单-双孔爆炸荷载作用下应变测试试验*

杨仁树曹文俊，2陈 程高祥涛

（1.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083；2.北京京煤化工有限公司，北京市房山区，102471）

单-双孔爆炸荷载作用下应变测试试验*

杨仁树1曹文俊1，2陈 程1高祥涛1

（1.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083；2.北京京煤化工有限公司，北京市房山区，102471）

预裂效果是低渗透高瓦斯煤层深孔爆破增透技术的关键。采用超动态应变测试系统，实测了单孔起爆和双孔同时起爆作用下有机玻璃板中爆炸产生的应变波，对测试得到的轴向和切向爆炸应变波信号进行了分析。结果表明：单孔起爆产生的裂纹长度有限，双孔起爆由于应力波叠加作用产生的主裂纹长度扩展效果明显；应变波波形包括两个部分，首先以压缩为主的应变作用使裂纹产生，然后以拉伸为主的应变作用使裂纹长度扩展，且拉伸应变峰值是导致裂纹长度扩展的主要原因；双孔同时起爆爆炸拉伸应变峰值是单孔起爆的3～6倍，说明多点爆炸荷载对介质的作用并不是单纯的数值叠加。研究结果为进一步认识爆破破岩机理和爆破预裂技术提供新的试验依据。

单孔爆炸 双孔爆炸 爆炸效应 应变测试 动力学响应

我国95%以上的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属于低透气性煤层，煤层的难抽采性成为了绝大部分矿井的煤层特征。目前，在低透气性高瓦斯煤层开采过程中，传统预裂爆破增透技术得到广泛应用，液态CO2相变致裂爆破新技术也开始尝试试验。预裂效果是低渗透高瓦斯煤层深孔爆破增透技术的关键，爆炸荷载下固体介质中爆炸应力波传播的应变测试技术是考察爆破预裂效果的重要试验方法。

由于单-双孔爆炸荷载作用下介质应变规律研究是爆破破岩机理和预裂爆破致裂技术的基础，学者们对于单-双孔爆破效应进行了大量的研究。近年来高应变率的爆炸应变直接测试成为可能。高祥涛研究了利用超动态应变仪实测了条形药包在水泥砂浆试件中爆炸产生的应变波，认为该应变波形具有初始以压应变为主、持续的压拉应变交替出现的特征；岳中文等开展了切缝药包空气间隔装药爆破的动态应变测试，认为切缝方向应变衰减速度较快；梁冰等以漳村煤矿3#煤层为基础分析了双孔连续爆破应力波的传播过程及对煤层影响的范围。由于煤岩材质的各向异性，直接在煤、岩介质水泥砂浆试样中进行爆炸应变测试很难直观获得应力波叠加效果，本文采用有机玻璃材料和超动态应变测试系统深入研究单-双孔爆炸荷载作用下应变波传播和裂隙扩展规律，为进一步认识爆破破岩机理和爆破预裂技术提供新的试验依据。

1　试验设备及材料

1.1超动态应变测试系统

试验测试系统由电阻应变片、有机玻璃板、屏蔽线、电桥盒、SDY2107型超动态应变测试仪、TST3406C动态数据采集系统及台式计算机组成。使用的应变片为BX120-2BA直角应变花，其敏感栅尺寸为2 mm×1 mm，基底尺寸为6.5 mm× 6.5 mm，电阻为120Ω。SDY2107型超动态应变测试仪频率响应为2.5 MHz，输入阻抗大于100 MΩ，灵敏度（桥压2 V）为0.1 V/100με。TST3406C动态数据采集系统最高采样速率为40×107次/s，满足试验测试要求。

1.2试验材料及测点布置

试验材料为有机玻璃（PMMA），有机玻璃尺寸为400 mm×300 mm×5 mm，两炮孔位于试件中央，间隔120 mm。采用微激光精确定位切割。有机玻璃动态力学参数分别为纵波波速2.32× 103m/s，横波波速1.26×103m/s，动态弹性模量6.1 GN/m2，动态泊松比0.31。试验中测点布置如图1所示，炮孔A、B直径为6 mm，单孔装药量为140 mg叠氮化铅炸药；沿垂直于两炮孔连线中心布置4个测点，每个测点布置一个应变花，每个应变花有两个应变片组成相互垂直，用于测试测点处的横向应变和纵向应变，测点连线距离为80 mm、80 mm、80 mm。

图1　有机玻璃、应变片和炮孔

2　试验结果及分析

2.1爆破效果

为了考察单-双孔爆炸荷载下应力分布情况，试验分两组开展，第一组起爆单孔A，第二组同时起爆炮孔A和炮孔B。爆破作用后效果见图2。

由图2（a）可以看出，在单孔起爆作用下，爆生裂纹主要集中在炮孔周围，水平方向主裂纹扩展距离没有达到两炮孔水平距离的一半；而由图2（b）可以看出，在双孔同时起爆情况下，裂纹的扩展非常明显，单个炮孔水平方向主裂纹扩展都超过了两炮孔水平距离的一半。由此可见，单孔起爆产生的裂纹长度有限，双孔起爆由于应力波叠加作用产生的主裂纹长度扩展效果明显。

图2　爆破作用后效果

2.2动态应变测试结果

起爆后超动态应变仪会瞬间采集炮孔周边应变信号，两组信号应变持续时间在10μs以内。图3为单孔爆破应变测试波形（炮孔A起爆）和双孔同时起爆应变测试波形（炮孔A、B同时起爆）。

图3　单、双孔起爆应变测试波形

由图3可见，无论是单孔起爆还是双孔同时起爆，应变片传感器先后形成两个明显的作用区域（如图中虚线区域）。在第一个作用区域中，各测点表现出应变情况有所不同，应变值有正有负，说明不同测点受到的拉伸、压缩应变不同，但以压缩为主；而在第二个作用区域中，各个测点都呈现出统一的变化趋势，先压缩再拉伸，整体作用以拉伸为主，仅峰值大小不同。前者是由于压缩应力波引起，后者是由于应力波叠加和膨胀气体准静压造成，与文献中水泥砂浆单孔爆破应变试验测试结果一致。因此，爆炸在材料中产生的应变波形首先以压缩为主的应变作用使材料产生裂纹，然后以拉伸为主的应变作用使裂纹长度扩展。

双孔同时起爆相对于单孔爆破测点处的应变峰值明显升高，除药量增加一倍以外，两炮孔产生的应力波相互叠加起到了重要的作用，特别是第二个作用区域中的拉伸应变峰值是导致裂纹长度扩展的主要原因。4个测点应变波形中第二个作用区域中拉伸应变的横纵向应变测试结果如表1所示。

由表1可见，单孔起爆作用下，横向测点应变峰值最大值为48.2×103με，纵向测点应变峰值最大值为38.4×103με；双孔同时起爆作用下，横向测点应变峰值最大值为195.3×103με，纵向测点应变峰值最大值为252×103με。双孔起爆横纵应变峰值明显大于单孔爆破数值，双孔同时起爆作用下的横向测点应变峰值以及纵向测点应变峰值是相应单孔起爆条件下相应峰值的3～6倍，说明多点爆炸荷载对介质的作用并不是单纯的数值叠加。

表1　测点横纵应变片拉伸应变峰值　103με

3　结论

（1）单、双爆破裂纹宏观上观察可见，单孔起爆产生的裂纹长度有限，双孔起爆由于应力波叠加作用产生的主裂纹长度扩展效果明显。

（2）在应变波曲线上，无论是单孔起爆还是双孔同时起爆，爆炸荷载对介质的作用形式都是一致的，应变波形包括两个主要作用区域，首先以压缩为主的应变作用使裂纹产生，然后以拉伸为主的应变作用使裂纹长度扩展，且拉伸应变峰值是导致裂纹长度扩展的主要原因。

（3）双孔起爆拉伸应变区域横纵应变峰值明显大于单孔爆破数值，双孔同时起爆作用下的横向测点应变峰值以及纵向测点应变峰值是相应单孔起爆条件下相应峰值的3～6倍，说明多点爆炸荷载对介质的作用，并不是单纯的数值叠加。

［1］ 袁亮.瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术［J］.中国煤炭，2010（6）

［2］ 王兆丰，刘军.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨［J］.煤矿安全，2005（3）

［3］ 弓美疆，池鹏，张明杰.低透气性高瓦斯煤层深孔控制预裂爆破增透技术［J］.煤炭科学技术，2012（10）

［4］ 宋宜猛，王启飞，王安虎等.液态CO2预裂爆破增透技术试验研究［J］.中国煤炭，2015（8）

［5］ 范迎春，霍中刚，姚永辉.复杂条件下二氧化碳深孔预裂爆破增透技术［J］.煤矿安全，2014（11）

［6］ 朱振海，曲广建，孙强等.不耦合装药爆炸应力场的动光弹研究［J］.爆炸与冲击，1991（3）

［7］ 朱振海.炮孔之间爆炸应变场的光力学分析［J］.爆炸与冲击，1989（4）

［8］ 杨仁树，王雁冰，杨立云等.双孔切槽爆破裂纹扩展的动焦散实验［J］.中国矿业大学学报，2012（6）

［9］ 杨仁树，王雁冰，岳中文等.定向断裂双孔爆破裂纹扩展的动态行为［J］.爆炸与冲击，2013（6）

［10］ 高祥涛.岩石中条形药包爆破动态应变分析［J］.煤矿爆破，2009（1）

［11］ 高祥涛.炸药破碎岩石能量分布研究［D］.安徽理工大学，2010

［12］ 高祥涛，解北京.岩石中爆炸应变波信号测试与分析［J］.爆破，2013（2）

［13］ 岳中文，杨仁树，陈岗等.切缝药包空气间隔装药爆破的动态测试［J］.煤炭学报，2011（3）

［14］ 梁冰，丁学丞，孙维吉等.低透气性煤层双孔预裂爆破增透数值模拟［J］.爆破，2014（2）

［15］ 杨仁树，王雁冰.切缝药包不耦合装药爆破爆生裂纹动态断裂效应的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2013（7）

Research on strain test under blast load of single-hole or double-hole

Yang Renshu1，Cao Wenjun1，2，Chen Cheng1，Gao Xiangtao1
（1.School of Mechanics&Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Beijing Jingmei Chemical Industry Co.，Ltd.，Fangshan，Beijing 102471，China）

The presplitting effect was the key of anti-reflection technique in deep hole blasting in the coal seam with low permeability and high gas.Taking the super dynamic strain test system，the explosion strain waves produced by single-hole detonating or double-hole detonating in perspex sheets were measured，and the axial and tangential strain wave signals were analyzed. The results showed that the crack length caused by single-hole detonating was limited，while the extension effect of main crack length caused by double-hole detonating was obvious because of the additive effects of stress waves.The waveform of strain wave included two parts，first part was the crack formation primarily caused by compression strain effect，and the second part was crack length extension primarily caused by tensile strain effect，and the peak of tensile strain was the main reason of crack length extension.The tensile strain peak of double-hole detonating was 3～6 times as big as the peak of single-hole detonating，which explained that the effect of multi-point explosion load on medium was not a simple numeral superposition.The research results provided a new test basis to explore the rock breaking mechanism and presplitting blast technology.

single-hole blasting，double-hole blasting，explosion effect，strain test，dynamic response

TD235

A

杨仁树（1963-），男，安徽和县人，教授，博士生导师。

（责任编辑 张毅玲）

国家自然科学基金重点项目（51134025），高等学校博士学科点专项科研基金（20110023110018）