爆破載荷作用下控制孔增透作用機理試驗研究

張樹川， 劉澤功， 劉 健， 李重情， 高 魁

(1. 安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001)

我國是世界上煤與瓦斯突出最嚴重的國家之一[1]。防治煤與瓦斯突出關鍵在于采取技術方法對煤層進行卸壓，增加煤層透氣性，提高煤層瓦斯抽采率和抽采量。深孔控制爆破技術是主要的卸壓增透技術之一，其與水力壓裂等水力化增透技術相比較其適用范圍更廣，增透效果更好[2]。不同于傳統的深孔松動爆破技術，深孔控制爆破技術是在爆破孔周圍增加輔助自由面-控制孔，縮小了爆破作用最小抵抗線長度，繼而增加煤體的裂隙長度和范圍，深孔控制爆破技術兼具大直徑卸壓鉆孔和深孔松動爆破技術的優點。針對深孔控制爆破技術中控制孔的作用許多學者進行了有益的研究，羅勇等[3]在理論上和利用實驗室模型實驗對深孔控制卸壓爆破中的控制孔的作用進行了研究分析；張晉京等[4]論述了松動爆破和控制孔的破壞機理，并將研究成果應用于工程實踐；劉澤功等[5]針對高瓦斯低透氣性煤層，對深孔預裂爆破進行了數值模擬分析研究。再現了爆破過程中，動壓沖擊震裂、應力波傳播與疊加以及爆生氣體驅動裂紋擴展的整個過程，系統地分析了控制孔與爆破孔對于爆破卸壓增透效果的影響，提出了高瓦斯低透氣性煤層深孔預裂爆破的合理間距；龔敏等[6]利用三維數值模擬方法，對煤層深孔爆破應力傳播和有關控制孔作用等進行了研究；趙寶友等[7]認為煤層深孔控制爆破致裂，是在爆炸波的動態沖擊震裂和爆生氣體及煤層瓦斯壓力的尖劈壓裂作用下共同完成的；深埋高應力煤層深孔控制爆破機理與常規淺孔采掘爆破機理不同；控制孔在高應力煤層中的導裂作用并不顯著，其主要起到卸壓孔和抽放孔的作用；代建兵[8]研究認為控制孔具有控制導向作用，結果是在介質內部的炮孔周圍產生一柱狀的壓縮粉碎圈和一沿爆破孔與控制孔連心線方向的貫穿爆破裂縫面，使爆破更有利于形成更大范圍的破碎圈帶和松動圈帶；徐向宇等[9]數值模擬分析了不同裝藥量、孔間距等條件下的爆破煤體裂紋擴展及爆破應力的傳播特征，得到了控制孔對爆破應力在傳播過程中具有減緩其衰減的作用，其減緩作用與孔間距有關，呈現隨著孔間距的增加，其減緩作用先增大后減少的規律。上述研究取得了豐碩的成果，但也存在一定的問題和不足，主要有數值模擬難以達到和工程實踐的完全吻合，現場效果考察具有一定的空間局限性，而實驗室模型試驗由于研究方法和實驗設備的限制主要局限于模型試件表面宏觀裂紋的靜態分析。

鑒于此，針對深孔控制爆破過程中爆破載荷作用下控制孔增透作用機理的關鍵科學問題，在實驗室搭建爆破模擬試驗系統，利用相似材料配比加工制備有控制孔和無控制孔兩種爆破試件，在爆破載荷作用下，通過超動態應變儀監測試件的應變信號，利用高速攝像儀記錄試樣完整表面宏觀裂紋萌生、擴展、貫通直至試樣破壞的全過程，利用并行電法儀測試爆破前后模型試件電阻率，分析爆破載荷作用下有無控制孔兩種模型試樣內部和表面的斷裂損傷特征以及動態力學特性，進一步揭示深孔控制爆破技術中控制孔增透作用的機理。

1 試驗系統及試驗模型

1.1 試驗系統

在實驗室自主設計搭建了爆破載荷作用下控制孔增透作用機理試驗平臺，該試驗臺主要由爆破模擬試樣、爆破試件支架、CS動態電阻和AFT-0957-8型動態應變儀、TS3406動態測試分析儀、CamRecord600C高速成像儀、WBD并行電法測試儀、導爆管雷管、RDX炸藥和起爆器等組成，試驗平臺示意圖和試驗現場如圖1所示。

(a) 模擬試驗示意圖 (b) 試驗現場 圖1 爆破模擬試驗示意圖和試驗現場Fig.1 Schematic diagram of blasting simulation test

為了對控制孔在爆破過程中導向和控制作用的考察，試驗采用超動態應變數據采集系統實時采集爆破過程應變數據，為了能觀測到爆破瞬間煤層表面動態裂紋的產生和演化過程，采用高速攝像機監測爆破的裂紋演變過程，采用并行電法儀測試爆破前后模型試件電阻率變化來反映爆破載荷作用下試件的裂隙發育和損傷程度。

1.2 試驗模型制作

(1)試驗模型設計方案

為了進行對比分析試驗，得到有控制孔和無控制孔兩種不同爆破條件下的細觀損傷與裂紋演化過程，以及應力應變狀態，設計了有無控制孔兩種模型試件，有控制孔模型試件(以下稱為試件1)爆破孔、控制孔、應變測試系統和電阻率測試系統布置如圖2、圖3所示，無控制孔模型試件(以下稱為試件2)不預留控制孔，爆破孔等布置同有控制孔模型試件。

圖2 鉆孔與測試系統布置立體示意圖Fig.2 Schematic map of drillings and testing system

(a) 應變測試系統 (b) 電阻率測試系統圖3 鉆孔與測試系統布置平面示意圖Fig.3 Sketch map of drilling and testing system

試件模型尺寸為300 mm×300 mm×300 mm，試件1模型中有1個爆破孔和2個控制孔，爆破孔布置在試件模型中心，控制孔距離爆破孔100 mm，等間距布置在爆破孔的兩側。試件2有1個爆破孔。預留爆破孔和控制孔長度為180 mm，藥柱長度100 mm，裝藥封孔長度為80 mm。試驗所用藥管的直徑為6.5 mm，爆破孔直徑設計為8 mm，裝藥不耦合系數1.23，能保證爆炸應力波和爆生氣體發揮最大作用。

在試件模型中過藥柱重心垂直藥柱的平面對角線方向預埋4個應變磚，編號分別為1號、2號、3號和4號，距離爆破孔的水平距離分別為20 mm、50 mm、80 mm和110 mm，每塊應變磚上粘貼徑向和切向應變片來測試爆炸應變信號。在應變磚同一個平面上布置電阻率測試系統，即每個試件模型布置4根電極棒，每根電極棒布置14個電極測點，電極測點間距20 mm。

(2)試驗模型的制作

煤與瓦斯突出與構造煤密切相關[10]。構造煤是預測煤與瓦斯突出的標志[11]。深孔控制爆破是防治煤與瓦斯突出的主要技術措施之一。選取構造煤作為爆破介質進行控制孔爆破作用研究。依據煤體工程分類，考慮煤體的單軸抗壓強度、縱波波速、彈性模量和孔隙率等指標，在進行大量構造煤相似材料配比試驗的基礎上，確定了本次試驗模型試件的材料及其配比參數，具體配比材料和參數見圖4、表1。

(a) 水泥 (b) 沙子 (c) 云母碎 (d) 煤粉 (e) 石膏圖4 模型試件材料Fig.4 Material of model

表1 爆破模擬試驗相似材料配比參數(質量比/%)

按照材料配比參數稱量所需材料攪拌均勻后倒入試驗箱體和試驗模具，在預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在煤體按照設計位置埋設應變磚和電極棒，試驗模型制作過程包括攪拌、裝載、夯實、安裝、夯實等(見圖5)。

圖5 試驗模型制作過程Fig.5 Process of test model production

試驗模型制作完成之后，在室溫下養護28天后，鉆取Φ50 mm×100 mm試件測試物理力學參數，測試結果見表2所示。模型材料的物理力學性質與文獻[12]煤體工程分類的III類煤體相對應。其結構特征受構造影響嚴重，煤呈碎粒狀，屬于碎粒煤和糜棱煤，符合構造煤的結構和力學特征。清理干凈爆破孔進行裝藥，將藥管導線引至試件外并采用沙子和502膠混合封孔(封孔長度80 mm)后起爆。

表2 模型試件物理力學參數

2 試驗結果及分析

2.1 模型表面宏觀裂紋動態發展過程

爆破孔中炸藥爆炸，產生爆破沖擊波，沖擊波作用在爆破孔壁上時會產生初始徑向裂隙，隨后，沖擊波衰減為應力波向煤體內部傳播，在應力波切向拉伸作用下，煤體初始徑向裂隙進一步擴展。當應力波衰減到低于煤體介質抗拉強度，裂隙就停止擴展。應力波向前傳播的同時，爆生氣體由于“氣刃作用”楔入到初始徑向裂隙中使其繼續擴展，爆生氣體膨脹壓力降低，當壓力低于一定程度，繼續在煤體中的彈性能就以卸載波的形式釋放出來，形成較少的環向裂隙。

(1)試驗結果

高速攝像機捕捉到的爆破裂紋動態發展過程如圖6所示。從圖中可以將試件1和試件2爆破裂紋演化為裂紋的產生、擴展和貫通的全過程，破裂從炮孔中心向四周放射性擴展，形態為“+”字形，而試件1與試件2裂紋演化存在一定的不同，即試件2在“+”字裂紋的產生、擴展和貫通全過程中，當應力波傳播到模型試件固定約束端，由于應力波的反射壓縮作用，使擴展到最大的裂紋重新被壓縮，同時由于爆破能量作用，部分煤粉沖破爆破孔口自由面向自由空間飛散；試件1不存在上述試件2的裂紋演化到最大后被重新壓縮和煤粉向自由空間飛散的現象。

(a) 試件1

(b) 試件2圖6 爆破裂紋動態發展過程Fig.6 Dynamic development process of blasting crack

(2)試驗結果分析

當爆破應力波傳到不同煤巖介質的分界面上(自由面、層理斷面和不同介質面)時會發生反射和折射。斜入射時，入射波為縱波P，在不同介質分界面會激發出反射橫波Sr和反射縱波Pr、透射橫波St和透射縱波Pt(見圖7)。應力波入射角為0°即正入射(應力波傳播方向垂直于不同煤巖介質分界面)是斜入射的一種典型情況，下面以正入射來解釋爆炸應力波在固定端(模型試件四周約束鋼板)和自由端(控制孔處)的反射壓縮或拉伸作用進行分析，對于正入射的入射波為縱波，反射波和透射波也都是縱波。

圖7 入射縱波斜入射不同介質表面Fig.7 Incident longitudinal wave obliquely incident on different media surface

入射縱波入射到不同介質表面，入射應力為σi，根據介質分界面連續條件得出分界面兩邊質點的反射應力和透射應力分別為

(1)

(2)

式中：σr，σt分別為反射應力和透射應力；ρ1，ρ2分別為兩種不同煤巖介質的密度，kg/m3；Cp1，Cp2為在兩種不同煤巖介質的縱波傳播速度，m/s。

1+F=T

(3)

從式(3)中可以看出，T總為正，因此透射波與入射波總是同號，F的正負取決于兩種介質的波阻抗(介質密度和彈性縱波波速的乘積)的相對大小。應力波傳播到不同介質界面，由于不同介質波阻抗不同，反射波將產生壓縮或拉伸作用：

(1)若ρ2Cp2>ρ1Cp2，F>0，T>1，則反射波和入射波同號，壓縮波反射仍為壓縮波，反向加載，透射波在應力幅值上大于入射波。若ρ2Cp2→∞，則有F=1，T=2，相當于彈性波在固定端的反射。

(2)若ρ2Cp2=ρ1Cp2，F=0，T=1，此時入射應力波在通過交界面時沒有發生波的反射，入射應力波全部透射進入第二種介質，分界面兩邊的介質材料相同或不同但波阻抗相同即波阻抗匹配，無能量的損失。

(3)若ρ2Cp2<ρ1Cp1，F<0，T<1，則反射波和入射波異號，將會出現透射的壓縮波和反射的拉伸波。

應力波傳播到模型試件四周約束的鋼板，此時四周約束鋼板的波阻抗大于煤體的波阻抗，應力波反射為壓縮波，反向作用于煤體，使擴展的裂紋被反向壓縮，屬于上述分析(1)的情況，試件2的裂紋擴展的過程很好的反應了壓縮波的反向作用。控制孔是爆破孔邊增加輔助自由面，即壓縮波傳播到控制孔時，由于ρ2Cp2→0，則有F=-1，T=0，相當于彈性波在自由端的反射，則σt=0，σt=-σi，此時的入射波全部反射成拉伸波，屬于上述分析(3)的情況。當反射拉伸波強度大于煤巖介質的抗拉強度的時候，就會發生霍金遜(Hopkinson)效應，使煤巖從自由面向里片落，人為增大了裂隙區的范圍。試件1中有控制孔，由于控制孔的作用，爆炸載荷在控制孔和爆破孔之間裂隙充分發育，傳播到四周約束鋼板固定端的能量較少，在高速成像儀上沒有反應出如試件2的反向壓縮作用過程。

2.2 爆破載荷作用下應力波作用分析

(1)應變測試方法

本次實驗采用寧波江東耀南機電設備有限公司生產的BX120-3CA金屬箔電阻應變片間接測量爆破載荷產生的應力波。在實驗過程中動態應變儀采集到的是電壓信號，需要轉換為應變信號，如果要計算應力，還需要得到動載荷下模型試件的動態本構關系，通過胡克定律求得。電壓信號為[13]

(4)

式中：K為電阻應變片靈敏度系數；U為橋壓；ε為應變；K′為增益倍數。

由式(7)得到爆破載荷下產生的應變為

(5)

(2)試驗結果分析

由于試驗采集儀器性能、采集參數設置、應變片制作與安裝、環境條件和測試技術等因素影響，爆破后，試件1和試件2共采集的有效波形8個，無效波形8個。下面以試件1中3#應變片(在試件對角線上，距離炮孔80 mm)為例來說明應力波傳播的過程。

從圖8可以看出，炮孔中炸藥爆炸后由于炸藥的爆轟作用，爆炸能對模型試件進行加載，形成兩段主要波形。第一段波形主要在25～80 μs時間段，該波形主要是由于爆炸應力波的作用而形成，在壓縮和拉伸兩個方向上發生劇烈變化并出現了2次較大的應變峰值，無論徑向還是切向在爆破載荷作用下先受壓在受拉，徑向以受壓為主，切向以受拉為主，徑向方向壓應變幅值較切向方向拉應變幅值出現時間早，徑向應變峰值(絕對值)與切向應變峰值(絕對值)大小相近。當介質切向拉伸應力超過本身的動抗拉強度就會產生徑向裂隙。第二段波形的產生100 μs后時間段，主要由于卸載波、反射波和膨脹波(稀疏波)等的復合作用，在拉伸方向上有較大的變化并產生了1次較大的應變峰值，壓縮波的作用是由于爆生氣體膨脹導致氣體壓力降低，當低于一定值，試件中在爆破載荷作用下積蓄的彈性能以卸載波的作用釋放出來，向爆破孔中心傳播，在試件內部產生環向裂隙，相應徑向裂隙而言環向裂隙產生較少；反射波主要由于控制孔作為輔助自由面產生的拉伸波和模型試件反射形成的壓縮波所組成，使試件模型收到壓拉的綜合作用，產生塑性變形和脆性破裂。

(a)徑向應變 (b)切向應變圖8 3#應變片應變圖Fig.8 Strain gauge of 3# strain gauge

在兩次主要波形出現后，可以認為爆破試件進入到準靜態和靜態階段，模型試件主要受到爆轟氣體作用，爆生氣體進入介質中已經形成的孔隙，當裂紋尖端強度因子大于介質靜態斷裂韌性時，促使裂紋進一步擴展，隨著爆生氣體準靜態應力的降低，當裂紋尖端強度因子衰減到一定值，爆破裂隙停止擴展。此時的應變值在較小的范圍內發生波動，并且逐漸衰減。在工程實際中，由于煤體是煤與瓦斯氣固耦合介質，煤體在爆破中遠區裂隙的擴展還有瓦斯氣體的參與，瓦斯氣體壓力越大，越有利于裂隙的擴展。

2.3 基于電法CT反演爆破試件電性參數

煤具有導電性，其由離子導電和電子導電構成，所有的煤均具有電子導電特性，而離子導電主要是由煤體中耦合的水分和礦物質引起的[14]。煤層的電阻率通常為數百至數千歐姆米。電阻率信息能反映煤巖內部裂隙的變化情況[15]。在爆破擾動作用下煤體內部產生裂隙，電阻率值會有一定程度的增大或異常。電法CT技術主要應用在對工作面受采動影響冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶以及工程實踐中地質異常帶的探測方面[16-17]。夏紅兵等[18]為查明探測切面內的巖體損傷裂隙發育形態和空間展布，利用電法CT成像技術探測微量炸藥爆炸前后裂隙巖體深孔之間電阻率的變化。煤巖在爆破載荷作用下產生裂隙和損傷，其裂隙演變規律和損傷范圍可通過模型試件背景和爆破后電性參數的變化規律來反演出。

(1)測試方法

測試儀器為安徽理工大學與江蘇東華測試技術股份有限公司聯合研制的WBD并行電法儀，采樣方法為ABM法，即模型試件中布置的56個電極中(見圖3(b))任兩個電極組成偶極AB極供電，其余54個作為M極電極同時采集模型試件爆破前后即試件背景和爆破后電位數據。溫納四極裝置抗干擾能力較好，故試驗模型試件采集的電位數據以溫納四極裝置進行高密度電阻率法反演，反演模型和結果交會如圖9所示。

(2)測試結果分析

為充分對比爆破載荷作用下模型試件電阻率的變化，通過對采集到的電阻率數據進行比值計算來提高分辨率，獲得爆破載荷作用前后電阻率的異常系數

γ=ρi/ρ0

(6)

式中：ρ0為背景電阻率；ρi為爆破后電阻率。

(a)反演結果

(b)反演模型圖9 反演模型和結果交會Fig.9 Resistivity crossplot and inverted image

當電阻率異常系數γ>1 或γ<1 的位置為電性異常區域，煤巖裂隙發育越充分或損傷越嚴重，異常系數值越大。利用surfer軟件繪制異常系數的等值圖(見圖10)，由圖10可以看出，試件1和試件2在爆破載荷作用下電阻率異常系數γ為6～9，均遠大于1，說明模型試件在爆破載荷作用下電阻率的變化較背景值成倍發生，為爆破載荷作用模型試件裂隙充分發育所致。同時試件1在爆破孔近區和中區電阻率異常系數為8，等值線密度小，變化陡度小；試件2在爆破孔近區電阻率異常系數為9，中區電阻率異常系數為7～8，等值線密度大，變化陡度大。試件1是由于爆炸產生的壓縮應力波傳播到控制孔(輔助自由面)反射成拉伸波，使煤巖介質從控制孔向里發生片落現象，導致控制孔和爆破孔之間裂隙充分發育；試件2由于未設置控制孔，應力波將按指數衰減，應力波傳播到模型試件四周的固定約束端產生反向壓縮波，導致中區電阻率異常系數等值線密度和陡度較大。與3.1節高速攝像機觀測到模型試件裂隙產生、擴展的宏觀表現基本一致。

3 結 論

(1) 利用自主搭建的爆破模擬試驗系統，設計了有控制孔和無控制孔兩種模型試件的爆破試驗。通過試件表面宏觀裂紋發育結果得出，應力波在固定端的反射，反射波和入射波同號，爆破載荷產生反射壓縮波反向加載于爆破試件，使模型試件向外擴展的裂紋被反向壓縮。控制孔是爆破孔邊增加輔助自由面，入射波全部反射成拉伸波，發生霍金遜(Hopkinson)效應，使煤巖從自由面向里片落。

(a) 試件1

(b) 試件2圖10 電阻率異常系數等值圖Fig.10 Equivalent coefficient of resistivity anomaly

(2) 根據測點應變變化曲線所呈現的規律，爆破試樣在沖擊波、應力波、爆生氣體的共同作用下產生兩段主要波形，試件模型裂隙的擴展主要是由于壓縮波和卸載波，爆生氣體的尖劈作用和準靜態應力場作用以及瓦斯氣體等綜合作用。徑向應變峰值與切向應變峰值大小相近。

(3) 電阻率信息能反映煤巖受擾動產生的內部裂隙的變化情況。通過電法CT反演了爆破前后煤巖電阻率異常變化，前后的平均異常系數為6～9。說明在爆炸荷載作用下，煤體的裂隙充分發育。同時有控制孔試件異常系數變化等值線相對無控制孔試件變化密度小和陡度小，進一步說明控制孔霍金遜(Hopkinson)效應。

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