郭德勇，張 超，朱同功

1) 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083

2) 平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，平頂山 467013

隨著煤礦開采逐漸向深部發(fā)展，煤層地應(yīng)力呈增加趨勢(shì)，導(dǎo)致透氣性逐漸降低，瓦斯抽采難度加大.如何增大煤層透氣性系數(shù)、提高瓦斯抽采率，保障煤礦安全高效生產(chǎn)是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題[1].深孔聚能爆破技術(shù)利用特殊裝藥結(jié)構(gòu)的聚能效應(yīng)提高炸藥爆炸后在聚能方向的能量分布，煤層增透專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究并取得了重要進(jìn)展[2-5].但隨著煤層埋深增加，煤巖體應(yīng)力狀態(tài)和圍巖屬性均會(huì)發(fā)生改變，不同深度煤巖體表現(xiàn)出來的力學(xué)特性和力學(xué)參數(shù)存在較大區(qū)別[6-8]，進(jìn)而對(duì)煤層深孔聚能爆破致裂增透效果產(chǎn)生影響.

深部煤巖體爆破致裂是爆炸載荷、爆生氣體、地應(yīng)力、煤巖結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)等因素共同作用的結(jié)果[9-11].關(guān)于地應(yīng)力對(duì)爆破致裂的作用，Kutter和Fairhurst[12]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)爆生徑向裂隙會(huì)優(yōu)先沿最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展；穆朝民等[13-14]認(rèn)為地應(yīng)力對(duì)爆生裂隙擴(kuò)展具有抑制作用；陳明等[15]研究表明，地應(yīng)力是導(dǎo)致爆生裂隙區(qū)比例半徑縮小的主要原因，側(cè)壓系數(shù)主導(dǎo)了爆生裂隙沿孔壁圓周的分布，Tao 等[16]通過數(shù)值模擬也得到了類似結(jié)果；Yang和Ding[17],以及Yang 等[18]通過靜態(tài)加載條件下的動(dòng)焦散線試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，爆生裂紋擴(kuò)展方向在初期主要受預(yù)制裂紋方向控制，在后期受靜應(yīng)力影響裂紋逐漸朝加載方向偏轉(zhuǎn).此外，隨著地應(yīng)力逐漸升高，爆炸載荷下鉆孔圍巖破壞特征也會(huì)發(fā)生變化[19].Zhang 等[20]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，徑向裂隙擴(kuò)展受圍壓抑制使致裂范圍變小，但當(dāng)圍壓增大到一定程度時(shí)會(huì)促進(jìn)試件的反射拉伸斷裂；肖思友等[10,21]認(rèn)為地應(yīng)力促進(jìn)了圍巖彈性應(yīng)變能的累積，在爆炸載荷作用下使圍巖彈性區(qū)演化為損傷破壞區(qū)，擴(kuò)大了破巖范圍.

綜上所述，地應(yīng)力是影響聚能爆破裂隙擴(kuò)展的重要因素，而聚能爆破在不同方向上對(duì)煤體作用具有明顯差異.為研究地應(yīng)力在聚能爆破過程中對(duì)裂隙發(fā)育的作用，本文在分析鉆孔圍巖應(yīng)力場、聚能爆破致裂過程、裂隙擴(kuò)展特征及煤巖動(dòng)態(tài)卸載效應(yīng)的基礎(chǔ)上，建立數(shù)值分析模型，研究了地應(yīng)力作用下聚能爆破煤巖體裂隙擴(kuò)展規(guī)律.基于試驗(yàn)區(qū)瓦斯地質(zhì)條件及地應(yīng)力分布特征，開展了煤層深孔聚能爆破試驗(yàn)，探討了地應(yīng)力對(duì)煤層深孔聚能爆破致裂增透的作用.為優(yōu)化煤層深孔聚能爆破參數(shù)、提高深部煤層聚能爆破增透效果提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù).

1 地應(yīng)力對(duì)聚能爆破煤體致裂作用的分析

1.1 地應(yīng)力作用下聚能爆破煤體致裂模型

在煤層進(jìn)行聚能爆破時(shí)，鉆孔將受到遠(yuǎn)場垂直應(yīng)力σv、水平應(yīng)力σh及聚能爆破的耦合作用(圖1).

圖1 聚能爆破煤體致裂力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of coal cracking by cumulative blasting

由于聚能裝藥長度遠(yuǎn)大于裝藥半徑，因此該問題可以簡化為平面應(yīng)變問題.在聚能藥包起爆前，鉆孔在地應(yīng)力作用下發(fā)生分區(qū)破壞.當(dāng)聚能藥包起爆時(shí)，不同方向上的爆破致裂過程有較大差異：在非聚能方向上，爆轟波作用鉆孔圍巖形成爆破粉碎區(qū)，隨著爆轟波進(jìn)一步向四周傳播會(huì)逐漸衰減為應(yīng)力波，應(yīng)力波作用于塑性區(qū)以及彈性區(qū)時(shí)會(huì)產(chǎn)生切向拉伸應(yīng)力導(dǎo)致徑向裂隙形成；在聚能方向上，炸藥起爆后先作用于聚能槽形成聚能流，在圍巖破壞區(qū)形成侵徹槽，隨后在爆炸沖擊波及爆生氣體的聯(lián)合作用下，沿侵徹槽方向產(chǎn)生裂隙.由于聚能效應(yīng)的存在，炸藥產(chǎn)生的爆炸能量在聚能方向上更集中，相比非聚能方向的爆轟波具有更強(qiáng)的穿透能力，因此更易形成定向裂隙[22].同時(shí)，鉆孔圍巖受地應(yīng)力作用在塑性區(qū)與彈性區(qū)產(chǎn)生更為集中的切向壓應(yīng)力，影響了爆破徑向裂隙的生成.

1.2 地應(yīng)力作用下鉆孔圍巖應(yīng)力分布

為探討地應(yīng)力對(duì)聚能爆破致裂作用，首先要分析爆破鉆孔在地應(yīng)力作用下的應(yīng)力分布，此時(shí)鉆孔受力如圖2 所示.

圖2 鉆孔受力情況.(a) 圍巖受力情況;(b)單元受力情況Fig.2 Stress diagram of the borehole: (a) stress condition of surrounding rock;(b) stress condition of unit

鉆孔受垂直應(yīng)力σv以及水平應(yīng)力σh作用.基于彈性力學(xué)可得距離鉆孔中心r處圍巖上任一點(diǎn)的受力情況如下.

其中：σρ、σθ、τρθ分別為該點(diǎn)處的徑向、切向和剪切應(yīng)力；R為鉆孔半徑；θ為該點(diǎn)與x軸的夾角.

對(duì)煤層鉆孔而言，由于煤體強(qiáng)度相對(duì)較低，當(dāng)?shù)貞?yīng)力較大時(shí)孔邊圍巖會(huì)發(fā)生塑性形變甚至破壞，此時(shí)孔邊應(yīng)力會(huì)重新分布，應(yīng)力集中區(qū)域向外轉(zhuǎn)移，由鉆孔中心向外形成塑性區(qū)和彈性區(qū).為分析鉆孔圍巖的塑性區(qū)分布規(guī)律，利用庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則[23]作為塑性區(qū)邊界條件進(jìn)行探討.

其中：σ1、σ3分別為最大、最小主應(yīng)力；σc為煤體單軸抗壓強(qiáng)度；φ為煤體的內(nèi)摩擦角.

將式(1)中的各應(yīng)力分量通過主應(yīng)力計(jì)算公式進(jìn)行表達(dá).

將式(1)、式(2)和式(3)進(jìn)行聯(lián)立即可求得鉆孔在地應(yīng)力作用下的塑性區(qū)范圍.當(dāng)σh/σv=1 時(shí)，可得到塑性區(qū)分布函數(shù).

由式(4)可知，當(dāng)鉆孔圍壓相等時(shí)，塑性區(qū)半徑只與垂直應(yīng)力大小以及煤體的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān).當(dāng)σh/σv≠1 時(shí)，上述聯(lián)立方程組只能獲得解析解，通過計(jì)算可以得到在不同側(cè)壓系數(shù)下的塑性區(qū)分布，如圖3 所示.

圖3 地應(yīng)力作用下鉆孔圍巖塑性區(qū)范圍Fig.3 Range of the plastic zone of the borehole surrounding rock under in-situ stress

隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，塑性區(qū)半徑在水平方向會(huì)有小幅減小，而在豎直方向會(huì)有一定的增加，塑性區(qū)整體逐漸由圓形向橢圓再向蝶形分布發(fā)展.受塑性區(qū)分布影響，在爆破過程中孔邊蝶葉位置處的煤體在爆破前會(huì)處于破碎狀態(tài)，這也會(huì)減弱爆炸能量傳入煤體形成的應(yīng)力波強(qiáng)度，進(jìn)而對(duì)該方向的裂隙擴(kuò)展造成影響.因此，為保證聚能藥包定向致裂效果，應(yīng)將聚能槽開口方向與圍巖最大主應(yīng)力方向保持一致.

1.3 地應(yīng)力作用下聚能爆破裂隙擴(kuò)展分析

為分析地應(yīng)力作用下的聚能爆破裂隙擴(kuò)展規(guī)律，對(duì)爆生裂隙擴(kuò)展過程進(jìn)行簡化，假設(shè)聚能爆破致裂過程中已形成一條長為2a、與水平方向夾角為β的裂隙，垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力分別為σv和σh，如圖4 所示.

圖4 地應(yīng)力作用下裂隙擴(kuò)展模型Fig.4 Crack propagation model under in-situ stress

此時(shí)裂隙尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子[24]為：

其中，λ為側(cè)壓系數(shù).

爆生裂隙在爆炸應(yīng)力波以及爆生氣體共同作用下形成，此時(shí)爆破作用引起的裂隙尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子為：

其中，σe為由爆破作用引起的等效動(dòng)態(tài)應(yīng)力.

將式(5)、(6)進(jìn)行疊加可得到極坐標(biāo)下裂隙尖端應(yīng)力場[25]為：

其中，σγ、σφ、σγφ分別為極坐標(biāo)下裂隙尖端所受的正應(yīng)力、切應(yīng)力以及剪應(yīng)力.

根據(jù)最大環(huán)向拉應(yīng)力理論，裂隙擴(kuò)展方向角φc滿足?σφ/?φ=0，即：

由式(8)可知，當(dāng)λ=1 時(shí)，φc=0°，即裂隙擴(kuò)展方向不受地應(yīng)力作用影響；當(dāng)λ≠1 時(shí)，經(jīng)計(jì)算可繪制不同地應(yīng)力作用下裂隙方向角β與裂隙擴(kuò)展方向角φc的關(guān)系，如圖5 所示.

圖5 裂隙方向角β 與裂隙擴(kuò)展方向角φc 的關(guān)系Fig.5 Relation between β and φc

當(dāng)裂隙方向角β與遠(yuǎn)場地應(yīng)力作用方向一致，即β為0°或90°時(shí)，φc=0°，表明煤體在起裂過程中不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)；在爆破初期σe/σv較大，裂隙擴(kuò)展方向在爆破作用下沿原有爆生裂隙方向擴(kuò)展；隨著爆破能量衰減，σe/σv減小至10，此時(shí)裂隙擴(kuò)展方向角φc隨裂隙方向角β的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，且對(duì)應(yīng)同樣的裂隙方向角β，裂隙擴(kuò)展方向角φc隨側(cè)壓系數(shù)λ的增大而增大；當(dāng)σe/σv減小至3 時(shí)，地應(yīng)力對(duì)裂隙擴(kuò)展方向的控制逐漸占據(jù)主導(dǎo)，隨側(cè)壓系數(shù)λ的增大，裂隙擴(kuò)展方向角φc變化越大.

同時(shí)，式(5)是確定裂隙偏轉(zhuǎn)角的必要條件，裂隙只有在環(huán)向拉應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí)才會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展.根據(jù)爆炸載荷作用特點(diǎn)，σe/σv在短時(shí)間內(nèi)會(huì)急劇減小，當(dāng)σe/σv逐漸趨近于λ時(shí)，裂隙尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子很難達(dá)到斷裂強(qiáng)度，當(dāng)β趨近于90°時(shí)，由于水平應(yīng)力相對(duì)較大，裂隙將轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)純剪條件下的斷裂形態(tài).

1.4 聚能爆破煤體動(dòng)態(tài)卸載效應(yīng)分析

在爆破過程中，煤體受地應(yīng)力、聚能爆破的耦合作用，前者由外向內(nèi)擠壓鉆孔，后者由內(nèi)向外沖擊鉆孔，因此在爆破正壓作用階段，地應(yīng)力對(duì)爆破致裂有較大的阻礙作用.另一方面，地應(yīng)力作用使鉆孔圍巖內(nèi)積聚了彈性應(yīng)變能，而爆破卸載使圍巖發(fā)生“回彈”，即圍巖在爆破正壓作用后會(huì)在短時(shí)間內(nèi)卸壓，當(dāng)爆炸載荷小于地應(yīng)力時(shí)，鉆孔圍巖內(nèi)的彈性應(yīng)變能將開始沿爆炸空腔自由面釋放形成卸載波，為進(jìn)一步生成裂隙創(chuàng)造有利條件.煤體中積聚的可釋放彈性應(yīng)變能Ue為：

其中：U0和Uw分別為地應(yīng)力作用及爆破作用產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能；E為煤體的彈性模量；ν為泊松比.

基于能量耗散與釋放原理的巖石破壞準(zhǔn)則[26]，在動(dòng)態(tài)卸載過程中煤體破壞的能量釋放率G3滿足：

其中，K3為材料常數(shù).

當(dāng)煤體的最小主應(yīng)力σ3達(dá)到動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度σtd時(shí)發(fā)生破壞，此時(shí)煤體的能量釋放率為：

將式(11)代入式(10)可得到動(dòng)態(tài)卸載時(shí)的破壞條件為：

由式(12)可知，煤體破壞臨界壓力與可釋放彈性應(yīng)變能成反比，這表明煤體中可釋放彈性應(yīng)變能越大，煤體在動(dòng)態(tài)卸載過程中更易破壞.而根據(jù)彈性應(yīng)變能來源可知，地應(yīng)力和爆破作用均會(huì)增加鉆孔圍巖中的可釋放應(yīng)變能，當(dāng)爆破參數(shù)不變時(shí)，隨著地應(yīng)力增大，鉆孔圍巖中將積聚更多的彈性應(yīng)變能.但隨著地應(yīng)力進(jìn)一步增大，鉆孔圍巖在爆破前會(huì)發(fā)生形變破壞，導(dǎo)致爆炸能量在鉆孔圍巖破壞區(qū)發(fā)生較多損耗，圍巖彈性應(yīng)變能更多來自地應(yīng)力作用.

2 聚能爆破煤體致裂數(shù)值分析

2.1 模型的建立

為進(jìn)一步探討地應(yīng)力對(duì)聚能爆破煤體致裂的作用，基于ANSYS/LS-DYNA 建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖6 所示.

圖6 爆破數(shù)值計(jì)算模型Fig.6 Numerical model of blasting

模型尺寸為600 cm×600 cm×0.1 cm，且模型關(guān)于xoz、yoz平面對(duì)稱，為提高計(jì)算效率，僅對(duì)模型右上部分進(jìn)行求解.模型計(jì)算部分前后施加z方向約束，模型左側(cè)及下側(cè)施加對(duì)稱約束，模型的上側(cè)及右側(cè)添加無反射邊界條件，同時(shí)對(duì)模型上側(cè)及右側(cè)分別施加均布載荷σv、σh.在爆破數(shù)值模擬時(shí)需要先對(duì)煤體部分進(jìn)行隱式分析，得到地應(yīng)力作用下煤體的形變特征，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行顯式動(dòng)力分析，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜耦合的作用過程[27-28].炸藥的爆轟壓力用JWL 狀態(tài)方程[29]表示：

其中：Pe為爆轟波壓力，GPa；V為相對(duì)體積，m3；E0為炸藥初始內(nèi)能，GPa；A、B、γ1、γ2、ω均為與炸藥材料相關(guān)的參數(shù).試驗(yàn)采用煤礦許用三級(jí)乳化炸藥，其相關(guān)參數(shù)分別為：密度1140 kg·m-3，爆速3200 m·s-1，A=246.1 GPa，B=10.26 GPa，γ1=7.177，γ2=2.401，ω=0.069，E0=4.19 GPa.煤體基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)來自工程現(xiàn)場取樣實(shí)測，煤體本構(gòu)關(guān)系用HJC模型進(jìn)行描述，通過添加關(guān)鍵字MAT_ADD_EROSION 實(shí)現(xiàn)煤體的破壞失效.

2.2 不同地應(yīng)力條件下的煤體裂隙發(fā)育特征

為探討不同地應(yīng)力條件下的煤體裂隙發(fā)育特征，結(jié)合試驗(yàn)區(qū)地應(yīng)力分布情況，將遠(yuǎn)場壓力σv設(shè)置為10 MPa、20 MPa，側(cè)壓系數(shù)λ分別設(shè)置為1、1.5、2，選取起爆后相同時(shí)刻（t=1000 μs）的爆生裂隙發(fā)育情況進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7 所示.

圖7 煤體爆生裂隙發(fā)育特征.(a) σv=10 MPa,λ=1;(b) σv=10 MPa,λ=1.5;(c) σv=10 MPa,λ=2;(d) σv=20 MPa,λ=1;(e) σv=20 MPa,λ=1.5;(f) σv=20 MPa,λ=2Fig.7 Development characteristics of coal cracks formed by blasting: (a) σv=10 MPa,λ=1;(b) σv=10 MPa,λ=1.5;(c) σv=10 MPa,λ=2;(d) σv=20 MPa,λ=1;(e) σv=20 MPa,λ=1.5;(f) σv=20 MPa,λ=2

當(dāng)σv=10 MPa，λ=1 時(shí)，煤體受聚能爆破作用在水平方向形成了較長的爆生主裂隙（圖7(a)）.當(dāng)λ＞1 時(shí)，隨著側(cè)壓系數(shù)增大，爆生裂隙在水平方向裂隙范圍基本一致，而在豎直方向上裂隙擴(kuò)展長度明顯減小，分析認(rèn)為在水平方向地應(yīng)力增大的影響下，徑向裂隙擴(kuò)展受到了較大的阻礙作用，在豎直方向上尤為明顯，同時(shí)可以看到在裂隙擴(kuò)展后期，徑向裂隙開始沿遠(yuǎn)場最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)（圖7(b)、(c)）.

當(dāng)σv=20 MPa，λ=1 時(shí)，對(duì)比圖7(a)、(d)可知，地應(yīng)力的增大抑制了煤體徑向張拉破壞，使徑向裂隙擴(kuò)展范圍減小.煤體在爆破作用后，積聚在煤體中的彈性勢(shì)能迅速釋放，由此形成了環(huán)向裂隙（圖7(d)）.隨著側(cè)壓系數(shù)增大，爆生裂隙在豎直方向的裂隙擴(kuò)展范圍明顯減?。▓D7(e)、(f)）.根據(jù)對(duì)比可知，聚能爆破裂隙在水平方向及豎直方向的擴(kuò)展范圍分別由地應(yīng)力σv、σh控制，兩者范圍的比值由側(cè)壓系數(shù)λ決定.

根據(jù)前述分析，地應(yīng)力與聚能效應(yīng)均對(duì)爆破裂隙擴(kuò)展方向具有控制作用，為進(jìn)一步明確地應(yīng)力與爆炸應(yīng)力場在裂隙擴(kuò)展不同階段的作用特征，需探討聚能方向與最大主應(yīng)力方向不一致的情況.將本文數(shù)值計(jì)算模型中的聚能藥包繞z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°，遠(yuǎn)場壓力σv、σh分別設(shè)置為10 MPa、20 MPa，在其他條件不變的情況下得到煤體裂隙發(fā)育過程，如圖8 所示.

在聚能爆破作用初期，聚能流侵徹煤體在聚能方向上形成侵徹槽（圖8(a)）.隨著裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，爆破作用逐漸減弱，地應(yīng)力作用逐漸顯現(xiàn)：在最小主應(yīng)力方向上煤體受到的切向約束力較大，因此更難形成徑向拉伸裂隙，制約了該方向上的裂隙擴(kuò)展范圍(圖8(b))；在非主應(yīng)力方向，裂隙受剪切應(yīng)力作用在擴(kuò)展過程中逐漸向最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)；在最大主應(yīng)力方向上煤體所受切向約束力較小，進(jìn)而形成了較大范圍裂隙(圖8(c)).

圖8 聚能爆破裂隙發(fā)育過程.(a) t=268 μs;(b) t=600 μs;(c) t=1000 μsFig.8 Crack development process of cumulative blasting: (a) t=268 μs;(b) t=600 μs;(c) t=1000 μs

同時(shí)，采用Photoshop 軟件對(duì)圖7(c)與8(c)中致裂區(qū)域，即圖中白色區(qū)域進(jìn)行周長統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，在地應(yīng)力條件相同的情況下，圖7(c)中白色像周長比圖8(c)多24.42%，而對(duì)比兩者在聚能方向上的裂隙擴(kuò)展范圍，l1比l2大23.1%，表明聚能方向與最大主應(yīng)力方向的夾角會(huì)對(duì)爆破致裂效果產(chǎn)生影響，地應(yīng)力對(duì)聚能爆破裂隙擴(kuò)展范圍起到控制作用.從裂隙擴(kuò)展方向來看，聚能爆破作用在裂隙形成初期占據(jù)主導(dǎo)，鉆孔周圍煤體在聚能流作用下形成定向裂隙.當(dāng)爆破作用迅速衰減，地應(yīng)力對(duì)裂隙擴(kuò)展的影響逐漸增大，控制了爆生裂隙后期的發(fā)育形態(tài).對(duì)于煤層增透而言，保持藥包聚能方向與最大主應(yīng)力方向一致有利于擴(kuò)大裂隙表面積，對(duì)煤層瓦斯解吸具有積極意義.

2.3 聚能爆破煤體單元應(yīng)力分析

為進(jìn)一步探討地應(yīng)力作用下聚能爆破裂隙偏轉(zhuǎn)及彈性應(yīng)變能釋放的規(guī)律，通過煤體單元的受力情況進(jìn)行研究.根據(jù)前述分析可知，當(dāng)裂隙與最大主應(yīng)力方向夾角β為0°或90°時(shí)，煤體在起裂過程中不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此需要探討β∈(0°,90°)的情況.以σv=10 MPa,λ=1.5 條件為例，在模型第一象限的角平分上距離爆破孔中心20、30、40 cm 選取M1、M2、M3共3 個(gè)測點(diǎn)繪制剪切應(yīng)力τxy的時(shí)程曲線，如圖9 所示.

圖9 煤體單元剪應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.9 Coal unit shear stress time history curve

其中，σxi、σyi、τxyi(i=0,1,2)分別表示測點(diǎn)單元M1在3 個(gè)不同階段所受沿x、y軸方向的正應(yīng)力以及剪應(yīng)力.當(dāng)爆炸應(yīng)力波未到達(dá)測點(diǎn)時(shí)，測點(diǎn)單元只受地應(yīng)力作用，因此剪切應(yīng)力τxy為0.當(dāng)爆炸應(yīng)力波經(jīng)過測點(diǎn)時(shí)，可以看到3 個(gè)測點(diǎn)依次到達(dá)波谷.根據(jù)剪應(yīng)力符號(hào)可以判斷此時(shí)測點(diǎn)單元的主應(yīng)力方向繞逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，但由于地應(yīng)力的存在，使最大主應(yīng)力方向無法完全轉(zhuǎn)向45°角方向，隨著爆炸應(yīng)力波的進(jìn)一步衰減，煤體單元的最大主應(yīng)力方向逐漸趨于水平，這也是導(dǎo)致爆生裂隙并未沿應(yīng)力波傳播方向形成而是朝最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)的原因.當(dāng)爆炸應(yīng)力波經(jīng)過后，在地應(yīng)力的作用下測點(diǎn)單元所受剪切應(yīng)力與之前相反，這也使測點(diǎn)單元的主應(yīng)力方向有朝順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，即在爆破壓縮作用過后，測點(diǎn)單元在地應(yīng)力作用下逐漸恢復(fù)原有的主應(yīng)力方向，但由于儲(chǔ)存在單元內(nèi)部彈性應(yīng)變能的釋放，導(dǎo)致測點(diǎn)單元的最大主應(yīng)力方向再次發(fā)生改變，這也為形成環(huán)向裂隙創(chuàng)造了有利條件.

3 深孔聚能爆破現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)工作面瓦斯地質(zhì)條件

為研究地應(yīng)力對(duì)深孔聚能爆破煤層致裂增透的作用，分別在平煤股份十礦己15-24100 工作面、己15-33200 工作面以及十二礦己15-33060 工作面進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)工作面埋深分別為800～874 m、1022～1092.5 m、895～991 m，煤層平均傾角分別為13°、9°、12°，煤層平均厚度分別為2.1、2.4、3.3 m，煤層結(jié)構(gòu)均比較穩(wěn)定，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，煤的堅(jiān)固性系數(shù)在0.2～0.6 之間，煤的破壞類型主要為Ⅱ、Ⅲ，煤層瓦斯壓力最大值分別為2.95、2.5、1.8 MPa，瓦斯含量最大值分別為20.04、10.48、17.45 m3·t-1，均為突出煤層.

3.2 試驗(yàn)區(qū)地應(yīng)力情況

根據(jù)平煤股份十礦及十二礦地應(yīng)力信息[30-32]，試驗(yàn)區(qū)地應(yīng)力總體隨埋深d增加而增大，最大主應(yīng)力傾角趨近于水平，方位角平均值為54.2°，大小約為最小主應(yīng)力的2 倍.如圖10 所示.

圖10 平煤股份十礦、十二礦地應(yīng)力隨埋深關(guān)系Fig.10 Relationship between in-situ stress and buried depth in the No.10 and No.12 coal mines of Pingdingshan

結(jié)合試驗(yàn)工作面埋深、鉆孔方位角以及試驗(yàn)區(qū)地應(yīng)力信息，得到鉆孔遠(yuǎn)場應(yīng)力如表1 所示.

表1 試驗(yàn)區(qū)鉆孔遠(yuǎn)場圍巖應(yīng)力狀態(tài)Table 1 Stress state of the surrounding rock of the borehole in the test area

3.3 試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)瓦斯地質(zhì)條件及現(xiàn)場工程條件，在平煤股份十礦己15-24100 工作面和己15-33200 工作面的試驗(yàn)鉆孔布置如圖11(a)所示，在平煤股份十二礦己15-31060 工作面的試驗(yàn)鉆孔布置如圖11(b)所示.參考現(xiàn)場抽采孔的布置間距（2 m），并考慮到抽采鉆孔間距不宜離爆破孔過近而影響抽采孔的封孔效果，同時(shí)抽采孔間距也不應(yīng)過近使抽采孔相互之間產(chǎn)生較大影響，因此將爆破孔與抽采孔的間距定為3 m 而抽采孔間距設(shè)置為2 m.為避免現(xiàn)場其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果來帶的干擾，在每組試驗(yàn)地點(diǎn)均至少進(jìn)行10 次爆破試驗(yàn)，通過與爆破孔平行布置的抽采孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)考察煤層致裂效果，進(jìn)而探討地應(yīng)力對(duì)煤層致裂增透效果的影響.

圖11 煤層深孔聚能爆破試驗(yàn)鉆孔布置示意圖.(a) 順層鉆孔；(b) 穿層鉆孔Fig.11 Layout of the boreholes of deep-hole cumulative blasting in a coal seam: (a) borehole drilling along the seam;(b) borehole drilling across the seam

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)期間各抽采孔內(nèi)瓦斯抽采數(shù)據(jù)，得到了聚能爆破前后抽采孔內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)及純流量變化（圖12）.

試驗(yàn)后煤層瓦斯抽采效果在爆破孔附近5 m范圍內(nèi)均得到明顯提升，距離爆破孔3 m 處的抽采孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)增長率分別為267.8%、482.8%、210.3%，瓦斯純流量增長率分別為275.1%、427.5%、191.3%，可以看出瓦斯體積分?jǐn)?shù)與瓦斯純流量的變化趨勢(shì)較為接近；距離爆破孔5 m 處的抽采孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)及純流量增長率也存在相同的趨勢(shì)，相比之下距離爆破孔越近增幅越大.隨著抽采孔遠(yuǎn)離爆破孔，煤體受爆破作用逐漸減弱，爆生裂隙發(fā)育程度逐漸降低，使爆破增透效果出現(xiàn)一定下降.對(duì)比距離爆破孔7 m 處的3 組抽采孔瓦斯數(shù)據(jù)，抽采孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)增長率分別為80.0%、18.8%、8.1%，瓦斯純流量增長率分別為83.4%、26.9%、10.3%，可以看出己15-24100 工作面抽采孔爆破后瓦斯體積分?jǐn)?shù)及純流量增幅較為明顯，而己15-31060 工作面和己15-33200 工作面的瓦斯抽采效果更為接近.對(duì)比圖12(a)、圖12(b)和圖12(c)，考慮到兩抽采孔的影響范圍有一定重疊，因此可以判斷在己15-24100 工作面的聚能爆破影響范圍在7～8 m，而在己15-33060 工作面及己15-33200 工作面的聚能爆破影響范圍在5～6 m 之間.

圖12 煤層深孔聚能爆破后抽采孔內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)及純流量變化.(a) 埋深 ≈ 837 m;(b) 埋深 ≈ 943 m;(c) 埋深 ≈ 1057 mFig.12 Variation in gas volume fraction and flow rate in the drainage hole before and after cumulative blasting: (a) buried depth ≈ 837 m;(b) buried depth ≈ 943 m;(c) buried depth ≈ 1057 m

對(duì)比3 個(gè)試驗(yàn)區(qū)的鉆孔地應(yīng)力數(shù)據(jù)，三者在垂直應(yīng)力大小方面呈線性遞增的趨勢(shì)，但卻出現(xiàn)后兩者聚能爆破影響范圍較為接近的情況.分析認(rèn)為，由于己15-31060 工作面采用穿層鉆孔，導(dǎo)致當(dāng)藥包聚能方向沿巷道走向布置時(shí)，鉆孔圍巖所受垂直及水平主應(yīng)力與聚能藥包存在一定夾角.根據(jù)前述模擬結(jié)果可知，當(dāng)聚能方向與水平主應(yīng)力方向不一致時(shí)，在聚能方向上的裂隙擴(kuò)展范圍會(huì)有所減小.這也造成了在己15-31060 工作面距爆破孔7 m 處的抽采孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)及純流量增長率較低的情況，導(dǎo)致己15-33060 工作面的聚能爆破影響范圍與己15-33200 工作面的聚能爆破影響范圍更接近.

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，地應(yīng)力在煤層深孔聚能爆破致裂增透中發(fā)揮重要作用，隨著地應(yīng)力升高，徑向爆生裂隙的擴(kuò)展受到影響較大，尤其在最小主應(yīng)力方向上的裂隙會(huì)受到較強(qiáng)的切向應(yīng)力，阻礙了裂隙的起裂及擴(kuò)展過程，導(dǎo)致裂隙擴(kuò)展范圍變小.因此，為降低地應(yīng)力對(duì)爆破致裂增透的作用，爆破孔軸線方向應(yīng)盡量與最大主應(yīng)力方向保持一致.而將爆破孔與抽采孔連線設(shè)置在最大主應(yīng)力方向上將使爆生裂隙更容易與抽采孔貫通，從而達(dá)到更好的瓦斯抽采效果.

4 地應(yīng)力在聚能爆破煤層致裂不同階段的作用探討

綜合理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)地應(yīng)力作用下的聚能爆破致裂過程進(jìn)行探討（以λ＞1 為例），并對(duì)聚能爆破孔外一點(diǎn)M的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析.

在進(jìn)行聚能爆破前，爆破孔只受地應(yīng)力作用（圖13(a)），此時(shí)M點(diǎn)處于I 型應(yīng)力狀態(tài)，若側(cè)壓系數(shù)為1，則剪應(yīng)力τρθ為0；當(dāng)聚能藥包起爆，聚能流及爆轟產(chǎn)物作用于爆破孔，孔壁煤體被劇烈壓縮形成爆破空腔并產(chǎn)生爆破粉碎區(qū)，隨著爆炸沖擊作用衰減，煤體無法發(fā)生壓縮破壞，煤體單元轉(zhuǎn)變?yōu)镮I 型應(yīng)力狀態(tài)，在切向拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生徑向裂隙（圖13(b)）；當(dāng)?shù)貞?yīng)力主應(yīng)力方向與徑向應(yīng)力方向不同時(shí)，隨著聚能爆破作用的進(jìn)一步減弱，處于II 型應(yīng)力狀態(tài)的煤體單元將受到更強(qiáng)的剪應(yīng)力作用導(dǎo)致煤體單元主應(yīng)力方向朝地應(yīng)力最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致裂隙擴(kuò)展方向發(fā)生改變（圖13(c)）；當(dāng)爆破作用進(jìn)一步減弱，煤體單元中儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能逐漸增大，當(dāng)爆破產(chǎn)生的等效動(dòng)態(tài)應(yīng)力無法繼續(xù)壓縮鉆孔圍巖煤體時(shí)，煤體內(nèi)的彈性應(yīng)變能開始釋放，形成拉伸應(yīng)力，此時(shí)的煤體單元處于III 型應(yīng)力狀態(tài)，使煤體沿爆破空腔方向產(chǎn)生環(huán)向裂隙（圖13(d)）.

圖13 地應(yīng)力作用下的聚能爆破煤體致裂過程.(a) 鉆孔初始受力階段;(b) 聚能爆破作用主控階段;(c) 地應(yīng)力作用主控階段;(d) 圍巖動(dòng)態(tài)卸載效應(yīng)主控階段Fig.13 Coal cracking process of cumulative blasting under in-situ stress: (a) initial stress stage of borehole;(b) main control stage of cumulative blasting;(c) main control stage of in-situ stress;(d) main control stage of surrounding rock dynamic unloading effect

根據(jù)地應(yīng)力作用下的聚能爆破裂隙發(fā)育特征以及煤體單元應(yīng)力狀態(tài)變化情況，可將聚能爆破致裂過程分依次為4 個(gè)階段：①鉆孔初始受力階段；②聚能爆破作用主控階段；③地應(yīng)力作用主控階段；④圍巖動(dòng)態(tài)卸載效應(yīng)主控階段.不同階段的控制因素存在較大區(qū)別：在階段①，鉆孔圍巖受力狀態(tài)及形變特征完全由鉆孔形態(tài)以及地應(yīng)力控制；在階段②，煤體單元主要受聚能爆破沖擊以及地應(yīng)力的耦合作用，且聚能爆破沖擊作用更強(qiáng)，因此該階段的裂隙擴(kuò)展方向主要由聚能裝藥結(jié)構(gòu)主導(dǎo)；在階段③，隨著爆破能量向四周擴(kuò)散，聚能爆破對(duì)煤體沖擊作用逐漸減弱，當(dāng)爆破等效動(dòng)態(tài)應(yīng)力衰減至與圍巖應(yīng)力在同一數(shù)量級(jí)時(shí)，地應(yīng)力作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)，爆生徑向裂隙逐漸沿最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)；在階段④，當(dāng)爆破等效動(dòng)態(tài)應(yīng)力小于圍巖應(yīng)力時(shí)，儲(chǔ)存在煤巖體內(nèi)的彈性應(yīng)變能開始釋放，且煤體受到拉伸應(yīng)力達(dá)到動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度σtd時(shí)發(fā)生破壞.

5 結(jié)論

（1）地應(yīng)力是影響煤層深孔聚能爆破徑向裂隙擴(kuò)展的主要因素.鉆孔在地應(yīng)力作用下產(chǎn)生切向壓應(yīng)力，限制了爆破徑向裂隙擴(kuò)展，減小了爆破致裂增透范圍，而不同方向裂隙擴(kuò)展范圍比受側(cè)壓系數(shù)控制.煤層深孔聚能爆破裂隙初始擴(kuò)展方向由聚能裝藥結(jié)構(gòu)決定，隨著爆破作用逐漸減弱，地應(yīng)力作用進(jìn)一步凸顯，使煤體主應(yīng)力方向逐漸與地應(yīng)力方向一致，導(dǎo)致爆生裂隙朝最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn).

（2）地應(yīng)力作用下的動(dòng)態(tài)卸載效應(yīng)對(duì)煤層深孔聚能爆破裂隙生成具有促進(jìn)作用.煤體受地應(yīng)力作用先積聚了一定的可釋放彈性應(yīng)變能，隨后在爆破作用下彈性應(yīng)變能升高，待爆炸載荷無法使煤體進(jìn)一步壓縮時(shí)，彈性應(yīng)變能沿爆炸空腔自由面開始釋放形成卸載波，促進(jìn)裂隙進(jìn)一步生成.

（3）地應(yīng)力在聚能爆破煤體致裂各階段的作用有區(qū)別.根據(jù)聚能爆破裂隙發(fā)育特征將致裂過程依次劃分為4 個(gè)階段：①鉆孔初始受力階段；②聚能爆破作用主控階段；③地應(yīng)力作用主控階段；④圍巖動(dòng)態(tài)卸載效應(yīng)主控階段.地應(yīng)力在聚能爆破過程中控制了鉆孔初始破壞形態(tài)、爆生裂隙后期擴(kuò)展方向及發(fā)育范圍、煤體動(dòng)態(tài)卸載破壞程度，而裝藥結(jié)構(gòu)是決定聚能爆破初始裂隙擴(kuò)展方向的主要因素.