爆炸荷载作用下煤体裂纹扩展机理模型实验研究

穆朝民，齐 娟

(1.安徽理工大学 能源与安全学院，淮南 232001;2.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，淮南 232001;3.总参工程兵科研三所，洛阳 471023;4.安徽理工大学 现代教育技术中心，淮南 232001)

低透气性煤体中瓦斯不能大量从煤体抽采是造成瓦斯灾害的主要原因之一。要提高瓦斯的抽采率必须提高煤层的透气性，预裂爆破作为一门新兴煤层增透技术，日益成为热点课题。相继煤层预裂爆破原理［1］、预裂爆破机制的数值方法［2］、煤层中应力波传递与裂纹扩展的数值方法［3］、爆炸载荷下岩石的变形与破坏［4］、岩石爆破破坏界面上的应力［5］、岩石中条形装药能量分布［6］及裂隙圈半径［7－10］进行研究并取得了一定的研究成果。但对于爆炸荷载作用下含瓦斯煤动态损伤裂纹演化机理的模型实验研究少见报道。

本文针对煤层中柱状装药预裂爆破的特点，采用Froude比例分析法构建模型实验。测量了爆炸波在模型介质中切向、径向波速，模型表面加速度、位移及应变。根据实验结果分析了煤层在爆炸荷载作用下裂纹演化的机制，为煤岩介质中柱状装药预裂爆破提供了一定技术参考。

1 模型实验Froude比例分析法

Froude比例法的最大特点是保持原型与模型的重力加速度之比为1，因此在实验中不必改变重力加速度数值，但必须保持应力比例系数与密度比例系数、几何比例系数满足σ=ρl。

模型实验材料与原型实验材料密度比取密度相似比例系数最大值Kρ=1.6。模拟煤体的对象为中等偏软强度原始煤体，根据应力比例取值范围取Kρ=0.4。

表1 模型及原型材料力学参数Tab.1 Mechanical parameters of the similar material and the prototype material

图1 模型及测量系统示意图Fig.1 Schematic diagram of model and measurement system

由应力、密度和几何比例关系可得模型实验其余各重要比例系数:

式中:字母代表相应变量的比例系数，其中m表示模型、p表示原型。

2 爆炸荷载相似关系及装药量确定

模型材料与原型煤体的比例距离为:

由于柱状装药预裂爆破很少有能量从煤体中泄露，因此取比例偶合系数Kf为2.0，应力波比例系数KC为0.41，衰减系数取n=2.5。可以得出KR=1.6，对于原始煤100 mm柱状2#岩石硝铵炸药装药，模型实验需要25 mm柱状TNT装药。

3 实验内容与测试系统

根据 Froude 相似定律，确定 Kρ，KL，Kσ分别为1.6，0.25，0.4 选质量比为砂∶水泥∶水∶速凝剂 =15∶1∶1.6∶0.016 6的材料对原型含瓦斯煤材料模拟，参数如表1所列。根据∏定律确定模型实验为100 g柱状TNT装药。模型结构尺寸为2 m×2 m×2 m的正方体(具体布置如图1(a)、(b)所示)。

模型中预先埋入6个压力传感器，其中3个压力传感器的迎爆面与爆破孔的轴线方向平行，3个压力传感器的迎爆面与爆破孔的轴线方向垂直。位移传感器、加速度传感器、应变片布置在模型材料表面，具体布置如图1(a)所示。装药直径为25 mm，装药量为100 g。

测试系统由压力传感器、位移传感器、加速度传感器、应变片、信号放大器及记录系统及控制系统组成。信号放大器与压力传感器、位移传感器、加速度传感器、应变片由专用信号电缆连接。埋入模型材料体的压力传感器为压电传感器(PVDF)，其余传感器布置在模型表面。电荷放大器将测试信号放大后用多通道瞬态记录系统进行记录(测试系统具体布置如图1(c)所示)。对粘贴好的应变片进行严格防潮抗损处理，防潮抗损保护胶液的涂抹厚度适当均匀;另外引出线的保护管也要粗细适当，走线合理，尽量减小靶板的应力集中。模型的浇铸采用专用小型手持平板振动器及小型振捣棒严格振捣，既要保证靶板足够的强度又要保证应变仪引线不受破坏;场地及模型表面严格平整。

4 实验结果分析

爆炸波在煤体近区传播过程中，径向波速是切向波速的1～2倍且随着爆心距离的增加，两者的波速差别在减小。由测点3可知此时切向波速已是径向波速的80%，这主要是由于在垂直爆破孔的径向方向，煤体主要受压缩破坏作用为主，因此由图2所示，在垂直爆破孔方向的损伤远大于平行于爆破孔的切向。随着爆心距离的增加，损伤的形式由压缩损伤为主逐渐演化成以拉伸为主。由图2可知，在距爆破孔近区损伤呈放射状分布而在距爆破孔中远区损伤则是压缩波通过后由于煤体应力释放形成卸载波导致的脆性拉裂。拉裂产生的裂纹具有方向性沿着抵抗线小的方向发展。

煤体在爆炸荷载作用下的破坏主要是由于爆炸早期产生的压缩波和后期煤体能量卸载而形成的卸载波共同作用形成的，并且煤体在空间不同区域破坏机理不同。近区(图2)，压缩波对于煤体的损伤作用是在爆炸产生压缩空腔区的基础上发展来的。中远区，煤体损伤则是由于裂纹在压缩波作用下形成塑性剪切造成的。远区，则是由压缩波和卸载波共同作用下形成的。煤体裂纹扩展经历了稳态扩展弹塑性卸载复合作用破坏止裂一个重复加载卸载的过程。煤体内部的裂纹扩展应该是这一过程的集合(图2)。

由模型实验可以看出在破裂区的裂纹扩展形式主要有两种。一种是高压力波在通过煤体介质时，在原先裂纹的顶端形成高应变率使得裂纹顶端形成了较高的塑性区。当以压缩波驱动的裂纹大于裂纹形成的阻力便形成了塑性剪切的裂纹(图2)。另一种是由于压缩波通过后由于煤体应力释放形成卸载波导致的脆性拉裂。在裂纹扩展的后期呈现出明显的脆性拉断裂纹与塑性剪切裂纹相耦合的裂纹扩展形式。此时裂纹断口呈现锐化趋势并且拉剪断口发展方向可能偏离具有一定的倾斜角度(图2)。

图2 模型破坏形态Fig.2 Damage forms of model

表2 测点压力参数Tab.2 Parameters of pressure

如图3(a)所示，爆心距离小处测点2波形比较不规则，在时间为4 ms处波形向上抬起，这是由于爆破孔附近产生了比较强的塑性波和损伤波与弹性波相互作用而形成的。测点3的波形比较规则，说明原先在爆炸近区产生的塑性波和损伤波已经逐渐衰减并与弹性波较好的融合而新产生的塑性波和损伤波强度比较低。这与图3所反应的爆炸近区呈现放射状裂纹(损伤比较重)远区呈现“十字”裂纹(损伤比较轻)的事实基本一致。

如图3(c)～图3(d)所示，爆炸波对于模型的作用可以分成两个方面，一是压缩作用，此时爆炸波以压缩波的形式出现。模型表面加速度为1748 g，应变为3 488，位移为6.1 mm。二是拉伸作用，此时爆炸波以卸载波的形式出现。爆炸波过后立即在其反方向形成卸载波，模型表面加速度为－243 g，位移为－0.9 mm(应变片只能测到拉伸信号，但从应变信号波形的抖动可以判断出现了卸载波)，模型裂纹主要是由压缩波和卸载波共同作用形成的。

图3 实测波形Fig.3 Measured waveforms

由于模型材料强度比较低，因此模型材料吸收爆炸波的能力远大于岩石等脆性材料。近区压缩损伤效果显著，爆破孔周围完全压缩破坏的范围为25 cm，这与松藻煤电试验煤层近区压缩破坏范围几乎一致。

5 结论

(1)Froude的最大特点是保持原型与模型的重力加速度之比为1，在实验中不必改变重力加速度数值。可用此方法研究强动载荷作用下模型动态响应问题。

(2)爆炸波在煤体近区传播过程中，径向波速是切向波速的1～2倍且随着爆心距离的增加，两者波速的差别在减小。

(3)煤体在爆炸荷载作用下的裂纹主要是由压缩波及卸载波共同作用形成的，前期纹扩展主要是由塑性剪切造成的，后期裂纹由压缩波与卸载波复合作用形成的。

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