趙海洋，陳大勇，劉志遠(yuǎn)，黃炳香，金 峰，黃燕飛，趙興龍，邢岳堃，焦雪杰

(1.中國(guó)石化西北油田分公司 石油工程技術(shù)研究院，烏魯木齊 830011；2.中國(guó)石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830011；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，徐州 221116)

依靠炸藥爆炸作用促使礦體裂紋的產(chǎn)生，是資源、能源開(kāi)采過(guò)程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，以此達(dá)到礦石的破碎、強(qiáng)度弱化、滲透率提高、應(yīng)力轉(zhuǎn)移等目的。超深孔爆破在此環(huán)節(jié)中得到了廣泛的應(yīng)用如在油氣開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層的致裂、煤礦超前工作面實(shí)施的厚硬頂板超深孔爆破，金屬礦超深孔爆破等。這些爆破類型的共同之處是炮孔(或其作用的介質(zhì))處在圍壓作用之中，無(wú)爆破自由面。核心共性問(wèn)題是此約束條件下的爆破裂紋的空間形態(tài)，此問(wèn)題的解決是爆破參數(shù)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

圍壓條件下的爆破問(wèn)題已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外的學(xué)者關(guān)注，并進(jìn)行了一些研究。黃文堯[1]、Tao Jian研究發(fā)現(xiàn)在圍壓條件下[2]，爆破裂紋的寬度較細(xì)、數(shù)目較少，并且得出圍壓對(duì)裂紋的發(fā)展具有明顯的導(dǎo)向作用，隨著初始地應(yīng)力的增大，裂隙區(qū)半徑減小；理論分析認(rèn)為爆破裂紋主要是由壓縮波和卸載波共同作用形成的[3]，前期裂紋擴(kuò)展主要由塑性剪切造成，后期裂紋由壓縮波和卸載波復(fù)合作用形成，地應(yīng)力對(duì)裂紋的發(fā)展具有抑制作用；岳萬(wàn)友研究發(fā)現(xiàn)[4]，在各向等壓地應(yīng)力場(chǎng)爆破開(kāi)采環(huán)境下，隨著圍壓增加環(huán)向拉應(yīng)力逐漸降低而壓應(yīng)力并未得到顯著提升；郭雙[5]、Zhao Jian-Jian研究發(fā)現(xiàn)側(cè)壓力系數(shù)對(duì)爆破裂紋的擴(kuò)展有直接影響[6]，爆破裂紋區(qū)呈扁平形，裂紋主要朝較大壓應(yīng)力方向擴(kuò)展。王長(zhǎng)柏[7]、汪海波[8]、白羽[9]、范光華[10]、崔建斌[11]、尤元元等人也獲得了基本類似的結(jié)論[12]。趙建平研究發(fā)現(xiàn)地應(yīng)力的大小對(duì)巖體爆破效果并無(wú)線性關(guān)系[13]。

在深部巖巷掘進(jìn)方面，戴俊指出原巖應(yīng)力的有利于光面爆破炮孔間貫通裂紋的形成，不利于預(yù)裂爆破炮孔間貫通裂紋的形成[14-16]，分析得出地應(yīng)力的作用相當(dāng)于增大了巖石的抗拉強(qiáng)度。盧文波在進(jìn)行地下水電站硐室爆破施工過(guò)程同樣發(fā)現(xiàn)[17]，原巖應(yīng)力是影響周邊爆破的一個(gè)重要參數(shù)，當(dāng)原巖應(yīng)力大于10～12 MPa時(shí)，首先采用預(yù)裂爆破是不合適的，需要首先進(jìn)行掏槽孔爆破，而后采取預(yù)裂爆破或光面爆破，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)貞?yīng)力超過(guò)32 MPa時(shí)，掏槽孔爆破會(huì)出現(xiàn)炮孔之間的裂紋難以連通[18]。Han Hao-yu研究提出[19]，減小周邊孔齊發(fā)爆破時(shí)的起爆誤差，有利于光滑壁面的形成。陳明研究發(fā)現(xiàn)初始地應(yīng)力對(duì)爆生裂隙范圍有顯著影響[20]，在壓剪破壞模式下，爆生裂隙區(qū)比例半徑隨地應(yīng)力的增大而減小。李啟月研究發(fā)現(xiàn)在炸藥爆炸前期和中期[21]，初始地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)爆破效果影響較小，主要是掏槽孔爆炸應(yīng)力場(chǎng)起主導(dǎo)作用，在爆炸后期，初始地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)爆破后裂紋的擴(kuò)展具有導(dǎo)向作用，裂紋擴(kuò)展主方向趨向于最大初始地應(yīng)力方向；李新平[22]、謝亮波[23]、曾慶田認(rèn)為初始地應(yīng)力的加制作用對(duì)掏槽爆破有明顯的抑制作用[24]，在爆破設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮地應(yīng)力的影響；楊建華研究發(fā)現(xiàn)[25]，垂直于炮孔連線方向傳播的爆生裂紋更易受到地應(yīng)力的抑制，沿最大主應(yīng)力方向布置炮孔、縮短炮孔間距有利于炮孔間裂紋的連接貫通，形成良好的爆破開(kāi)挖面。Chang-ping Yi[26]、Li Xiao-han也得出類似的結(jié)論[27]。

在實(shí)驗(yàn)室物理模擬實(shí)驗(yàn)方面，劉殿書(shū)[28]、肖正學(xué)[29]、高全臣以激光動(dòng)光彈為實(shí)驗(yàn)手段[30]，結(jié)果表明較低的靜應(yīng)力可以隱沒(méi)在動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)中，而較高的靜應(yīng)力可以影響甚至改變動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的傳播過(guò)程，初始應(yīng)力場(chǎng)的存在不僅改變了爆轟波的傳播規(guī)律并且對(duì)裂紋發(fā)展起著導(dǎo)向作用，在高應(yīng)力巖巷實(shí)施控制爆破時(shí)，炮孔間的應(yīng)力夾制作用較強(qiáng)，爆炸載荷在炮孔間的相互反射作用減弱。

上述研究對(duì)于無(wú)爆破自由面圍壓條件下的爆破裂紋擴(kuò)展提供了重要參考，但是這些研究多是針對(duì)雙向應(yīng)力二維試塊條件下進(jìn)行的研究，三向條件下三維試塊的某些關(guān)鍵爆破裂紋形態(tài)不能完全展現(xiàn)，基于此，我們采用300 mm×300 mm×300 mm水泥砂漿試塊和4000 kN真三軸加載設(shè)備著重研究圍壓條件下爆破裂紋空間形態(tài)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試塊制作

試塊尺寸定為300 mm×300 mm×300 mm，選定425#硅酸鹽水泥、細(xì)河沙和水為基礎(chǔ)材料，用來(lái)澆筑試塊，質(zhì)量配比為水泥∶砂子∶水=1∶1.66∶0.41，試塊澆筑后，養(yǎng)護(hù)28 d。澆筑試塊時(shí)，同時(shí)澆筑標(biāo)準(zhǔn)試塊(50×50×100 mm3)，養(yǎng)護(hù)28 d之后，所測(cè)試的基本力學(xué)參數(shù)列于表1。

表 1 試塊的基本力學(xué)參數(shù)

1.2 加載系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用自主研制的真三軸水壓致裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[31]。該系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)臺(tái)框架、加載系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成?？蓪?shí)現(xiàn)300×300×300 mm3或500×500×500 mm3立方體試樣的真三軸加載以模擬地應(yīng)力，且三個(gè)方向加載的壓力均能達(dá)到4000 kN。當(dāng)試塊尺寸為300×300×300 mm3時(shí)，所能模擬的地應(yīng)力最大為44.4 MPa，當(dāng)試塊尺寸為500×500×500 mm3時(shí)，所能模擬的地應(yīng)力最大為16.0 MPa，為了體現(xiàn)出地應(yīng)力對(duì)爆破裂紋擴(kuò)展的影響，本項(xiàng)目選用的試塊尺寸為300×300×300 mm3。

1.3 封孔器

封孔器可以密封試驗(yàn)過(guò)程的爆炸作用以及模擬真實(shí)井筒中射孔條件。為提高靶向方向的成縫效果，擬在封孔器上三個(gè)位置處鉆孔，每個(gè)位置鉆平均分布四個(gè)孔(相位角90°)，孔半徑5 mm，共12個(gè)孔。采用鋼管(封孔器)徑向鉆孔加射孔模擬部件的組合方式，(射孔模擬部件采用圓珠筆下端，用熱熔膠將其與鋼管鉆孔粘連)，以達(dá)到在鉆孔方向上產(chǎn)生能量集中，成縫效果好。見(jiàn)圖1。

圖 1 封孔器

1.4 藥包制作

試驗(yàn)采用導(dǎo)爆索(規(guī)格：10 g/m)提供爆炸能量，所用炸藥量3 g，所需導(dǎo)爆索的長(zhǎng)度為30 cm，1發(fā)8#電雷管起爆。將導(dǎo)爆索切割成10 cm每段，將3段10 cm的導(dǎo)爆索和1發(fā)電雷管用電工膠帶捆綁好，制作成圖2所示藥包。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 有爆破自由面條件下的爆破效果

首先試驗(yàn)了四周擁有爆破自由面的條件下，試塊爆破前后的爆破效果如圖3所示。

圖 2 藥包實(shí)物圖

從圖3中可以直觀看出，試塊處于自由狀態(tài)時(shí)，在爆破作用下變?yōu)樗閴K。經(jīng)塊度分析，如表2和圖4，在塊度尺寸L<100 mm和100 mm≤L<200 mm范圍內(nèi)的破碎塊度質(zhì)量分別占試塊總質(zhì)量的30%和70%，其中在150 mm≤L<200 mm范圍內(nèi)的破碎塊度質(zhì)量達(dá)到了試塊總質(zhì)量55.32%；質(zhì)量小的破碎塊度數(shù)量多，質(zhì)量大的碎塊數(shù)量少；150 mm≤L<200 mm范圍內(nèi)的破碎塊度基本都在試塊的表面產(chǎn)生，這從試塊表面上畫(huà)的網(wǎng)格線可以看出，這也證明了在實(shí)際的爆破工程中，在遠(yuǎn)離炮孔的位置容易產(chǎn)生大塊，在炮孔周邊容易導(dǎo)致過(guò)度粉碎，這分別是遠(yuǎn)離炮孔的位置爆炸能量不足和炮孔附近的爆炸能量過(guò)剩引起的。

圖 3 自由狀態(tài)下爆破效果圖

表 2 爆破塊度質(zhì)量分布

2.2 圍壓條件的爆破效果

試塊的三向加載壓力為σ1=8.50 MPa，σ2=7.00 MPa，σ3=5.75 MPa，其中σ1為封孔器軸向方向，對(duì)應(yīng)試塊1-6面；σ2、σ3如試塊上標(biāo)識(shí)，其中σ2對(duì)應(yīng)試塊2-5面，σ3方向?qū)?yīng)試塊3-4面。真三軸加載壓力以0.01 MPa/s速率加載，加載結(jié)束后，至少穩(wěn)壓5 min后起爆。試塊起爆后裂紋形態(tài)如圖5～12所示。

從圖5中可以看出，圍壓條件下試塊起爆后，在垂直于第二主應(yīng)力方向產(chǎn)生了一條寬度較大的宏觀裂紋，該裂紋以封孔器為中心，呈對(duì)稱關(guān)系。

從圖6～圖11可以看出，面1產(chǎn)生的宏觀主裂紋的擴(kuò)展，溝通了面3和面4，在第二主應(yīng)力方向形成了開(kāi)裂面，并可以沿此開(kāi)裂面輕易將試塊分成兩半；在面6產(chǎn)生了4條宏觀裂紋，裂紋1、2、3呈現(xiàn)平行關(guān)系，裂紋4垂直于裂紋3、4，但是并沒(méi)有從裂紋3、4穿過(guò)。從圖12可以看出，在炮孔壁部產(chǎn)生微裂紋，在1面上產(chǎn)生了較垂直于第二主應(yīng)力相對(duì)寬度較窄的裂紋。在圍壓爆破試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在預(yù)先射孔方向的孔壁處產(chǎn)生明顯的裂紋，這是由于預(yù)先射孔在孔壁處產(chǎn)生應(yīng)力集中造成的。

圖 4 爆破塊度

圖 5 圍壓條件下爆破效果圖

圖 6 試塊爆破后1面

圖 7 試塊爆破后2面

圖 8 試塊爆破后3面

圖 9 試塊爆破后4面

一些學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬手段，研究得出了二維條件下的爆破主裂紋一般垂直于最小主應(yīng)力，如郭雙通過(guò)DDA模擬[5]，得出了裂紋擴(kuò)展方向從等值時(shí)的以炮孔為中心向四周呈放射狀分布，轉(zhuǎn)化為主要朝最大初始地應(yīng)力方向擴(kuò)展，最大壓應(yīng)力方向成為破巖的主導(dǎo)方向，如圖13所示。

圖 10 試塊爆破后5面

圖 11 試塊爆破后6面

圖 12 試塊剖開(kāi)整體圖

圖 13 不等值初始地應(yīng)力作用下的模擬結(jié)果[5]

而在圍壓條件爆破試驗(yàn)中，面1產(chǎn)生的主裂紋為什么并未垂直于最小主應(yīng)力，或許是由于第二、第三主應(yīng)力數(shù)值差別較小，并且由于所澆筑試塊具有一定的非均質(zhì)性，在爆破過(guò)程中，爆破主裂紋產(chǎn)生的方向取決于第二、第三主應(yīng)力的相近程度，若二者差別不大，則產(chǎn)生的主裂紋極有可能垂直于第二主應(yīng)力。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)試塊自由狀態(tài)和圍壓狀態(tài)爆破試驗(yàn)對(duì)比可知，圍壓對(duì)爆破效果影響非常大，在工程實(shí)踐及爆破參數(shù)設(shè)計(jì)中，一定要著重考慮圍壓的影響。

(2)在圍壓條件下爆破試驗(yàn)中，會(huì)產(chǎn)生1條垂直于非最大主應(yīng)力的宏觀裂紋(若第二、第三主應(yīng)力相近，則主裂紋可能垂直于第二主應(yīng)力)，此宏觀裂紋的長(zhǎng)度和寬度均較大。

(3)在圍壓爆破中，除產(chǎn)生受應(yīng)力控制的宏觀裂紋外，還產(chǎn)生一些相對(duì)較小爆破裂紋。