煤體高壓空氣爆破模擬試驗研究

褚懷保， 王 昌， 楊小林， 嚴少洋， 魏海霞， 任志強， 陳 真， 朱思源

(1. 河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454003；2. 河南理工大學 河南省地下工程與災變防控重點實驗室，河南 焦作 454003)

煤炭是工業的“糧食”，是中國能源的基石和能源安全的壓艙石，也是可以高效利用的最經濟安全的清潔能源。中國是全球最大的煤炭生產、消費和地下開采占比最高的國家。中國“富煤、貧油、少氣”的能源賦存特點決定了煤炭作為主體能源的地位在相當長的時間內不會改變[1]。面對“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的目標，煤炭開發過程必須堅持綠水青山就是金山銀山理念。推動實現開發過程的近零生態環境損傷，不斷提高煤層氣(瓦斯)的資源綜合利用率是亟待解決的難題之一。

煤層氣(瓦斯)是賦存在煤層及煤系地層的烴類氣體。中國煤層氣儲量約為36.8萬億m3(埋深2 000 m以淺煤層氣)，居世界第三，煤層氣可采資源量約10萬億m3。加快煤層氣(瓦斯)開發利用，對保障煤礦安全生產、增加清潔能源供應、減少溫室氣體排放都具有重要意義。但是，中國煤層氣資源賦存條件復雜，高應力、構造煤、低滲透性煤層氣資源占比高，在煤層氣抽采基礎理論和技術工藝方面尚未取得根本性突破。而且，隨著開采深度的持續增大，地應力、煤層氣含量和壓力增大，煤層微孔隙、低滲透性和高吸附等特征愈發明顯，煤層氣抽采難度進一步加大，低滲透率已成為制約中國煤層氣抽采效果成敗的關鍵所在。采取有效方法改善煤儲層裂隙發育水平，疏通滲流通道，提高煤層透氣性，實現煤層氣高效抽采，完成煤層氣開發利用的長遠規劃目標，建設美麗中國，成為目前亟待解決的重大科學問題。

經過多年的發展，國內外研究人員對低滲透性高瓦斯煤層進行了多種增透技術的探索性研究，并取得了豐碩的研究成果。對于有保護層開采條件的高瓦斯低透氣性煤層，層間卸壓造縫增透效果較好，技術成熟[2-3]。對于大多數沒有保護層開采條件的高瓦斯低透氣性煤層，水力壓裂、水力沖孔、水力割縫等水力化增透技術是低透氣儲層增產改造的主要措施[4-6]，能夠極大地促進煤層氣的開采。但水力化措施需要消耗大量的水資源，而且水的侵入和滯留會對儲層產生水鎖和水敏性傷害[7-8]。同時，大量的水基壓裂液占據氣體流動通道，從而降低產氣量。此外，水力壓裂液中一般含有化學添加劑，開采所產生的大量廢水滲透到地表及地下飲用水層而產生污染[9]。所以，各國研究人員都在積極尋求水力化增透措施的替代方法。深孔預裂爆破致裂[10-12]、二氧化碳相變致裂[13-15]、高能高壓氣體沖擊[16-17]、可控沖擊波沖擊[18-19]、超聲波震動[20-21]、液氮冷沖擊[22]等無水化增透技術得到廣泛應用，現場應用表明這些技術都能夠在一定程度上提高低滲透煤層瓦斯抽采效果。

高壓空氣爆破是通過瞬間釋放高壓氣體沖擊煤體達到增加煤體滲透性的一種物理爆破技術[23]，其實質是在高壓空氣爆破應力波、高壓氣體、原巖應力、瓦斯氣體壓力共同作用下，炮孔近區初始宏觀裂紋的形成與擴展、中區初始裂紋穩態擴展和遠區原生裂紋擾動損傷擴展的過程。但煤體高壓空氣爆破作用機理研究仍停留在初期階段，高壓空氣爆破作用下煤體內部應力場和損傷演化規律、裂紋擴展和損傷斷裂機理缺少系統研究，致使高壓空氣爆破技術的廣泛應用和推廣受到限制。

作者團隊自行研制高壓空氣爆破試驗系統，設計開展模擬煤體高壓空氣爆破試驗，基于試驗結果和損傷斷裂力學理論，以期揭示煤體中高壓空氣爆破應力波的傳播與衰減規律和煤體損傷斷裂過程與機理，為高壓空氣爆破增透技術應用提供科學依據。

1 高壓空氣爆破試驗裝置

為開展高壓空氣爆破試驗，自行研制了高壓空氣爆破試驗系統，試驗系統由氣體加壓系統、高壓氣體釋放控制系統和數據采集系統組成，高壓空氣爆破試驗系統示意圖和實物圖如圖1所示。試驗過程中，首先，空氣經過空氣壓縮機和氣體增壓泵組成的加壓系統(增壓比為1∶100，最高可增壓至80 MPa)兩次加壓達到試驗設計壓力，隨后，增壓后的氣體輸送到壓力釜(容量為1 L)中進行儲存，以保證高壓空氣爆破所需氣體量。最后，通過高速電磁閥以及數字壓力表組成的控制系統控制壓力釜中的高壓氣體瞬間釋放至炮孔內沖擊試塊，同時由數據采集系統進行動態應變和裂紋擴展速度的采集。

2 高壓空氣爆破試驗

圖2為高壓空氣沖擊作用下試件的裂紋擴展。為了進一步揭示應力波的傳播和衰減規律，以及煤體損傷斷裂的過程和機理，研究了高壓空氣沖擊作用下的峰值應變、損傷值和裂紋擴展速度，并與炸藥爆破的結果進行對比分析。

2.1 試驗方法

根據文獻[24]試驗結果，制作模擬煤體試塊5塊，試塊材料配比及基本物理力學性能參數如表1所示，試塊尺寸為500 mm×500 mm×400 mm，如圖3(a)所示。

表1 試塊材料配比及物理力學性能參數Tab.1 The material mass ratio and physico-mechanical parameters of the sample

試塊中間預留直徑為20 mm、孔深為300 mm的炮孔，為消除邊界效應對應變波測試結果的影響，高壓空氣爆破試驗時在試塊的四周面上涂一層黃油(5 mm厚)，然后用圍壓加載系統的鋼板進行約束，如圖3(b)所示。

根據應力波指數衰減規律，在高壓氣體釋放口高度距預留孔中心距離分別為50 mm，150 mm，250 mm，300 mm的四個位置預埋應變磚(應變磚尺寸20 mm×20 mm×20 mm的)，用采樣頻率200 K的DH5922N動態信號采集系統采集爆炸應變波形，如圖4(a)所示，分析煤體中高壓空氣爆破應變波傳播與衰減規律。

為分析煤體高壓空氣爆破損傷規律，用NM-4A型非金屬超聲波檢測儀在高壓空氣爆破前后分別對試塊進行超聲波波速測試，測點以過試塊中心的水平線和垂直線為基準線，間隔50 mm進行布置，超聲波測試如圖4(b)所示，根據測點超聲波測試結果，利用公式[25]D=1-(v/v0)2(v0和v為試塊高壓空氣爆破前后的超聲波波速)計算各測點的損傷值，最終以布置在高壓氣體釋放口高度處的水平線上的測點損傷值為例進行分析。

同時，分析煤體高壓空氣爆破作用下煤體內裂紋擴展過程與規律，在高壓氣體釋放口高度預布設φ0.14 mm 的漆包銅線作為傳感器進行裂紋擴展速度測試，第一條銅線距離炮孔邊緣50 mm，各條銅線間隔20 mm，如圖4(c)所示，測試儀器為BSW-3A型智能五段爆速儀，測試儀器如圖4(d)所示。

2.2 試驗結果及分析

最終試驗結果取5塊試塊各項測試結果的平均值，超聲波測試試驗結果以布置在高壓氣體釋放口高度的水平線上測點為例，各測點間距為50 mm，取釋放口高度的一排水平測點數據作為分析數據，炸藥爆炸作用和高壓空氣爆破作用下煤體中應變峰值、損傷值和裂紋擴展速度，如表2所示。

表2 模擬煤體爆破損傷斷裂試驗結果Tab.2 The results of coal blasting damage and fracture experiment

2.2.1 高壓空氣爆破作用下煤體中應力波傳播與衰減規律

試驗中5塊試塊共采集到有效波形11個，由于應變片防潮處理、應變磚埋設、儀器參數設置等原因，其中9個波形為無效波形。為對比分析高壓空氣爆破應力波波形和炸藥爆炸作用下煤體內應力波波形特征及差異，直接用DasView2.0軟件導出實測波形圖，如圖5所示。

為分析高壓空氣爆破作用下煤體內應力波傳播與衰減規律，根據表2數據做出高壓空氣爆破和炸藥爆破作用下測點應變峰值隨距離的變化曲線，并采用Origin 軟件對曲線進行非線性擬合(y=axb)，如圖6所示。

(1) 從圖5可以看出，高壓空氣爆破作用和炸藥爆破作用下煤體中應力波波形相同，均是由壓縮相和拉伸相兩部分組成，但高壓空氣爆破應力波脈寬較爆炸應力波脈寬長。

炮孔中炸藥爆炸或者是高壓氣體釋放時，炮孔壁承受炸藥爆轟波或高壓氣體沖擊作用，沖擊擾動在試塊中傳播引起第一段由壓縮相和拉伸相組成的完整的平滑應力波形，隨后波在傳播過程中受到反射應力波、高壓氣體與瓦斯氣體準靜態應力場和原巖應力場共同作用，致使第二段波形更加復雜。從測點第一段完整應力波波形可以看出，測點首先承受應力波的壓應力，隨后承受拉應力，與文獻[26]測試結果一致。

(2) 由圖6擬合結果可知，高壓氣體沖擊作用下煤體中應力波衰減指數α為1.53，符合α=2-μ/(1-μ)(μ為煤體的泊松比，0.14～0.3)，而爆炸應力波衰減系數基本符合α=3-μ/(1-μ)，高壓氣體沖擊作用下應力波的衰減較慢。

(3) 從圖5可以看出，高壓空氣爆破作用下煤體所產生的應力波脈寬較爆炸應力波脈寬長，高壓氣體沖擊作用下應力波壓縮作用時間在1.8～2.2 ms左右，拉伸作用時間在2.6～3.1 ms，而炸藥爆炸應力波壓縮相作用時間為40～50 μs，拉伸作用時間為100 μs以上[27]，高壓空氣爆破應力波脈寬明顯大于爆炸應力波脈寬。脈寬越大的應力波隨著傳播距離增大而產生的峰值應力衰減越小，彌散越小，煤體對高頻波具有較明顯的彌散作用，因而會大幅度削弱短脈寬的高頻波峰值應力，所以爆炸應力波在煤體內的衰減更快。

2.2.2 煤體高壓空氣爆破損傷斷裂過程與規律

為進一步分析高壓氣體沖擊作用下煤體損傷與斷裂過程和規律，根據表1數據，將損傷值計算結果擴大1 000倍和裂紋擴展速度處在同一個量級范圍內，做出煤體高壓氣體沖擊損傷與裂紋擴展速度隨距離的變化曲線，如圖7所示。

(1) 從圖7可以看出，高壓空氣爆破作用下煤體損傷斷裂過程可分為兩個階段，即應力波作用下的初始裂紋形成與擴展階段(損傷值和裂紋擴展速度較大)和高壓氣體驅動裂紋穩定擴展階段(損傷值和裂紋擴展速度基本穩定)。

(2) 高壓空氣爆破作用下煤體的損傷和裂紋擴展是高壓空氣爆破應力波、高壓氣體、瓦斯氣體和原巖應力共同作用的結果。高壓空氣爆破作用下形成的應力波峰值小，煤體內不產生或很少產生壓縮粉碎區，只能在應力波拉伸作用下產生初始徑向裂紋，初始徑向裂紋以0.15～0.40倍應力波的傳播速度擴展，此階段裂紋擴展速度為486.4 m/s(0.196倍應力波波速)，該區域損傷值為0.429～0.697，而炸藥爆炸初始裂紋擴展速度為591.2 m/s(0.238倍應力波波速)，該區域損傷值為0.401～0.895。因此炮孔近區裂紋擴展速度和損傷值都比較大，但應力波隨著距離的增大按指數α=2-μ/(1-μ)規律快速衰減，所以該階段擴展范圍較小。

(3) 隨著距離的增大，應力波不能繼續促進初始徑向裂紋擴展，高壓氣體楔入初始徑向裂紋驅動裂紋穩定擴展，裂紋擴展速度為291.3～352.5 m/s(0.12～0.14倍應力波的傳播速度)，此階段高壓空氣爆破裂紋擴展速度和損傷值均大于炸藥爆炸裂紋擴展速度和損傷值，而且裂紋穩定擴展時間也較爆破裂紋擴展時間長。

(4) 在能量相等的條件下，高壓空氣爆破釋放的高壓氣體量遠大于炸藥爆炸所產生的爆生氣體量[28]，同時，高壓空氣爆破作用下在煤體內形成的應力波峰值小、且衰減緩慢、作用時間長，所以應力波能量有效利用率高，也更有利于煤體內裂紋的形成與擴展。

(5) 所以，高壓空氣爆破作用下裂紋穩定擴展范圍較炸藥爆炸作用下的裂紋穩定擴展范圍大，穩定擴展階段是高壓空氣爆破損傷斷裂的主要階段。

3 煤體高壓空氣爆破損傷斷裂機理

3.1 炮孔近區煤體高壓空氣爆破損傷斷裂機理

高壓空氣爆破孔壁荷載峰值有限，目前國內外高壓空氣爆破孔壁峰值荷載通常在200 MPa以內[29-30]，所以高壓空氣爆破作用下煤體內部基本不產生壓縮性破壞區，只在切向拉應力大于煤體動態抗拉強度時，炮孔近區煤體被拉伸破壞而產生初始裂紋，即

(1)

從式(1)可以看出，在空氣爆破孔壁初始荷載峰值有限的條件下，應力波在煤體內按指數規律快速衰減，所以初始徑向裂紋擴展范圍有限。

3.2 炮孔中區煤體高壓空氣爆破損傷斷裂機理

該階段，應力波產生的初始裂紋在高壓氣體、瓦斯氣體、原巖應力共同作用下穩態擴展，高壓氣體沖擊應力波形成初始裂紋后因為快速衰減而不能促進裂紋進一步擴展，高壓氣體充滿初始裂紋并與瓦斯氣體壓力和遠場原巖應力共同作用驅動初始裂紋穩態擴展[31]，當裂紋尖端應力強度因子大于煤體動態斷裂韌性時裂紋擴展，即

(2)

假設高壓氣體壓力P(r)在裂隙長度方向線性降低，不受裂紋寬度的影響，且高壓氣體瞬間充滿裂隙空間，則有

P(r)=P0·(a-r)/a

(3)

式中：Pg為煤體中瓦斯氣體壓力，MPa；σ0為原巖應力，MPa；a為高壓空氣爆破應力波作用下形成的初始裂紋長度，m；KIC為煤體動態斷裂韌性；P(r)為裂紋面上高壓氣體壓力，MPa。

3.3 炮孔遠區煤體高壓空氣爆破損傷斷裂機理

隨著距離的進一步增加，應力波和高壓氣體主導作用下的徑向裂紋不能繼續擴展，但是遠區煤體內的原生裂紋在彈性應力波，原巖應力和瓦斯氣體的共同作用以及平行裂紋間的相互影響而擴展。

將煤體內的裂紋看作一系列周期性裂紋，在瓦斯壓力和原巖應力作用下定裂紋尖端應力強度因子為[32]

(4)

式中： 2b為周期性裂紋中心間距離，m； 2a′為煤體內部周期性原生裂紋長度，m；β為裂隙與垂直方向的夾角，(°)。

同時，煤體中的彈性應力波在原生裂紋處發生反射和折射，隨即引起裂紋尖端周圍產生高應力激增，應力波的幅度和頻率決定高應力激增的大小，考慮利于裂紋的擴展，以P波入射的Ⅰ型裂紋分析確定裂紋尖端應力強度因子為

(5)

σI=(2π/l)η(λ+2μ′)

(6)

式中：Φ1為動靜應力強度因子之比；σI為波前法向應力，MPa；μ′為煤體的彈性剪切模量；λ為拉梅系數；l為應力波波長；η為裂隙切向踢開黏度， MPa/ms。

從式(4)和式(5)、式(6)可知，當裂紋尖端動態應力強度因子增大至裂紋擴展臨界值時，裂紋起裂并緩慢擴展，相互獨立的裂紋擴展貫通，直至與初始徑向裂紋貫通。同時，應力強度因子幅度決定了裂紋擴展的速率，該區域原生裂紋尖端應力強度因子幅度較小，所以裂紋擴展速度較低，擴展范圍十分有限。

4 結 論

(1) 高壓空氣爆破應力波波形特征與炸藥爆炸應力波波形特征相同，但高壓空氣爆破應力波的作用時間和脈寬長，衰減慢，更有利于應力波能量的有效利用。

(2) 煤體高壓空氣爆破損傷斷裂是爆破應力波、高壓氣體、瓦斯氣體和遠場應力共同作用的結果，煤體首先在高壓空氣爆破應力波切向應力作用下形成初始徑向裂紋，隨后高壓氣體、瓦斯氣體和原巖應力共同驅動初始徑向裂紋穩態擴展，最后煤體內部的周期性原生裂紋在彈性應力波，原巖應力和瓦斯氣體的共同作用以及裂紋間的相互影響作用下在小范圍內緩慢擴展。

(3) 高壓空氣爆破作用下煤體損傷斷裂以高壓氣體、瓦斯氣體和原巖應力共同作用下的穩態擴展為主，裂紋以0.12～0.14倍應力波的傳播速度擴展。高壓空氣爆破應力波僅在炮孔近區小范圍內產生初始徑向裂紋，裂紋以0.15～0.40倍應力波的傳播速度快速擴展。

以上研究工作是基于模擬試驗完成的，而模擬試塊是基于煤體內部孔隙結構及物理力學性能參數相似原則制作的，試塊是各向同性的，且試塊中瓦斯氣體的賦存狀態、瓦斯壓力和實際煤體存在一定的出入。研究成果對實際煤體工程應用具有一定的參考價值和意義，今后課題組將針對實際煤體開展研究工作。