不同加載模式煤體爆炸荷載作用下損傷和裂隙演化研究

張樹川，張緩緩，王錦波，劉炳乾

(安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001)

我國煤礦透氣性系數低，提高煤層氣抽采量的關鍵在于提高煤層透氣性系數[1]。深孔控制爆破是主要的卸壓增透技術之一，其兼具有大直徑鉆孔和松動爆破兩種措施的優點，能有效防治煤與瓦斯突出等瓦斯災害事故[2]。深孔控制爆破作用于煤層中，其增透效果受地應力、瓦斯壓力、控制孔和爆破工藝參數等多種因素影響。許多學者就不同開采深度自重地應力等對煤體爆破裂紋演化影響及爆破荷載作用下裂隙擴展等進行了研究[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力條件下爆破裂紋擴展規律；穆超民等建立含瓦斯煤的拉壓動態損傷動態本構模型，并將此模型嵌入LS-DYNA軟件中，對含瓦斯煤體柱狀裝藥預裂爆破進行了數值模擬等。但相關研究主要是借助數值模擬的手段進行的，數值模擬一定程度上難以達到和實際地層條件下完全吻合。

鑒于此，本文針對煤層中深孔控制爆破的特點，在實驗室搭建爆破模擬試驗系統，設計了不加載、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，來模擬真實地層中煤體所承受的大小不同的自重地應力。利用相似材料配比加工制備爆破實驗試件，通過超動態應變儀監測煤體的應變信號，利用高像素數碼相機記錄爆破后模型試件表面宏觀裂紋的變化規律，利用電法儀CT反演爆破前后及爆破后一定時間內電阻率變化規律。根據不同加載煤體爆炸荷載作用下的實驗結果，對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裂爆破技術卸壓增透及切槽定向控制爆破等防治煤與瓦斯突出，預先弱化堅硬煤層等提高回采率與防治沖擊地壓、瓦斯災害事故等的工程實踐和實驗理論研究方面，提供參考。

1 實驗模型及制作

1.1 模型設計

實驗模型尺寸為300mm×300mm×300mm，四周用鋼板進行約束。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100mm，等間距布置在爆破孔的兩側。預留爆破孔和控制孔長度為180mm，藥柱長度100mm，裝藥封孔長度為80mm。為保證爆炸應力波和爆生氣體發揮最大作用，實驗所用藥管的直徑為6.5mm，爆破孔直徑為8mm，裝藥不耦合系數1.23[12]。為了進行對比分析，設計了不加載、小加載和大加載等3組加載模式。實驗模型如圖1所示。

圖1 實驗模型示意圖

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的的正方形面對角線方向預埋4個應變磚，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，共計56個電極測點，測點間距20mm(圖2(b))。

圖2 測試系統示意圖(mm)

1.2 模型制作

本次爆破實驗選取的煤體為構造煤。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，力求在煤巖物理力學性質方面最大程度與真實構造煤體相似。在進行大量構造煤相似材料配比實驗的基礎上，確定了本次實驗模型試件以煤粉為主要骨架材料，水泥和石膏為膠結材料，具體配比材料和參數及物理力學參數見表1[13，14]。

表1 爆破模擬煤體配比及物理力學參數

按照材料配比參數稱量所需材料攪拌均勻后倒入實驗箱體和實驗模具，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，實驗模型制作過程包括攪拌、裝載、夯實、安裝、再夯實等，在室溫下養護28d后，清理干凈爆破孔，裝入專用藥柱，將藥管導線引至試件外并采用河沙和502膠混合封孔，然后起爆。

2 實驗結果與分析

2.1 爆炸應力波分析

采用TS3406動態測試分析儀測試模型試件在爆炸荷載作用下的應變時程曲線如圖3所示，炮孔中炸藥爆炸后爆炸能對模型試件進行加載，形成兩段主要波形[15]。

圖3 爆炸荷載下煤體應變時程曲線

第一段波形在20～100μs段，是由于爆炸應力波作用而形成的，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，應變幅值徑向方向較切向方向出現時間早、應變幅值大小相近。第二段波形的在100μs以上，主要是由于卸載波、反射波等的復合作用而形成的。卸載波是爆炸應力波的向前傳播同時，爆生氣體膨脹導致氣體壓力降低，當低于一定值時試件中積蓄的彈性能釋放出來而形成的；反射波主要由于控制孔作為輔助自由面產生的拉伸波和爆破試驗系統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，爆炸應力波對于試件的損傷作用是在爆炸產生的壓縮空腔區的基礎上產生的；近炮孔區，由于壓縮波產生的裂紋尖端強度因子大于煤體動態斷裂韌性而形成放射狀的壓剪裂紋；遠炮孔區，是由壓縮波和卸載波共同作用下形成的，應力波向前傳播的同時，爆生氣體迅速膨脹壓力降低，積蓄在試件中的內能釋放形成卸載波，壓縮波和卸載波共同作用產生拉剪裂紋，主應力對裂紋的發展具有明顯的導向作用，裂紋向煤體最小抵抗線方向發生偏離。小加載模型，由于施加了一定的徑向荷載，與無加載模型相比較裂紋的寬度明顯減少，裂紋的長度基本未發生變化。大加載模型，試件表面的裂紋未能呈現出放射狀，與無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量和寬度明顯減少但裂紋長度基本未發生變化。

圖4 爆破后模型表面破壞形態

2.3 電阻率測試結果及分析

采用WBD并行網絡電法儀測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進行比值處理，即得到試件爆破前后電阻率的異常系數為：γ=ρi/ρ0，當電阻率異常系數γ>1時，說明試件在爆炸荷載作用下產生損傷和裂隙，異常系數值越大，損傷越嚴重。電阻率損傷因子與彈性模量損傷因子對于煤巖介質的損傷反應具有較好的一致性，以電阻率為基礎煤巖介質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，反應了煤巖介質爆破后的損傷程度，值越大代表損傷越嚴重，值為1表示在測點位置的煤巖爆炸荷載作用下產生了一定寬度的宏觀裂隙或已經破碎，值為0表明測點煤巖爆炸荷載作用下沒有產生任何破壞和損傷。

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生了顯著變化；無加載、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冪指數關系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行了一周的持續測試，同一時間點小加載模型電阻率損傷因子均大于大加載的；在加載的持續作用模型試件電阻率損傷因子隨時間呈降幅逐漸減小的下降趨勢，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作用時間呈負冪指數關系為y=0.659e-0.021t和y=0.555e-0.163t。以上現象的主要原因是由于加載對煤體爆炸荷載作用下損傷和裂紋演化的抑制作用，爆破后產生的裂隙在加載持續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，在真實地層煤體中應用深孔控制爆破技術，煤體受爆炸荷載作用產生損傷和裂隙，透氣性系數成倍增加，且能保持一定時間，但應注意其時間效應。

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間變化曲線

3 不同加載煤體爆炸荷載作用下破壞準則

本實驗采用的是不耦合裝藥，柱狀藥包爆炸后，產生的沖擊波壓力為[13]：

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

σθ=-bσr

(3)

σz=μd(σr+σθ)=μd(1-b)σr

(4)

煤體中任一點的應力強度可由徑向應力、切向應力和軸向應力來表示：

根據Mises準則，當煤體中任一點的應力強度滿足式(6)時，煤體破壞，形成壓碎圈和裂隙圈，即：

式中，σcd為煤巖的動態抗壓強度，MPa；σtd為煤巖的動態抗拉強度，MPa。

將式(2)、式(3)和式(4)代入式(5)得，煤體中任一點的應力強度和徑向應力的關系為：

本次實驗設計了3組不同的加載模型，設徑向加載力為σj，即不同加載下煤體中任一點的應力強度和徑向應力的關系可表示為：

由式(8)可以看出，煤體中任一點徑向加載力越大，有效徑向應力越小，應力強度越小，爆炸荷載對煤體的破壞作用減弱。加載對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 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力波的作用而形成，模型試件無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，徑向方向壓應變幅值較切向方向拉應變幅值出現時間早，徑向應變峰值與切向應變峰值大小相近。第二段波形形成主要由于卸載波、反射波等的復合作用。

2)煤體在爆炸荷載作用下損傷和裂紋演化主要是由爆炸應力波、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，壓縮波形成放射狀的壓剪裂紋；遠炮孔區，是由壓縮波和卸載波共同作用下產生拉剪裂紋，主應力對裂紋的發展具有明顯的導向作用，向煤體最小抵抗線方向發生偏離。

3)加載對煤體爆炸荷載作用下損傷和裂隙演化的抑制作用，爆破后產生的裂隙在加載持續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。在應用深孔控制爆破工程實踐中，應注意其時間效應。