煤體中爆炸應(yīng)力波傳播與衰減規(guī)律模擬實驗研究*

褚懷保，楊小林，2，侯愛軍，2，余永強，梁為民

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000;2.洛陽理工學(xué)院，河南 洛陽 471023)

從本質(zhì)而言，煤體也屬于巖石，煤體和巖體的最大不同在于煤體內(nèi)含有瓦斯氣體。在外部應(yīng)力和瓦斯壓力作用下，煤體變形和破壞在不同的作用階段均受本體和結(jié)構(gòu)有效應(yīng)力的雙重作用。且煤體內(nèi)部裂隙更發(fā)育，強度也遠低于常規(guī)巖石，因此，不能簡單地將巖石爆破機理直接應(yīng)用于煤體。而關(guān)于煤體爆破機理的相關(guān)理論和實驗研究的報道很少，現(xiàn)有文獻僅初步探討了堅硬煤體中爆炸應(yīng)力波傳播和爆炸能量的轉(zhuǎn)化及煤體爆破裂縫擴展規(guī)律等煤體爆破的基本特點［1-3］。目前的理論研究還遠落后于工程實踐，同時也制約了爆破技術(shù)在煤體中的應(yīng)用和發(fā)展。爆炸應(yīng)力波理論一直是工程爆破界的重大研究課題，掌握爆炸應(yīng)力波的傳播與衰減規(guī)律是了解受載介質(zhì)動態(tài)應(yīng)力場并進行爆破理論分析、計算及設(shè)計的基礎(chǔ)。所以，對煤體中爆炸應(yīng)力波進行實驗測試，深入探討煤體爆破作用機理，具有重要意義。

1 理論分析

1.1 煤體中爆炸應(yīng)力波作用機理

炸藥在煤體中爆炸后，將產(chǎn)生爆炸應(yīng)力波和爆生氣體，爆炸應(yīng)力波作用先于爆生氣體作用。爆破近區(qū)，爆轟波直接作用于孔壁形成爆炸沖擊波，且爆炸沖擊波的壓力遠高于煤體的動態(tài)抗壓強度，煤體固體骨架發(fā)生變形破壞;孔壁產(chǎn)生初始裂隙的同時，部分原生裂隙被擴展，炮孔周圍產(chǎn)生壓縮粉碎區(qū)并形成爆炸空腔。粉碎區(qū)邊界上，沖擊波衰減為應(yīng)力波，并以彈性波的形式向煤體內(nèi)傳播，產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力大于煤體的動抗拉強度，將使煤體產(chǎn)生拉伸破壞，形成與粉碎區(qū)貫通的徑向裂縫，而后由于積聚的彈性變形能釋放形成環(huán)向裂隙，且在壓拉應(yīng)力共同作用下造成煤體的剪切破壞。隨著應(yīng)力波的傳播，應(yīng)力波逐漸衰減為地震波，在遠區(qū)煤體中產(chǎn)生爆破振動區(qū)。同時，爆炸應(yīng)力波的擾動將使煤體中瓦斯的賦存狀態(tài)發(fā)生改變，進而打破原生裂隙中瓦斯的力學(xué)平衡狀態(tài)，非平衡狀態(tài)的瓦斯壓力場將在爆破作用的中后期與爆生氣體準靜態(tài)應(yīng)力場疊加共同作用于已產(chǎn)生的裂隙內(nèi)，使裂隙進一步擴展。

1.2 爆炸應(yīng)力波作用下煤體的爆破斷裂準則

煤體爆破作用機理是以巖石爆破理論和損傷力學(xué)為理論基礎(chǔ)。巖石爆破理論認為［4］，巖石的爆破破壞是爆炸應(yīng)力波的動作用和爆生氣體的準靜態(tài)作用共同作用的結(jié)果。當(dāng)炸藥在無限大的煤體中爆炸時，在煤體內(nèi)部將產(chǎn)生爆炸沖擊波作用下的粉碎區(qū)(近區(qū))、爆炸應(yīng)力波和爆生氣體作用下的裂隙區(qū)(中區(qū))以及爆炸地震波作用下產(chǎn)生的彈性振動區(qū)(遠區(qū))。為了簡化，可以將沖擊波的作用區(qū)近似為應(yīng)力波作用的一部分，而忽略爆破近區(qū);其次，由于瓦斯壓力遠小于爆炸應(yīng)力波產(chǎn)生的壓力，在研究煤體中爆炸應(yīng)力波的作用時，可以忽略瓦斯壓力對應(yīng)力波傳播的影響。所以，根據(jù)巖石中的爆炸作用機理，可得煤體在爆炸應(yīng)力波作用下的損傷斷裂準則。

(1)爆炸沖擊波作用下，煤體產(chǎn)生強烈的壓縮破壞，形成宏觀裂隙區(qū)，因此，可采用動態(tài)抗壓強度作為破壞準則，即

式中:p2為耦合裝藥時炸藥爆轟作用在煤體上的初始壓力;pc為爆轟波陣面的壓力;σd為煤體動態(tài)抗壓強度;ρ0D、ρ1(D'2+u1)和ρr0D2分別為炸藥沖擊阻抗、爆轟產(chǎn)物阻抗和煤體的沖擊阻抗。

煤體［5-6］作為一種含有大量原始損傷的微觀非均質(zhì)體，由形狀不同、大小不同的塊狀顆粒疊壓而成，存在許多微孔洞、微裂隙以及顆粒膠結(jié)物，同時受節(jié)理、層理等軟弱結(jié)構(gòu)面的影響，即便煤體中炸藥爆炸形成沖擊波，沖擊波也會迅速衰減，作用范圍非常有限，故近似認為爆轟波與炮孔壁煤體的碰撞是彈性的，煤體中直接生成彈性應(yīng)力波，進而按彈性波理論或聲學(xué)近似理論確定煤體界面上的初始壓力，根據(jù)聲學(xué)近似理論可推得煤體中的初始壓力為

式中:ρr0cp為聲學(xué)近似理論條件下煤體的波阻抗，cp為煤體縱波波速。

(2)在爆炸應(yīng)力波作用下，煤體往往表現(xiàn)為強脆性，可以采用Lematire等效應(yīng)力概念定義的純脆性損傷斷裂準則［7］:當(dāng)?shù)刃?yīng)力σe達到煤體的動態(tài)斷裂應(yīng)力σu時，煤體發(fā)生斷裂，即σe≥σu。

考慮到瓦斯吸附的膨脹應(yīng)力，根據(jù)有效應(yīng)力原理，煤體骨架中任意一點的有效應(yīng)力等于該點所受總應(yīng)力σi減去孔隙膨脹應(yīng)力，其中瓦斯吸附所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力可以用下式計算［8］

因此，煤體所受有效應(yīng)力可表示為σe=σi－σs=σi－αp，其中a、b均為瓦斯吸附常數(shù);p為瓦斯壓力，μ為煤體泊松比;ρ為密度，R為摩爾氣體常數(shù);T為絕對溫度;V為摩爾體積;α=2aRTρ(1－2μ)ln(1+bp)/(3pV)為孔隙壓力因數(shù)，且0≤α≤1。

2 模擬實驗

通過煤體中爆炸應(yīng)力波傳播與衰減規(guī)律模擬實驗，對模擬煤體中爆炸應(yīng)力波進行實測，進而分析煤體中爆炸應(yīng)力波傳播與衰減規(guī)律、爆炸應(yīng)力波波形特點及對煤體的作用機理。

2.1 實驗方法

根據(jù)文獻［9］，配置3類煤體試塊進行室內(nèi)煤體內(nèi)部爆破作用實驗，試塊材料質(zhì)量配比及物理力學(xué)性能參數(shù)如表1所示，表中w1∶w2∶w3∶w4∶w5∶w6∶w7為水泥、沙子、石膏、水、珍珠巖、發(fā)泡劑和云母碎的質(zhì)量配比，ρ為密度，c為波速，φ為孔隙率，σ為單軸強度，E為彈性模量。其中Ⅰ、Ⅱ類煤體各制作試塊3塊，Ⅲ類煤體制作2塊，試塊尺寸為500mm×500mm×400mm，人工攪拌，在模板中配以小型振動棒振動搗固成形，人工養(yǎng)護28 d。第Ⅲ類配比中沙子替換為碎煤，碎煤過0.6 mm篩;云母碎的加入量以試塊骨料質(zhì)量為參照。在試塊中間預(yù)留直徑為16 mm的裝藥孔，孔深分別為120、140、160、180和200 mm，裝2.3 g的黑索金炸藥(10%顆粒狀石蠟鈍化的黑索金，以盡量保證實驗用炸藥與實踐工程中煤體爆破用炸藥性能相近)，集中裝藥，用濕潤黃土填塞，引火藥頭起爆。

應(yīng)變磚尺寸為20 mm×20 mm×20 mm，材料及質(zhì)量配比與被測試塊的材料和質(zhì)量配比相同，在養(yǎng)護室養(yǎng)護7 d后使用，用AB環(huán)氧膠作防潮層和粘結(jié)劑，經(jīng)防水絕緣處理后澆筑于試塊中的設(shè)計位置。應(yīng)變片采用浙江黃巖測試儀器廠生產(chǎn)的型號為BX120-3BA和BX120-3AA的應(yīng)變片，每個試塊埋設(shè)4個應(yīng)變磚，應(yīng)變磚布置在藥包中心水平位置的對角線上，為準確測試到爆炸應(yīng)力波波形，應(yīng)變磚分布在應(yīng)力波作用區(qū)，距離藥包中心的距離分別為50、80、130、200 mm。爆炸應(yīng)力波采集儀器為USB8516，采集后用DasView2.0軟件進行分析。為減少邊界效應(yīng)對爆破效果的影響，爆破時采用厚度為20 mm的鋼板對試塊進行夾制，并在試塊與鋼板的縫隙處充填細沙進行耦合。

表1 各組試塊材料質(zhì)量配比及物理力學(xué)性能參數(shù)Table 1 M aterial ratios for testmodels and their physical and mechanical properties parameters

2.2 實驗結(jié)果

對3類煤體的14個試塊的56個測點的徑向和切向爆炸應(yīng)力波進行了測試，采集到84個有效波形，由于應(yīng)變磚制作、應(yīng)變片防潮處理、儀器參數(shù)設(shè)置等原因，造成28個波形無效?？芍苯佑肈asView2.0軟件導(dǎo)出波形圖像，為了便于進行分析，對實測波形圖進行數(shù)據(jù)輸出，并截取其中波形特征明顯部位用EXCEL輸出，代表性波形如圖1所示。對采集到的有效波形，讀取每個測點的徑向和切向應(yīng)變峰值，對于同一類模擬煤體的同一位置測到的應(yīng)變峰值，取平均值作為最終的實驗數(shù)據(jù)，各測點爆炸應(yīng)變波峰值如表2所示，εr，max為徑向應(yīng)變峰值，εθ，max為切向應(yīng)變峰值。

由各測點應(yīng)變峰值εmax乘以煤體動態(tài)彈性模量Ed得到各測點的動態(tài)應(yīng)力峰值。以Ⅱ-3類煤體為例，將煤體和炸藥參數(shù)帶入式(2)計算出初始應(yīng)力，對實驗數(shù)據(jù)進行回歸，取置信因數(shù)為0.9，得到Ⅱ-3類煤體中爆炸應(yīng) 力波 衰減 規(guī)律 為σr=，σθ=3。其余 4 類煤體的徑向應(yīng)力波衰減指數(shù)分別為 2.18、2.34、2.58、3.18，本實驗條件下應(yīng)力波衰減因數(shù)基本符合α=3－μ/(1－μ)。且，μd為煤體動態(tài)泊松比。

圖1 爆炸應(yīng)變波典型波形Fig.1 Explosive strain waveforms

表2 不同位置處的爆炸應(yīng)變峰值Table 2 Peak strains of explosion strain waves at different positions

2.2 實驗結(jié)果分析

(1)從圖1可以看出，各測點處一般形成2段應(yīng)力波形，與文獻［10-12］測試結(jié)果類似。從測點第1段完整應(yīng)力波波形可以看出，測點首先承受爆炸應(yīng)力波的壓應(yīng)力，而后承受拉應(yīng)力;應(yīng)力波壓縮相的作用時間較拉伸相的作用時間短，且壓縮相作用時間隨到炮孔中心距離的增加而延長。

炮孔中裝藥爆炸后，爆炸能對藥包周圍試塊進行加載，爆轟波直接入射試塊介質(zhì)產(chǎn)生的擾動在試塊中傳播引起第1段由壓縮相和拉伸相組成的完整的平滑應(yīng)力波形。第2段波形的形成是爆炸壓縮應(yīng)力波、發(fā)射應(yīng)力波、爆生氣體和瓦斯氣體準靜態(tài)應(yīng)力場共同作用的結(jié)果，波形復(fù)雜。波形圖顯示，壓縮相的作用時間為40～50μs，拉伸相作用時間基本為100μs以上。

(2)從表2和應(yīng)變分析可以看出，煤體中爆炸應(yīng)力波衰減速度較一般巖石中大，實驗條件下，模擬煤體中爆炸應(yīng)力波衰減因數(shù)基本符合α=3－μ/(1－μ)，應(yīng)力波作用范圍減小。

一般巖石的爆炸應(yīng)力波衰減指數(shù)為α=2－μ/(1－μ)(μ為煤體的泊松比，0.14～0.30)，實驗條件下，模擬煤體中爆炸應(yīng)力波衰減因數(shù)基本符合α=3－μ/(1－μ)，也就是媒體中應(yīng)力波衰減速度較一般巖石中大。煤體內(nèi)存在許多微孔洞、微裂隙以及顆粒膠結(jié)物，且節(jié)理、層理等軟弱結(jié)構(gòu)面更發(fā)育，而應(yīng)力波的衰減與孔隙度具有良好的線性關(guān)系，所以煤體中應(yīng)力波的衰減速度較一般巖石中大。煤體作為一種較弱的脆性介質(zhì)，在爆炸載荷作用下極易形成粉碎區(qū)而消耗大量的能量，致使爆炸應(yīng)力波形成裂隙區(qū)的能量降低，不利于初始新裂隙的形成，最終也影響爆生氣體后期的楔入作用。

(3)煤體中爆炸應(yīng)力波的測試受煤體物理力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特征、實驗設(shè)備和實驗技術(shù)等因素影響，煤體中爆炸應(yīng)力波測試難度增大。

對3類煤體的14個試塊的56個測點的徑向和切向爆炸應(yīng)力波進行測試，采集到84個有效波形，28個無效波形。藥包爆炸在爆破有效作用區(qū)范圍內(nèi)激起的爆炸應(yīng)力波，具有頻帶寬、上限頻率高以及幅值變化大的特點。所以要求測試系統(tǒng)有較好的頻響性能，以保證測試到的波形不發(fā)生畸變甚至采集不到。從本次實驗測試結(jié)果以及爆破后實際觀察應(yīng)變磚和應(yīng)變片的破壞情況看，產(chǎn)生28個無效波形的主要原因是:測試系統(tǒng)對部分爆炸應(yīng)力波的頻響不夠;應(yīng)變磚制作過程中應(yīng)變片的粘貼、防潮以及應(yīng)變磚由于制作養(yǎng)護等因素影響導(dǎo)致的與大試塊之間波阻抗匹配和剛度匹配存在差異。

3結(jié)論

在巖石爆破損傷斷裂理論的基礎(chǔ)上，對煤體中爆炸應(yīng)力波作用機理及爆炸應(yīng)力波作用下?lián)p傷斷裂準則進行了分析，并設(shè)計了模擬煤體爆炸應(yīng)力波測試實驗，通過綜合分析得出以下結(jié)論:(1)爆炸沖擊波作用下，煤體被強烈壓縮破壞而形成宏觀裂隙區(qū)，可采用動態(tài)抗壓強度作為破壞準則;在爆炸應(yīng)力波作用下，考慮瓦斯壓力作用，以等效應(yīng)力σe達到煤體的動態(tài)斷裂應(yīng)力σu為斷裂準則。(2)在本實驗條件下，煤體中的爆炸應(yīng)變波波形包含了2段及以上的波形。在測點初始時刻形成的第1段完整應(yīng)力波中，測點首先承受爆炸應(yīng)力波的壓應(yīng)力，而后承受拉應(yīng)力;在作用時間上，應(yīng)力波壓縮相的作用時間較拉伸相的作用時間短，且壓縮相作用時間隨到炮孔中心距離的增加而延長。煤體中爆炸應(yīng)力波衰減速度更快，本實驗條件下應(yīng)力波衰減因數(shù)基本符合α=3－μ/(1－μ)。在進行煤體中爆炸應(yīng)力波測試時應(yīng)在炸藥選擇，應(yīng)變磚制作和與試塊的波阻抗、剛度匹配以及測試系統(tǒng)選擇上謹慎處理，以期獲得良好的測試效果。(3)煤體中爆炸應(yīng)力波的主要作用是在煤體中形成少量的新生裂隙、激活煤體中原生裂隙擴展，并打破煤體中瓦斯氣體的平衡狀態(tài)，使瓦斯氣體參與爆生氣體對煤體的作用過程。

［1］羅勇，沈兆武.深孔控制卸壓爆破機理和防突試驗研究［J］.力學(xué)季刊，2006，27(3):469-475.

LUO Yong，SHEN Zhao-wu.Study on mechanism and test of controlled stress relaxation blasting in deep hole［J］.Chinese Quarterly of Mechanics，2006，27(3):469-475.

［2］索永錄.堅硬頂煤弱化爆破的破壞區(qū)分布特征［J］.煤炭學(xué)報，2004，29(6):650-653.

SUO Yong-lu.Distribution characteristic of breaking extending area of weakening-blast in hard top-coal［J］.Journal of China Coal Society，2004，29(6):650-653.

［3］鄭福良.含瓦斯煤體爆破裂隙發(fā)展規(guī)律的探討［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1997，25(2):23-26.

ZHENG Fu-liang.The law of development of explosion fracture in gas coal［J］.Coal Science and Technology，1997，25(2):23-26.

［4］楊小林，王樹仁.巖石爆破損傷斷裂的細觀機理［J］.爆炸與沖擊，2000，20(3):247-252.

YANG Xiao-lin，WANG Shu-ren.Meso-mechanism of damage and fracture on rock blasting［J］.Explosion and Shock Waves，2000，20(3):247-252.

［5］楊永杰.煤巖強度變形及微震特征的基礎(chǔ)試驗研究［D］.山東:山東科技大學(xué)，2006.

［6］戴俊，王小林，梁為民，等.爆破工程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007:108-124.

［7］尹光志，王登科.含瓦斯煤巖耦合彈塑性損傷本構(gòu)模型研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(5):993-999.

YIN Guang-zhi，WANG Deng-ke.A coupled elastoplastic damage model for gas-saturated coal［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(5):993-999.

［8］吳世躍，趙文.含吸附煤層氣煤的有效應(yīng)力分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(10):1674-1678.

WU Shi-yue，ZHAOWen.Analysis ofeffective stases in adsorbedmethane-coal system［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(10):1674-1678.

［9］褚懷保，楊小林，余永強，等.煤體爆破模擬材料選擇試驗研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38(5):31-33.

CHU Huai-bao，YANG Xiao-lin，YU Yong-qiang，et al.Experimental research of the choice for coal blasting simulation material［J］.Coal Science and Technology，2010，38(5):31-33.

［10］高祥濤，顏事龍，謝興華.巖石中條形藥包爆破瞬態(tài)應(yīng)變的測量［C］∥中國力學(xué)學(xué)會2009學(xué)術(shù)大會.鄭州，2009.

［11］趙建平.近中區(qū)瞬時爆炸波識別及其作用規(guī)律研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2009.

［12］段樂珍，徐國元.爆炸應(yīng)力波測試技術(shù)的研究［J］.湖南有色金屬，1999，15(3):7-9.DUAN Le-zhen，XU Guo-yuan.Study on the testing technique of explosive stress wave［J］.Hunan Nonferrous Metals，1999，15(3):7-9.