張樹(shù)川，張緩緩，王錦波，劉炳乾

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

我國(guó)煤礦透氣性系數(shù)低，提高煤層氣抽采量的關(guān)鍵在于提高煤層透氣性系數(shù)[1]。深孔控制爆破是主要的卸壓增透技術(shù)之一，其兼具有大直徑鉆孔和松動(dòng)爆破兩種措施的優(yōu)點(diǎn)，能有效防治煤與瓦斯突出等瓦斯災(zāi)害事故[2]。深孔控制爆破作用于煤層中，其增透效果受地應(yīng)力、瓦斯壓力、控制孔和爆破工藝參數(shù)等多種因素影響。許多學(xué)者就不同開(kāi)采深度自重地應(yīng)力等對(duì)煤體爆破裂紋演化影響及爆破荷載作用下裂隙擴(kuò)展等進(jìn)行了研究[3-11]，并取得了一定的成果，如劉超等借助RFPA2D-Dynamic軟件，研究了煤體在不同地應(yīng)力條件下爆破裂紋擴(kuò)展規(guī)律；穆超民等建立含瓦斯煤的拉壓動(dòng)態(tài)損傷動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，并將此模型嵌入LS-DYNA軟件中，對(duì)含瓦斯煤體柱狀裝藥預(yù)裂爆破進(jìn)行了數(shù)值模擬等。但相關(guān)研究主要是借助數(shù)值模擬的手段進(jìn)行的，數(shù)值模擬一定程度上難以達(dá)到和實(shí)際地層條件下完全吻合。

鑒于此，本文針對(duì)煤層中深孔控制爆破的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室搭建爆破模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了不加載、加載為5t(以下稱為“小加載”)和10t(以下稱為“大加載”)的3組不同加載模式，來(lái)模擬真實(shí)地層中煤體所承受的大小不同的自重地應(yīng)力。利用相似材料配比加工制備爆破實(shí)驗(yàn)試件，通過(guò)超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀監(jiān)測(cè)煤體的應(yīng)變信號(hào)，利用高像素?cái)?shù)碼相機(jī)記錄爆破后模型試件表面宏觀裂紋的變化規(guī)律，利用電法儀CT反演爆破前后及爆破后一定時(shí)間內(nèi)電阻率變化規(guī)律。根據(jù)不同加載煤體爆炸荷載作用下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比分析了其損傷和裂紋演化的特征。研究成果可為利用深孔控制預(yù)裂爆破技術(shù)卸壓增透及切槽定向控制爆破等防治煤與瓦斯突出，預(yù)先弱化堅(jiān)硬煤層等提高回采率與防治沖擊地壓、瓦斯災(zāi)害事故等的工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)理論研究方面，提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图爸谱?/h2>

1.1 模型設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?00mm×300mm×300mm，四周用鋼板進(jìn)行約束。模型中有1個(gè)爆破孔和2個(gè)控制孔，爆破孔布置在試件模型中心，控制孔距離爆破孔100mm，等間距布置在爆破孔的兩側(cè)。預(yù)留爆破孔和控制孔長(zhǎng)度為180mm，藥柱長(zhǎng)度100mm，裝藥封孔長(zhǎng)度為80mm。為保證爆炸應(yīng)力波和爆生氣體發(fā)揮最大作用，實(shí)驗(yàn)所用藥管的直徑為6.5mm，爆破孔直徑為8mm，裝藥不耦合系數(shù)1.23[12]。為了進(jìn)行對(duì)比分析，設(shè)計(jì)了不加載、小加載和大加載等3組加載模式。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

在模型試件中垂直爆破孔(控制孔)方向距離上下底面均為150mm的的正方形面對(duì)角線方向預(yù)埋4個(gè)應(yīng)變磚，距離爆破孔的水平距離分別為20mm、50mm、80mm和110mm(圖2(a))。在應(yīng)變磚同一個(gè)平面上布置電阻率測(cè)試系統(tǒng)，即每個(gè)試件模型布置4根電極棒，每根電極棒布置14個(gè)電極測(cè)點(diǎn)，共計(jì)56個(gè)電極測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距20mm(圖2(b))。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)示意圖(mm)

1.2 模型制作

本次爆破實(shí)驗(yàn)選取的煤體為構(gòu)造煤。依據(jù)煤體工程分類，考慮煤體的單軸抗壓強(qiáng)度、縱波波速、彈性模量和孔隙率等指標(biāo)，力求在煤巖物理力學(xué)性質(zhì)方面最大程度與真實(shí)構(gòu)造煤體相似。在進(jìn)行大量構(gòu)造煤相似材料配比實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了本次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮嚰悦悍蹫橹饕羌懿牧?，水泥和石膏為膠結(jié)材料，具體配比材料和參數(shù)及物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1[13，14]。

表1 爆破模擬煤體配比及物理力學(xué)參數(shù)

按照材料配比參數(shù)稱量所需材料攪拌均勻后倒入實(shí)驗(yàn)箱體和實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?，在預(yù)定位置埋入鋼筋以模擬炮孔和控制孔。在裝入模擬材料的同時(shí)在煤體按照設(shè)計(jì)位置埋設(shè)應(yīng)變磚和電極棒，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鬟^(guò)程包括攪拌、裝載、夯實(shí)、安裝、再夯實(shí)等，在室溫下養(yǎng)護(hù)28d后，清理干凈爆破孔，裝入專用藥柱，將藥管導(dǎo)線引至試件外并采用河沙和502膠混合封孔，然后起爆。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 爆炸應(yīng)力波分析

采用TS3406動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀測(cè)試模型試件在爆炸荷載作用下的應(yīng)變時(shí)程曲線如圖3所示，炮孔中炸藥爆炸后爆炸能對(duì)模型試件進(jìn)行加載，形成兩段主要波形[15]。

圖3 爆炸荷載下煤體應(yīng)變時(shí)程曲線

第一段波形在20～100μs段，是由于爆炸應(yīng)力波作用而形成的，模型試件均先受壓再受拉，徑向以受壓為主，切向以受拉為主，應(yīng)變幅值徑向方向較切向方向出現(xiàn)時(shí)間早、應(yīng)變幅值大小相近。第二段波形的在100μs以上，主要是由于卸載波、反射波等的復(fù)合作用而形成的。卸載波是爆炸應(yīng)力波的向前傳播同時(shí)，爆生氣體膨脹導(dǎo)致氣體壓力降低，當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ禃r(shí)試件中積蓄的彈性能釋放出來(lái)而形成的；反射波主要由于控制孔作為輔助自由面產(chǎn)生的拉伸波和爆破試驗(yàn)系統(tǒng)腔體反射形成的壓縮波所組成的。

2.2 模型試件爆破后表面宏觀裂紋分析

模型試件爆破后垂直于炮孔軸向方向的宏觀裂紋情況如圖4所示，其形成主要是爆炸應(yīng)力波、卸載波和控制孔及腔體形成的拉壓反射波等共同作用形成的。在炮孔區(qū)，爆炸應(yīng)力波對(duì)于試件的損傷作用是在爆炸產(chǎn)生的壓縮空腔區(qū)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的；近炮孔區(qū)，由于壓縮波產(chǎn)生的裂紋尖端強(qiáng)度因子大于煤體動(dòng)態(tài)斷裂韌性而形成放射狀的壓剪裂紋；遠(yuǎn)炮孔區(qū)，是由壓縮波和卸載波共同作用下形成的，應(yīng)力波向前傳播的同時(shí)，爆生氣體迅速膨脹壓力降低，積蓄在試件中的內(nèi)能釋放形成卸載波，壓縮波和卸載波共同作用產(chǎn)生拉剪裂紋，主應(yīng)力對(duì)裂紋的發(fā)展具有明顯的導(dǎo)向作用，裂紋向煤體最小抵抗線方向發(fā)生偏離。小加載模型，由于施加了一定的徑向荷載，與無(wú)加載模型相比較裂紋的寬度明顯減少，裂紋的長(zhǎng)度基本未發(fā)生變化。大加載模型，試件表面的裂紋未能呈現(xiàn)出放射狀，與無(wú)加載和小加載等模型相比較，由于較大的徑向加載存在使得模型徑向裂紋數(shù)量和寬度明顯減少但裂紋長(zhǎng)度基本未發(fā)生變化。

圖4 爆破后模型表面破壞形態(tài)

2.3 電阻率測(cè)試結(jié)果及分析

采用WBD并行網(wǎng)絡(luò)電法儀測(cè)試模型試件爆炸荷載作用前后電阻率。將模型試件爆破后電阻率ρi與背景電阻率ρ0進(jìn)行比值處理，即得到試件爆破前后電阻率的異常系數(shù)為：γ=ρi/ρ0，當(dāng)電阻率異常系數(shù)γ>1時(shí)，說(shuō)明試件在爆炸荷載作用下產(chǎn)生損傷和裂隙，異常系數(shù)值越大，損傷越嚴(yán)重。電阻率損傷因子與彈性模量損傷因子對(duì)于煤巖介質(zhì)的損傷反應(yīng)具有較好的一致性，以電阻率為基礎(chǔ)煤巖介質(zhì)的損傷變量可表示為：Dρ=1-ρ0/ρi=1-1/γ。電阻率損傷因子值為0～1之間，反應(yīng)了煤巖介質(zhì)爆破后的損傷程度，值越大代表?yè)p傷越嚴(yán)重，值為1表示在測(cè)點(diǎn)位置的煤巖爆炸荷載作用下產(chǎn)生了一定寬度的宏觀裂隙或已經(jīng)破碎，值為0表明測(cè)點(diǎn)煤巖爆炸荷載作用下沒(méi)有產(chǎn)生任何破壞和損傷。

不同加載煤體爆炸荷載作用下電阻率損傷因子如圖5所示，不同加載煤體爆炸荷載作用下電阻率損傷因子時(shí)間變化如圖6所示。由圖5可知，受爆炸荷載作用不同加載模型的電阻率均發(fā)生了顯著變化；無(wú)加載、小加載和大加載模型的電阻率損傷因子為0.86、0.67、0.56，加載越大，電阻率損傷因子越小，加載和電阻率損傷因子呈負(fù)冪指數(shù)關(guān)系y=0.849e-0.397x。由圖6可知，小加載和大加載模型爆破后電阻率進(jìn)行了一周的持續(xù)測(cè)試，同一時(shí)間點(diǎn)小加載模型電阻率損傷因子均大于大加載的；在加載的持續(xù)作用模型試件電阻率損傷因子隨時(shí)間呈降幅逐漸減小的下降趨勢(shì)，小加載下降幅度小于大加載的下降幅度，小加載和大加載模型電阻率損傷因子與爆破后加載持續(xù)作用時(shí)間呈負(fù)冪指數(shù)關(guān)系為y=0.659e-0.021t和y=0.555e-0.163t。以上現(xiàn)象的主要原因是由于加載對(duì)煤體爆炸荷載作用下?lián)p傷和裂紋演化的抑制作用，爆破后產(chǎn)生的裂隙在加載持續(xù)作用下存在一定程度的閉合，加載越大，越不利于裂隙的萌生、演化和貫通等。因此，在真實(shí)地層煤體中應(yīng)用深孔控制爆破技術(shù)，煤體受爆炸荷載作用產(chǎn)生損傷和裂隙，透氣性系數(shù)成倍增加，且能保持一定時(shí)間，但應(yīng)注意其時(shí)間效應(yīng)。

圖5 不同加載煤體損傷因子

圖6 不同加載煤體損傷因子時(shí)間變化曲線

3 不同加載煤體爆炸荷載作用下破壞準(zhǔn)則

本實(shí)驗(yàn)采用的是不耦合裝藥，柱狀藥包爆炸后，產(chǎn)生的沖擊波壓力為[13]：

炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波以炮孔為中心向外傳播衰減成應(yīng)力波，同時(shí)，柱狀藥包在煤體中爆破可以看作是平面應(yīng)變問(wèn)題。則煤體中任一點(diǎn)引起的徑向、切向和軸向應(yīng)力為：

σθ=-bσr

(3)

σz=μd(σr+σθ)=μd(1-b)σr

(4)

煤體中任一點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度可由徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力和軸向應(yīng)力來(lái)表示：

根據(jù)Mises準(zhǔn)則，當(dāng)煤體中任一點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度滿足式(6)時(shí)，煤體破壞，形成壓碎圈和裂隙圈，即：

式中，σcd為煤巖的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPa；σtd為煤巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa。

將式(2)、式(3)和式(4)代入式(5)得，煤體中任一點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度和徑向應(yīng)力的關(guān)系為：

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了3組不同的加載模型，設(shè)徑向加載力為σj，即不同加載下煤體中任一點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度和徑向應(yīng)力的關(guān)系可表示為：

由式(8)可以看出，煤體中任一點(diǎn)徑向加載力越大，有效徑向應(yīng)力越小，應(yīng)力強(qiáng)度越小，爆炸荷載對(duì)煤體的破壞作用減弱。加載對(duì)爆炸荷載作用下煤體損傷和裂紋演化具有明顯的抑制和阻礙作用。

4 結(jié) 論

1)煤體爆炸荷載作用形成兩段主要波形。第一段波形主要是由于爆炸應(yīng)力波的作用而形成，模型試件無(wú)論徑向還是切向均先受壓再受拉，徑向以受壓為主，切向以受拉為主，徑向方向壓應(yīng)變幅值較切向方向拉應(yīng)變幅值出現(xiàn)時(shí)間早，徑向應(yīng)變峰值與切向應(yīng)變峰值大小相近。第二段波形形成主要由于卸載波、反射波等的復(fù)合作用。

2)煤體在爆炸荷載作用下?lián)p傷和裂紋演化主要是由爆炸應(yīng)力波、卸載波和控制孔形成的拉伸波等共同作用形成的，近炮孔區(qū)，壓縮波形成放射狀的壓剪裂紋；遠(yuǎn)炮孔區(qū)，是由壓縮波和卸載波共同作用下產(chǎn)生拉剪裂紋，主應(yīng)力對(duì)裂紋的發(fā)展具有明顯的導(dǎo)向作用，向煤體最小抵抗線方向發(fā)生偏離。

3)加載對(duì)煤體爆炸荷載作用下?lián)p傷和裂隙演化的抑制作用，爆破后產(chǎn)生的裂隙在加載持續(xù)作用下存在一定程度的閉合，加載越大，越不利于裂隙的萌生、演化和貫通等。在應(yīng)用深孔控制爆破工程實(shí)踐中，應(yīng)注意其時(shí)間效應(yīng)。