爆破載荷作用下控制孔增透作用機(jī)理試驗(yàn)研究

張樹川， 劉澤功， 劉 健， 李重情， 高 魁

(1. 安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

我國(guó)是世界上煤與瓦斯突出最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1]。防治煤與瓦斯突出關(guān)鍵在于采取技術(shù)方法對(duì)煤層進(jìn)行卸壓，增加煤層透氣性，提高煤層瓦斯抽采率和抽采量。深孔控制爆破技術(shù)是主要的卸壓增透技術(shù)之一，其與水力壓裂等水力化增透技術(shù)相比較其適用范圍更廣，增透效果更好[2]。不同于傳統(tǒng)的深孔松動(dòng)爆破技術(shù)，深孔控制爆破技術(shù)是在爆破孔周圍增加輔助自由面-控制孔，縮小了爆破作用最小抵抗線長(zhǎng)度，繼而增加煤體的裂隙長(zhǎng)度和范圍，深孔控制爆破技術(shù)兼具大直徑卸壓鉆孔和深孔松動(dòng)爆破技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)深孔控制爆破技術(shù)中控制孔的作用許多學(xué)者進(jìn)行了有益的研究，羅勇等[3]在理論上和利用實(shí)驗(yàn)室模型實(shí)驗(yàn)對(duì)深孔控制卸壓爆破中的控制孔的作用進(jìn)行了研究分析；張晉京等[4]論述了松動(dòng)爆破和控制孔的破壞機(jī)理，并將研究成果應(yīng)用于工程實(shí)踐；劉澤功等[5]針對(duì)高瓦斯低透氣性煤層，對(duì)深孔預(yù)裂爆破進(jìn)行了數(shù)值模擬分析研究。再現(xiàn)了爆破過(guò)程中，動(dòng)壓沖擊震裂、應(yīng)力波傳播與疊加以及爆生氣體驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展的整個(gè)過(guò)程，系統(tǒng)地分析了控制孔與爆破孔對(duì)于爆破卸壓增透效果的影響，提出了高瓦斯低透氣性煤層深孔預(yù)裂爆破的合理間距；龔敏等[6]利用三維數(shù)值模擬方法，對(duì)煤層深孔爆破應(yīng)力傳播和有關(guān)控制孔作用等進(jìn)行了研究；趙寶友等[7]認(rèn)為煤層深孔控制爆破致裂，是在爆炸波的動(dòng)態(tài)沖擊震裂和爆生氣體及煤層瓦斯壓力的尖劈壓裂作用下共同完成的；深埋高應(yīng)力煤層深孔控制爆破機(jī)理與常規(guī)淺孔采掘爆破機(jī)理不同；控制孔在高應(yīng)力煤層中的導(dǎo)裂作用并不顯著，其主要起到卸壓孔和抽放孔的作用；代建兵[8]研究認(rèn)為控制孔具有控制導(dǎo)向作用，結(jié)果是在介質(zhì)內(nèi)部的炮孔周圍產(chǎn)生一柱狀的壓縮粉碎圈和一沿爆破孔與控制孔連心線方向的貫穿爆破裂縫面，使爆破更有利于形成更大范圍的破碎圈帶和松動(dòng)圈帶；徐向宇等[9]數(shù)值模擬分析了不同裝藥量、孔間距等條件下的爆破煤體裂紋擴(kuò)展及爆破應(yīng)力的傳播特征，得到了控制孔對(duì)爆破應(yīng)力在傳播過(guò)程中具有減緩其衰減的作用，其減緩作用與孔間距有關(guān)，呈現(xiàn)隨著孔間距的增加，其減緩作用先增大后減少的規(guī)律。上述研究取得了豐碩的成果，但也存在一定的問(wèn)題和不足，主要有數(shù)值模擬難以達(dá)到和工程實(shí)踐的完全吻合，現(xiàn)場(chǎng)效果考察具有一定的空間局限性，而實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)由于研究方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制主要局限于模型試件表面宏觀裂紋的靜態(tài)分析。

鑒于此，針對(duì)深孔控制爆破過(guò)程中爆破載荷作用下控制孔增透作用機(jī)理的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)室搭建爆破模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，利用相似材料配比加工制備有控制孔和無(wú)控制孔兩種爆破試件，在爆破載荷作用下，通過(guò)超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀監(jiān)測(cè)試件的應(yīng)變信號(hào)，利用高速攝像儀記錄試樣完整表面宏觀裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通直至試樣破壞的全過(guò)程，利用并行電法儀測(cè)試爆破前后模型試件電阻率，分析爆破載荷作用下有無(wú)控制孔兩種模型試樣內(nèi)部和表面的斷裂損傷特征以及動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，進(jìn)一步揭示深孔控制爆破技術(shù)中控制孔增透作用的機(jī)理。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)搭建了爆破載荷作用下控制孔增透作用機(jī)理試驗(yàn)平臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)主要由爆破模擬試樣、爆破試件支架、CS動(dòng)態(tài)電阻和AFT-0957-8型動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、TS3406動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀、CamRecord600C高速成像儀、WBD并行電法測(cè)試儀、導(dǎo)爆管雷管、RDX炸藥和起爆器等組成，試驗(yàn)平臺(tái)示意圖和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

(a) 模擬試驗(yàn)示意圖 (b) 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng) 圖1 爆破模擬試驗(yàn)示意圖和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Schematic diagram of blasting simulation test

為了對(duì)控制孔在爆破過(guò)程中導(dǎo)向和控制作用的考察，試驗(yàn)采用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集爆破過(guò)程應(yīng)變數(shù)據(jù)，為了能觀測(cè)到爆破瞬間煤層表面動(dòng)態(tài)裂紋的產(chǎn)生和演化過(guò)程，采用高速攝像機(jī)監(jiān)測(cè)爆破的裂紋演變過(guò)程，采用并行電法儀測(cè)試爆破前后模型試件電阻率變化來(lái)反映爆破載荷作用下試件的裂隙發(fā)育和損傷程度。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/h3>

(1)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)方案

為了進(jìn)行對(duì)比分析試驗(yàn)，得到有控制孔和無(wú)控制孔兩種不同爆破條件下的細(xì)觀損傷與裂紋演化過(guò)程，以及應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，設(shè)計(jì)了有無(wú)控制孔兩種模型試件，有控制孔模型試件(以下稱為試件1)爆破孔、控制孔、應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)和電阻率測(cè)試系統(tǒng)布置如圖2、圖3所示，無(wú)控制孔模型試件(以下稱為試件2)不預(yù)留控制孔，爆破孔等布置同有控制孔模型試件。

圖2 鉆孔與測(cè)試系統(tǒng)布置立體示意圖Fig.2 Schematic map of drillings and testing system

(a) 應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng) (b) 電阻率測(cè)試系統(tǒng)圖3 鉆孔與測(cè)試系統(tǒng)布置平面示意圖Fig.3 Sketch map of drilling and testing system

試件模型尺寸為300 mm×300 mm×300 mm，試件1模型中有1個(gè)爆破孔和2個(gè)控制孔，爆破孔布置在試件模型中心，控制孔距離爆破孔100 mm，等間距布置在爆破孔的兩側(cè)。試件2有1個(gè)爆破孔。預(yù)留爆破孔和控制孔長(zhǎng)度為180 mm，藥柱長(zhǎng)度100 mm，裝藥封孔長(zhǎng)度為80 mm。試驗(yàn)所用藥管的直徑為6.5 mm，爆破孔直徑設(shè)計(jì)為8 mm，裝藥不耦合系數(shù)1.23，能保證爆炸應(yīng)力波和爆生氣體發(fā)揮最大作用。

在試件模型中過(guò)藥柱重心垂直藥柱的平面對(duì)角線方向預(yù)埋4個(gè)應(yīng)變磚，編號(hào)分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)，距離爆破孔的水平距離分別為20 mm、50 mm、80 mm和110 mm，每塊應(yīng)變磚上粘貼徑向和切向應(yīng)變片來(lái)測(cè)試爆炸應(yīng)變信號(hào)。在應(yīng)變磚同一個(gè)平面上布置電阻率測(cè)試系統(tǒng)，即每個(gè)試件模型布置4根電極棒，每根電極棒布置14個(gè)電極測(cè)點(diǎn)，電極測(cè)點(diǎn)間距20 mm。

(2)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱?/p>

煤與瓦斯突出與構(gòu)造煤密切相關(guān)[10]。構(gòu)造煤是預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出的標(biāo)志[11]。深孔控制爆破是防治煤與瓦斯突出的主要技術(shù)措施之一。選取構(gòu)造煤作為爆破介質(zhì)進(jìn)行控制孔爆破作用研究。依據(jù)煤體工程分類，考慮煤體的單軸抗壓強(qiáng)度、縱波波速、彈性模量和孔隙率等指標(biāo)，在進(jìn)行大量構(gòu)造煤相似材料配比試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮嚰牟牧霞捌渑浔葏?shù)，具體配比材料和參數(shù)見圖4、表1。

(a) 水泥 (b) 沙子 (c) 云母碎 (d) 煤粉 (e) 石膏圖4 模型試件材料Fig.4 Material of model

表1 爆破模擬試驗(yàn)相似材料配比參數(shù)(質(zhì)量比/%)

按照材料配比參數(shù)稱量所需材料攪拌均勻后倒入試驗(yàn)箱體和試驗(yàn)?zāi)＞撸陬A(yù)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(shí)在煤體按照設(shè)計(jì)位置埋設(shè)應(yīng)變磚和電極棒，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鬟^(guò)程包括攪拌、裝載、夯實(shí)、安裝、夯實(shí)等(見圖5)。

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鬟^(guò)程Fig.5 Process of test model production

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱魍瓿芍螅谑覝叵吗B(yǎng)護(hù)28天后，鉆取Φ50 mm×100 mm試件測(cè)試物理力學(xué)參數(shù)，測(cè)試結(jié)果見表2所示。模型材料的物理力學(xué)性質(zhì)與文獻(xiàn)[12]煤體工程分類的III類煤體相對(duì)應(yīng)。其結(jié)構(gòu)特征受構(gòu)造影響嚴(yán)重，煤呈碎粒狀，屬于碎粒煤和糜棱煤，符合構(gòu)造煤的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征。清理干凈爆破孔進(jìn)行裝藥，將藥管導(dǎo)線引至試件外并采用沙子和502膠混合封孔(封孔長(zhǎng)度80 mm)后起爆。

表2 模型試件物理力學(xué)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 模型表面宏觀裂紋動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程

爆破孔中炸藥爆炸，產(chǎn)生爆破沖擊波，沖擊波作用在爆破孔壁上時(shí)會(huì)產(chǎn)生初始徑向裂隙，隨后，沖擊波衰減為應(yīng)力波向煤體內(nèi)部傳播，在應(yīng)力波切向拉伸作用下，煤體初始徑向裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。當(dāng)應(yīng)力波衰減到低于煤體介質(zhì)抗拉強(qiáng)度，裂隙就停止擴(kuò)展。應(yīng)力波向前傳播的同時(shí)，爆生氣體由于“氣刃作用”楔入到初始徑向裂隙中使其繼續(xù)擴(kuò)展，爆生氣體膨脹壓力降低，當(dāng)壓力低于一定程度，繼續(xù)在煤體中的彈性能就以卸載波的形式釋放出來(lái)，形成較少的環(huán)向裂隙。

(1)試驗(yàn)結(jié)果

高速攝像機(jī)捕捉到的爆破裂紋動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程如圖6所示。從圖中可以將試件1和試件2爆破裂紋演化為裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通的全過(guò)程，破裂從炮孔中心向四周放射性擴(kuò)展，形態(tài)為“+”字形，而試件1與試件2裂紋演化存在一定的不同，即試件2在“+”字裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通全過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力波傳播到模型試件固定約束端，由于應(yīng)力波的反射壓縮作用，使擴(kuò)展到最大的裂紋重新被壓縮，同時(shí)由于爆破能量作用，部分煤粉沖破爆破孔口自由面向自由空間飛散；試件1不存在上述試件2的裂紋演化到最大后被重新壓縮和煤粉向自由空間飛散的現(xiàn)象。

(a) 試件1

(b) 試件2圖6 爆破裂紋動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程Fig.6 Dynamic development process of blasting crack

(2)試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)爆破應(yīng)力波傳到不同煤巖介質(zhì)的分界面上(自由面、層理斷面和不同介質(zhì)面)時(shí)會(huì)發(fā)生反射和折射。斜入射時(shí)，入射波為縱波P，在不同介質(zhì)分界面會(huì)激發(fā)出反射橫波Sr和反射縱波Pr、透射橫波St和透射縱波Pt(見圖7)。應(yīng)力波入射角為0°即正入射(應(yīng)力波傳播方向垂直于不同煤巖介質(zhì)分界面)是斜入射的一種典型情況，下面以正入射來(lái)解釋爆炸應(yīng)力波在固定端(模型試件四周約束鋼板)和自由端(控制孔處)的反射壓縮或拉伸作用進(jìn)行分析，對(duì)于正入射的入射波為縱波，反射波和透射波也都是縱波。

圖7 入射縱波斜入射不同介質(zhì)表面Fig.7 Incident longitudinal wave obliquely incident on different media surface

入射縱波入射到不同介質(zhì)表面，入射應(yīng)力為σi，根據(jù)介質(zhì)分界面連續(xù)條件得出分界面兩邊質(zhì)點(diǎn)的反射應(yīng)力和透射應(yīng)力分別為

(1)

(2)

式中：σr，σt分別為反射應(yīng)力和透射應(yīng)力；ρ1，ρ2分別為兩種不同煤巖介質(zhì)的密度，kg/m3；Cp1，Cp2為在兩種不同煤巖介質(zhì)的縱波傳播速度，m/s。

1+F=T

(3)

從式(3)中可以看出，T總為正，因此透射波與入射波總是同號(hào)，F(xiàn)的正負(fù)取決于兩種介質(zhì)的波阻抗(介質(zhì)密度和彈性縱波波速的乘積)的相對(duì)大小。應(yīng)力波傳播到不同介質(zhì)界面，由于不同介質(zhì)波阻抗不同，反射波將產(chǎn)生壓縮或拉伸作用：

(1)若ρ2Cp2>ρ1Cp2，F(xiàn)>0，T>1，則反射波和入射波同號(hào)，壓縮波反射仍為壓縮波，反向加載，透射波在應(yīng)力幅值上大于入射波。若ρ2Cp2→∞，則有F=1，T=2，相當(dāng)于彈性波在固定端的反射。

(2)若ρ2Cp2=ρ1Cp2，F(xiàn)=0，T=1，此時(shí)入射應(yīng)力波在通過(guò)交界面時(shí)沒(méi)有發(fā)生波的反射，入射應(yīng)力波全部透射進(jìn)入第二種介質(zhì)，分界面兩邊的介質(zhì)材料相同或不同但波阻抗相同即波阻抗匹配，無(wú)能量的損失。

(3)若ρ2Cp2<ρ1Cp1，F(xiàn)<0，T<1，則反射波和入射波異號(hào)，將會(huì)出現(xiàn)透射的壓縮波和反射的拉伸波。

應(yīng)力波傳播到模型試件四周約束的鋼板，此時(shí)四周約束鋼板的波阻抗大于煤體的波阻抗，應(yīng)力波反射為壓縮波，反向作用于煤體，使擴(kuò)展的裂紋被反向壓縮，屬于上述分析(1)的情況，試件2的裂紋擴(kuò)展的過(guò)程很好的反應(yīng)了壓縮波的反向作用?？刂瓶资潜瓶走呍黾虞o助自由面，即壓縮波傳播到控制孔時(shí)，由于ρ2Cp2→0，則有F=-1，T=0，相當(dāng)于彈性波在自由端的反射，則σt=0，σt=-σi，此時(shí)的入射波全部反射成拉伸波，屬于上述分析(3)的情況。當(dāng)反射拉伸波強(qiáng)度大于煤巖介質(zhì)的抗拉強(qiáng)度的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生霍金遜(Hopkinson)效應(yīng)，使煤巖從自由面向里片落，人為增大了裂隙區(qū)的范圍。試件1中有控制孔，由于控制孔的作用，爆炸載荷在控制孔和爆破孔之間裂隙充分發(fā)育，傳播到四周約束鋼板固定端的能量較少，在高速成像儀上沒(méi)有反應(yīng)出如試件2的反向壓縮作用過(guò)程。

2.2 爆破載荷作用下應(yīng)力波作用分析

(1)應(yīng)變測(cè)試方法

本次實(shí)驗(yàn)采用寧波江東耀南機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的BX120-3CA金屬箔電阻應(yīng)變片間接測(cè)量爆破載荷產(chǎn)生的應(yīng)力波。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集到的是電壓信號(hào)，需要轉(zhuǎn)換為應(yīng)變信號(hào)，如果要計(jì)算應(yīng)力，還需要得到動(dòng)載荷下模型試件的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系，通過(guò)胡克定律求得。電壓信號(hào)為[13]

(4)

式中：K為電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù)；U為橋壓；ε為應(yīng)變；K′為增益倍數(shù)。

由式(7)得到爆破載荷下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?/p>

(5)

(2)試驗(yàn)結(jié)果分析

由于試驗(yàn)采集儀器性能、采集參數(shù)設(shè)置、應(yīng)變片制作與安裝、環(huán)境條件和測(cè)試技術(shù)等因素影響，爆破后，試件1和試件2共采集的有效波形8個(gè)，無(wú)效波形8個(gè)。下面以試件1中3#應(yīng)變片(在試件對(duì)角線上，距離炮孔80 mm)為例來(lái)說(shuō)明應(yīng)力波傳播的過(guò)程。

從圖8可以看出，炮孔中炸藥爆炸后由于炸藥的爆轟作用，爆炸能對(duì)模型試件進(jìn)行加載，形成兩段主要波形。第一段波形主要在25～80 μs時(shí)間段，該波形主要是由于爆炸應(yīng)力波的作用而形成，在壓縮和拉伸兩個(gè)方向上發(fā)生劇烈變化并出現(xiàn)了2次較大的應(yīng)變峰值，無(wú)論徑向還是切向在爆破載荷作用下先受壓在受拉，徑向以受壓為主，切向以受拉為主，徑向方向壓應(yīng)變幅值較切向方向拉應(yīng)變幅值出現(xiàn)時(shí)間早，徑向應(yīng)變峰值(絕對(duì)值)與切向應(yīng)變峰值(絕對(duì)值)大小相近。當(dāng)介質(zhì)切向拉伸應(yīng)力超過(guò)本身的動(dòng)抗拉強(qiáng)度就會(huì)產(chǎn)生徑向裂隙。第二段波形的產(chǎn)生100 μs后時(shí)間段，主要由于卸載波、反射波和膨脹波(稀疏波)等的復(fù)合作用，在拉伸方向上有較大的變化并產(chǎn)生了1次較大的應(yīng)變峰值，壓縮波的作用是由于爆生氣體膨脹導(dǎo)致氣體壓力降低，當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ担嚰性诒戚d荷作用下積蓄的彈性能以卸載波的作用釋放出來(lái)，向爆破孔中心傳播，在試件內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)向裂隙，相應(yīng)徑向裂隙而言環(huán)向裂隙產(chǎn)生較少；反射波主要由于控制孔作為輔助自由面產(chǎn)生的拉伸波和模型試件反射形成的壓縮波所組成，使試件模型收到壓拉的綜合作用，產(chǎn)生塑性變形和脆性破裂。

(a)徑向應(yīng)變 (b)切向應(yīng)變圖8 3#應(yīng)變片應(yīng)變圖Fig.8 Strain gauge of 3# strain gauge

在兩次主要波形出現(xiàn)后，可以認(rèn)為爆破試件進(jìn)入到準(zhǔn)靜態(tài)和靜態(tài)階段，模型試件主要受到爆轟氣體作用，爆生氣體進(jìn)入介質(zhì)中已經(jīng)形成的孔隙，當(dāng)裂紋尖端強(qiáng)度因子大于介質(zhì)靜態(tài)斷裂韌性時(shí)，促使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，隨著爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力的降低，當(dāng)裂紋尖端強(qiáng)度因子衰減到一定值，爆破裂隙停止擴(kuò)展。此時(shí)的應(yīng)變值在較小的范圍內(nèi)發(fā)生波動(dòng)，并且逐漸衰減。在工程實(shí)際中，由于煤體是煤與瓦斯氣固耦合介質(zhì)，煤體在爆破中遠(yuǎn)區(qū)裂隙的擴(kuò)展還有瓦斯氣體的參與，瓦斯氣體壓力越大，越有利于裂隙的擴(kuò)展。

2.3 基于電法CT反演爆破試件電性參數(shù)

煤具有導(dǎo)電性，其由離子導(dǎo)電和電子導(dǎo)電構(gòu)成，所有的煤均具有電子導(dǎo)電特性，而離子導(dǎo)電主要是由煤體中耦合的水分和礦物質(zhì)引起的[14]。煤層的電阻率通常為數(shù)百至數(shù)千歐姆米。電阻率信息能反映煤巖內(nèi)部裂隙的變化情況[15]。在爆破擾動(dòng)作用下煤體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，電阻率值會(huì)有一定程度的增大或異常。電法CT技術(shù)主要應(yīng)用在對(duì)工作面受采動(dòng)影響冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶以及工程實(shí)踐中地質(zhì)異常帶的探測(cè)方面[16-17]。夏紅兵等[18]為查明探測(cè)切面內(nèi)的巖體損傷裂隙發(fā)育形態(tài)和空間展布，利用電法CT成像技術(shù)探測(cè)微量炸藥爆炸前后裂隙巖體深孔之間電阻率的變化。煤巖在爆破載荷作用下產(chǎn)生裂隙和損傷，其裂隙演變規(guī)律和損傷范圍可通過(guò)模型試件背景和爆破后電性參數(shù)的變化規(guī)律來(lái)反演出。

(1)測(cè)試方法

測(cè)試儀器為安徽理工大學(xué)與江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司聯(lián)合研制的WBD并行電法儀，采樣方法為ABM法，即模型試件中布置的56個(gè)電極中(見圖3(b))任兩個(gè)電極組成偶極AB極供電，其余54個(gè)作為M極電極同時(shí)采集模型試件爆破前后即試件背景和爆破后電位數(shù)據(jù)。溫納四極裝置抗干擾能力較好，故試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮嚰杉碾娢粩?shù)據(jù)以溫納四極裝置進(jìn)行高密度電阻率法反演，反演模型和結(jié)果交會(huì)如圖9所示。

(2)測(cè)試結(jié)果分析

為充分對(duì)比爆破載荷作用下模型試件電阻率的變化，通過(guò)對(duì)采集到的電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行比值計(jì)算來(lái)提高分辨率，獲得爆破載荷作用前后電阻率的異常系數(shù)

γ=ρi/ρ0

(6)

式中：ρ0為背景電阻率；ρi為爆破后電阻率。

(a)反演結(jié)果

(b)反演模型圖9 反演模型和結(jié)果交會(huì)Fig.9 Resistivity crossplot and inverted image

當(dāng)電阻率異常系數(shù)γ>1 或γ<1 的位置為電性異常區(qū)域，煤巖裂隙發(fā)育越充分或損傷越嚴(yán)重，異常系數(shù)值越大。利用surfer軟件繪制異常系數(shù)的等值圖(見圖10)，由圖10可以看出，試件1和試件2在爆破載荷作用下電阻率異常系數(shù)γ為6～9，均遠(yuǎn)大于1，說(shuō)明模型試件在爆破載荷作用下電阻率的變化較背景值成倍發(fā)生，為爆破載荷作用模型試件裂隙充分發(fā)育所致。同時(shí)試件1在爆破孔近區(qū)和中區(qū)電阻率異常系數(shù)為8，等值線密度小，變化陡度??；試件2在爆破孔近區(qū)電阻率異常系數(shù)為9，中區(qū)電阻率異常系數(shù)為7～8，等值線密度大，變化陡度大。試件1是由于爆炸產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波傳播到控制孔(輔助自由面)反射成拉伸波，使煤巖介質(zhì)從控制孔向里發(fā)生片落現(xiàn)象，導(dǎo)致控制孔和爆破孔之間裂隙充分發(fā)育；試件2由于未設(shè)置控制孔，應(yīng)力波將按指數(shù)衰減，應(yīng)力波傳播到模型試件四周的固定約束端產(chǎn)生反向壓縮波，導(dǎo)致中區(qū)電阻率異常系數(shù)等值線密度和陡度較大。與3.1節(jié)高速攝像機(jī)觀測(cè)到模型試件裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展的宏觀表現(xiàn)基本一致。

3 結(jié) 論

(1) 利用自主搭建的爆破模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了有控制孔和無(wú)控制孔兩種模型試件的爆破試驗(yàn)。通過(guò)試件表面宏觀裂紋發(fā)育結(jié)果得出，應(yīng)力波在固定端的反射，反射波和入射波同號(hào)，爆破載荷產(chǎn)生反射壓縮波反向加載于爆破試件，使模型試件向外擴(kuò)展的裂紋被反向壓縮?？刂瓶资潜瓶走呍黾虞o助自由面，入射波全部反射成拉伸波，發(fā)生霍金遜(Hopkinson)效應(yīng)，使煤巖從自由面向里片落。

(a) 試件1

(b) 試件2圖10 電阻率異常系數(shù)等值圖Fig.10 Equivalent coefficient of resistivity anomaly

(2) 根據(jù)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化曲線所呈現(xiàn)的規(guī)律，爆破試樣在沖擊波、應(yīng)力波、爆生氣體的共同作用下產(chǎn)生兩段主要波形，試件模型裂隙的擴(kuò)展主要是由于壓縮波和卸載波，爆生氣體的尖劈作用和準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)作用以及瓦斯氣體等綜合作用。徑向應(yīng)變峰值與切向應(yīng)變峰值大小相近。

(3) 電阻率信息能反映煤巖受擾動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)部裂隙的變化情況。通過(guò)電法CT反演了爆破前后煤巖電阻率異常變化，前后的平均異常系數(shù)為6～9。說(shuō)明在爆炸荷載作用下，煤體的裂隙充分發(fā)育。同時(shí)有控制孔試件異常系數(shù)變化等值線相對(duì)無(wú)控制孔試件變化密度小和陡度小，進(jìn)一步說(shuō)明控制孔霍金遜(Hopkinson)效應(yīng)。

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