含控制孔切槽爆破的裂隙扩展机制研究

乔国栋，高 魁,2，郑明亮，张健玉，张树川,2，夏 微

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001;3.苏交安江苏安全技术咨询有限公司，南京 210000)

我国煤与瓦斯突出灾害严重，低透气性煤层众多。通过工程技术手段对高瓦斯、低透气煤层进行增透处理以提高煤层瓦斯抽采量和抽采率，是防治煤与瓦斯突出的重要方式。目前工程中常用的增透方式有水力压裂、煤层高压注水、爆破增透等技术[1-3]。其中爆破增透由于增透效果好、瓦斯抽采率提高明显等优势，在煤矿安全生产过程中得到了广泛的运用。然而爆破增透会出现爆生裂纹随机发育的现象，无序扩展的裂纹可能会破坏顶板或扰动到地质构造区域[4]在井下产生不安全因素，而定向控制爆破可以有效解决这一问题。

切槽爆破是定向控制爆破的一种，是通过对炮孔进行切槽处理以获得定向控制爆破的方式。大批学者对切槽爆破中爆生裂纹的扩展[5-6]、切槽爆破的力学效应[7-8]、切槽爆破切槽角[9-10]等方面进行了研究并取得了丰硕的成果。然而当前对切槽爆破运用于煤层定向增透爆破的研究较为匮乏，除了夏彬伟[11]等少数学者通过改变爆破孔结构进行煤层定向爆破增透以外，鲜有文献记述相关研究。而且现有的切槽爆破研究多为单一条件下的裂隙扩展研究，对含控制孔的切槽爆破试验研究相对匮乏。

笔者通过在实验室进行含控制孔的切槽爆破相似模拟的试验，分析控制孔影响下的切槽爆破应力变化情况以及裂纹扩展方式，以期丰富切槽爆破增透理论，为指导切槽爆破增透实践提供理论依据。

1 切槽爆破增透的裂隙扩展机制

1.1 切槽爆破成缝机理

切槽爆破成缝过程主要有两个阶段：①爆炸冲击波产生的应力波在切槽内发生反射、绕射作用，使切槽尖端产生初始裂隙[12]；②爆生气体的准静压作用使裂隙进一步扩展[13]。

1)爆炸冲击波作用。由于炮孔壁的“V”形切槽要比岩石当中的初始裂隙尺寸大的多，因此可以认为“V”型切槽是炮孔壁上唯一的初始裂隙。炸药在炮孔中起爆后产生的爆炸冲击波通过对孔壁作用，以压力脉冲的形式在切槽表面激发出压应力波。压应力波在切槽处的反射和绕射效应使切槽尖端形成应力集中，当应力达到岩石抗拉强度后，裂隙沿着V形槽方向扩展。除此之外压力脉冲激发出的压应力波沿炮孔周边绕射并散射，在切槽根部附近形成一个压应力和低拉应力区，该区域内裂纹发育受到抑制，被称为抑制区。总的来说爆炸冲击波在这个阶段对裂隙的发育主要有两个影响：一是在切槽尖端产生应力集中，有利于尖端裂隙发育；二是在切槽根部形成抑制区，抑制根部裂隙发育。

2)爆生气体作用。炸药爆炸后产生的爆炸冲击波会迅速消散，只剩下少量残余应力继续作用于炮孔周围的煤岩体上，而爆破裂隙的进一步扩展主要依靠爆生气体的准静压作用。

根据炸药的爆轰理论，炸药爆炸后产生爆生气体充满炮孔时的压力为

(1)

如果炸药密度用ρ表示，炮孔单位体积的装药量用ρo表示，则可得表达式为

(2)

在切槽爆破装药过程中，常用装药的集中度qL表示装药量,g/m。当炮孔直径为d时，有

(3)

联立式(1～3)可得，切槽爆破产生爆生气体充满炮孔时的压力为

(4)

当爆生气体和爆炸冲击波的残余拉应力共同作用时，切槽爆破断裂力学模型如图1所示。

注：p为爆生气体准静压力；σ为残余拉应力；r为炮孔半径；a0为切槽深度；a为裂缝扩展长度。
图1 切槽爆破断裂力学模型
Fig.1 Fracture mechanics model of grooving blasting

根据断裂力学模型，切槽尖端应力强度因子可表达为

(5)

由于残余拉应力σ远小于爆生气体压力p，故其对裂隙扩展的影响可以忽略不计，式(5)简化为仅有爆生气体影响下的切槽尖端应力强度因子式为

(6)

式中:F为应力强度因子修正系数。

设岩石的断裂韧性为KIc，则裂隙起裂条件为

(7)

当p>M时，切槽爆破孔中的爆生气体压力足够大，切槽尖端裂隙发生扩展。但随着爆生气体压力的衰减，当p

1.2 控制孔对裂隙发育的作用原理

控制孔在深孔预裂控制爆破中起着重要作用，可以缩小最小抵抗线，减小爆破阻力。爆破过程中，控制孔引导爆破能量的扩展，使能量得到充分利用，显著扩大裂隙扩展范围，提升了爆破效果[14]。除此之外，控制孔被作为辅助自由面，爆炸产生的压应力波到达控制孔后经过自由面反射产生拉伸波[15]。产生的拉伸波不仅会破坏控制孔和爆破孔连线方向上的煤岩体，在控制孔边缘产生向爆破孔孔心扩展的裂隙，而且会和切槽尖端的集中应力产生叠加效应，使裂隙进一步扩展。总得来说，控制孔会对裂隙起到导向作用，并促使切槽尖端裂隙扩展。

2 切槽爆破增透相似模拟试验

2.1 试验平台搭建

本次相似模拟试验使用两种槽钢的拼接方式搭建试验箱体。使用尺寸为1 500 mm×100 mm×50 mm和550 mm×100 mm×50 mm的长方体槽钢各10根，两两搭接，连接方式为螺栓连接，搭建出一个长500 mm，宽500 mm，高450 mm的长方体箱体。为了更加真实的模拟现场，在箱体上部用带有压力表的液压千斤顶加载，以模拟地应力环境(见图2)。本试验平台前期用来制作试验试块，试块成型后，将箱体拆开，拔出用来预留炮孔的PVC管。在进行爆破模拟试验时，再将槽钢拼接在试块四周，起到约束试块位移的作用。

图2 试验装置
Fig.2 Test device

2.2 试验模型构建

本试验模型的尺寸为500 mm×500 mm×450 mm，顶板、煤层、底板的具体尺寸分别为100、250、100 mm(见图3)。

图3 切槽爆破试验模型及尺寸
Fig.3 Grooving blasting test model and size

试验模型设置1个炮孔，2个控制孔。炮孔和控制孔均为直径25 mm的圆孔，炮孔做切槽处理。炮孔孔深180 mm，其中80 mm位于煤层中，100 mm位于顶板岩层中。控制孔孔深180 mm，在炮孔水平面两侧对称分布，距离炮孔130 mm。炮孔和控制孔的具体尺寸如图4所示。

图4 炮孔尺寸
Fig.4 Blasthole size

为研究爆破过程中的应力应变情况，在试块中布置4个应力测点进行采集。1#测点位于炮孔面上距炮孔中心70 mm处。以炮孔中心为圆心，70 mm为半径逆时针旋转，每隔45°分别布置2#、3#、4#测点。

图5 应力测点布置
Fig.5 Layout of stress measuring points

2.3 试块制作过程

相似模拟试验原型取自淮南矿区13-1煤层及其顶底板，主要力学参数如表1所示。

表1 原煤岩层的主要力学参数

进行相似材料配比试验，采用CSS-YAM3000 微机控制电液伺服压力试验机测试各试块力学参数，最后得出本爆破模拟试验所需的材料配比参数(见表2)。

表2 模拟实验材料配重

按照试验材料配对材料进行称量、搅拌，然后将搅拌好的材料铺设在预先用槽钢拼接好的装置中，按照试验模型布置应力砖，预留炮孔、控制孔。在拔出预留炮孔和控制孔的PVC管后，养护28 d成型。模型制作过程如图6所示。

图6 试块制作过程
Fig.6 Making process of test block

2.4 结果分析

制作完成的试块装入用槽钢拼成的试验箱体内。将应变砖的数据采集线和TST3000系列动态测试分析仪相连接，调试动态测试分析仪使激发电压保持稳定。使用单个雷管和黑索金的不耦合装药，该试验药柱长度为80 mm，使用黄泥进行封孔，封孔长度为100 mm。将雷管的导线连接在专用充电式发炮器上，充电完成后起爆。在起爆的同时收集数据，应变砖和数据采集装置如图7所示。

图7 应变砖和数据采集装置
Fig.7 Strain brick and data collecting device

爆破后观察试块顶板表面的裂隙发育情况(见图8a)。在炮孔和控制孔连线的方向上产生了2条明显裂隙，裂隙起于切槽尖端，过控制孔后，扩展至试块边界。爆破产生的粉碎区很小，除切槽方向外的炮孔壁上没有明显的随机裂隙产生，说明爆轰能量多作用于切槽尖端，并通过切槽引导形成了贯穿试块的裂隙。而除了顶板表面有裂隙发育以外，平行于裂隙扩展走向试块的两个侧面没有产生裂隙(见图8b)。通过对试块裂隙的扩展情况进行分析可以看出，切槽爆破对裂隙扩展有着控制引导作用，可以避免损伤非切槽方向的岩体。

图8 试块损伤情况
Fig.8 The damage of test block

由于受限于试验仪器采集通道的原因，只对3块应变砖进行了数据采集，应变砖所采集到的应变值随时间变化的曲线如图9所示。

图9 应变变化情况
Fig.9 Change of strain

由图9可知，3个测点的应变曲线走向趋势基本一致，出现的第1个峰值均为压应变峰值(负值)，然后出现拉应变峰值(正值)，最后趋于平稳。1#测点压应变峰值最大，最大应变值为31 836.5ε。2#、3#测点压应变峰值次之，分别为11 475、27 539.5ε。对于拉应变峰值而言，1#、2#、3#测点应变峰值分别为18 994.5、9 814.5、14 502ε。根据切槽爆破的力学理论，炸药爆炸后会在切槽尖端形成应力集中，而在切槽根部会产生低应力的抑制区。对比1#、2#测点的应变峰值可以印证上述理论，即切槽方向上的1#测点压应变峰值是切槽45°方向上的2#测点压应变峰值的2.77倍，对拉应变峰值而言，1#测点是2#测点的1.94倍，切槽45°方向应力抑制效果明显。3#测点应变峰值没有明显的增大或减小现象。

3 数值模拟分析

3.1 数值模型

运用ANSYS /LS-DYNA数值模拟软件进行模拟分析。建立15 m×15 m×15 m的煤岩体模型，炮孔位于模型正中间位置，两控制孔对称布于炮孔两边，距炮孔3 m。(见图10)。

图10 模型尺寸及几何模型
Fig.10 Model size and geometric model

炸药使用(MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)高能材料模型定义，状态方程为JWL方程，其表达式为

(8)

式中：A和B为炸药特性参数，GPa；R1、R2、ω为拟合系数，无量纲；e为比内能，J/kg；E为炸药单位体积爆炸能量，GPa；V为相对体积，m3。 模拟过程中的炸药相关参数如表3所示。

表3 炸药各项参数

数值模拟中煤岩材料的力学参数使用爆破模拟实验材料配比参数，这里不再赘述。

3.2 数值模拟结果分析

爆破数值模拟计算之后，使用LS-PREPOST后期处理软件，选取三维模型中的平面xz进行观察，爆破后的平面xy应力云图如图11所示。

图11 爆破不同时刻应力云图
Fig.11 The stress cloud map of blasting at different times

从应力云图中可以看出：t=99s时，爆破处于初始阶段，炸药起爆后产生的应力波呈环状向周围扩散；t=159s时，在切槽处已经产生较强的应力集中，并从切槽处向外传播；t=219s时，应力波传至控制孔位置，在控制孔处反射产生拉伸应力波，在切槽和控制孔连线上产生应力集中；t=369s时，整个平面应力分布复杂，但在炮孔45°方向的切槽抑制区范围内应力较小；当t>429s时，平面内应力逐渐消散趋于平稳，爆破完成。

通过图11可以看出，爆破时切槽方向应力集中明显，当应力波传播至控制孔处时，压应力波经过控制孔反射产生拉伸应力波。生成的拉伸波和切槽尖端的应力集中产生叠加效果，促进切槽和控制孔连线方向上的裂隙发育，所以说控制孔对切槽爆破控制裂隙定向发育有着促进作用。

4 结论

1)相似模拟试验爆破后,试块裂隙沿切槽方向发育，非切槽方向上煤岩体完整，未出现明显裂隙。这表明含控制孔的切槽爆破对能量定向控制效果良好，可以达到定向破裂煤岩体的效果。

2)根据动态测试分析仪收集到的数据可知，切槽方向产生的压应变峰值是切槽45°方向上的2.77倍，拉应变峰值是它的1.94倍。这表明在含控制孔的情况下，切槽根部的抑制区仍然存在。

3)控制孔对切槽方向裂隙扩展有促进作用。在切槽爆破过程中，应力波传播至控制孔后产生反射拉伸波，拉伸波和切槽尖端的集中应力产生叠加效应使裂隙进一步扩展，最终在炮孔和控制孔连线方向生成裂缝。