊的兩個(gè)側(cè)面沒有產(chǎn)生裂隙(見圖8b)。通過(guò)對(duì)試塊裂隙的擴(kuò)展情況進(jìn)行分析可以看出，切槽爆破對(duì)裂隙擴(kuò)展有著控制引導(dǎo)作用，可以避免損傷非切槽方向的巖體。

圖8 試塊損傷情況
Fig.8 The damage of test block

由于受限于試驗(yàn)儀器采集通道的原因，只對(duì)3塊應(yīng)變磚進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，應(yīng)變磚所采集到的應(yīng)變值隨時(shí)間變化的曲線如圖9所示。

圖9 應(yīng)變變化情況
Fig.9 Change of strain

由圖9可知，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變曲線走向趨勢(shì)基本一致，出現(xiàn)的第1個(gè)峰值均為壓應(yīng)變峰值(負(fù)值)，然后出現(xiàn)拉應(yīng)變峰值(正值)，最后趨于平穩(wěn)。1#測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)變峰值最大，最大應(yīng)變值為31 836.5ε。2#、3#測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)變峰值次之，分別為11 475、27 539.5ε。對(duì)于拉應(yīng)變峰值而言，1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值分別為18 994.5、9 814.5、14 502ε。根據(jù)切槽爆破的力學(xué)理論，炸藥爆炸后會(huì)在切槽尖端形成應(yīng)力集中，而在切槽根部會(huì)產(chǎn)生低應(yīng)力的抑制區(qū)。對(duì)比1#、2#測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變峰值可以印證上述理論，即切槽方向上的1#測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)變峰值是切槽45°方向上的2#測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)變峰值的2.77倍，對(duì)拉應(yīng)變峰值而言，1#測(cè)點(diǎn)是2#測(cè)點(diǎn)的1.94倍，切槽45°方向應(yīng)力抑制效果明顯。3#測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值沒有明顯的增大或減小現(xiàn)象。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型

運(yùn)用ANSYS /LS-DYNA數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析。建立15 m×15 m×15 m的煤巖體模型，炮孔位于模型正中間位置，兩控制孔對(duì)稱布于炮孔兩邊，距炮孔3 m。(見圖10)。

圖10 模型尺寸及幾何模型
Fig.10 Model size and geometric model

炸藥使用(MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)高能材料模型定義，狀態(tài)方程為JWL方程，其表達(dá)式為

(8)

式中：A和B為炸藥特性參數(shù)，GPa；R1、R2、ω為擬合系數(shù)，無(wú)量綱；e為比內(nèi)能，J/kg；E為炸藥單位體積爆炸能量，GPa；V為相對(duì)體積，m3。 模擬過(guò)程中的炸藥相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 炸藥各項(xiàng)參數(shù)

數(shù)值模擬中煤巖材料的力學(xué)參數(shù)使用爆破模擬實(shí)驗(yàn)材料配比參數(shù)，這里不再贅述。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

爆破數(shù)值模擬計(jì)算之后，使用LS-PREPOST后期處理軟件，選取三維模型中的平面xz進(jìn)行觀察，爆破后的平面xy應(yīng)力云圖如圖11所示。

圖11 爆破不同時(shí)刻應(yīng)力云圖
Fig.11 The stress cloud map of blasting at different times

從應(yīng)力云圖中可以看出：t=99s時(shí)，爆破處于初始階段，炸藥起爆后產(chǎn)生的應(yīng)力波呈環(huán)狀向周圍擴(kuò)散；t=159s時(shí)，在切槽處已經(jīng)產(chǎn)生較強(qiáng)的應(yīng)力集中，并從切槽處向外傳播；t=219s時(shí)，應(yīng)力波傳至控制孔位置，在控制孔處反射產(chǎn)生拉伸應(yīng)力波，在切槽和控制孔連線上產(chǎn)生應(yīng)力集中；t=369s時(shí)，整個(gè)平面應(yīng)力分布復(fù)雜，但在炮孔45°方向的切槽抑制區(qū)范圍內(nèi)應(yīng)力較??；當(dāng)t>429s時(shí)，平面內(nèi)應(yīng)力逐漸消散趨于平穩(wěn)，爆破完成。

通過(guò)圖11可以看出，爆破時(shí)切槽方向應(yīng)力集中明顯，當(dāng)應(yīng)力波傳播至控制孔處時(shí)，壓應(yīng)力波經(jīng)過(guò)控制孔反射產(chǎn)生拉伸應(yīng)力波。生成的拉伸波和切槽尖端的應(yīng)力集中產(chǎn)生疊加效果，促進(jìn)切槽和控制孔連線方向上的裂隙發(fā)育，所以說(shuō)控制孔對(duì)切槽爆破控制裂隙定向發(fā)育有著促進(jìn)作用。

4 結(jié)論

1)相似模擬試驗(yàn)爆破后,試塊裂隙沿切槽方向發(fā)育，非切槽方向上煤巖體完整，未出現(xiàn)明顯裂隙。這表明含控制孔的切槽爆破對(duì)能量定向控制效果良好，可以達(dá)到定向破裂煤巖體的效果。

2)根據(jù)動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀收集到的數(shù)據(jù)可知，切槽方向產(chǎn)生的壓應(yīng)變峰值是切槽45°方向上的2.77倍，拉應(yīng)變峰值是它的1.94倍。這表明在含控制孔的情況下，切槽根部的抑制區(qū)仍然存在。

3)控制孔對(duì)切槽方向裂隙擴(kuò)展有促進(jìn)作用。在切槽爆破過(guò)程中，應(yīng)力波傳播至控制孔后產(chǎn)生反射拉伸波，拉伸波和切槽尖端的集中應(yīng)力產(chǎn)生疊加效應(yīng)使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，最終在炮孔和控制孔連線方向生成裂縫。