不同加载模式煤体爆炸荷载作用下损伤和裂隙演化研究

2021-09-17张树川张缓缓王锦波刘炳乾

煤炭工程 2021年9期

张树川，张缓缓，王锦波，刘炳乾

(安徽理工大学安全科学与工程学院，安徽淮南 232001)

我国煤矿透气性系数低，提高煤层气抽采量的关键在于提高煤层透气性系数[1]。深孔控制爆破是主要的卸压增透技术之一，其兼具有大直径钻孔和松动爆破两种措施的优点，能有效防治煤与瓦斯突出等瓦斯灾害事故[2]。深孔控制爆破作用于煤层中，其增透效果受地应力、瓦斯压力、控制孔和爆破工艺参数等多种因素影响。许多学者就不同开采深度自重地应力等对煤体爆破裂纹演化影响及爆破荷载作用下裂隙扩展等进行了研究[3-11]，并取得了一定的成果，如刘超等借助RFPA2D-Dynamic软件，研究了煤体在不同地应力条件下爆破裂纹扩展规律；穆超民等建立含瓦斯煤的拉压动态损伤动态本构模型，并将此模型嵌入LS-DYNA软件中，对含瓦斯煤体柱状装药预裂爆破进行了数值模拟等。但相关研究主要是借助数值模拟的手段进行的，数值模拟一定程度上难以达到和实际地层条件下完全吻合。

鉴于此，本文针对煤层中深孔控制爆破的特点，在实验室搭建爆破模拟试验系统，设计了不加载、加载为5t(以下称为“小加载”)和10t(以下称为“大加载”)的3组不同加载模式，来模拟真实地层中煤体所承受的大小不同的自重地应力。利用相似材料配比加工制备爆破实验试件，通过超动态应变仪监测煤体的应变信号，利用高像素数码相机记录爆破后模型试件表面宏观裂纹的变化规律，利用电法仪CT反演爆破前后及爆破后一定时间内电阻率变化规律。根据不同加载煤体爆炸荷载作用下的实验结果，对比分析了其损伤和裂纹演化的特征。研究成果可为利用深孔控制预裂爆破技术卸压增透及切槽定向控制爆破等防治煤与瓦斯突出，预先弱化坚硬煤层等提高回采率与防治冲击地压、瓦斯灾害事故等的工程实践和实验理论研究方面，提供参考。

1 实验模型及制作

1.1 模型设计

实验模型尺寸为300mm×300mm×300mm，四周用钢板进行约束。模型中有1个爆破孔和2个控制孔，爆破孔布置在试件模型中心，控制孔距离爆破孔100mm，等间距布置在爆破孔的两侧。预留爆破孔和控制孔长度为180mm，药柱长度100mm，装药封孔长度为80mm。为保证爆炸应力波和爆生气体发挥最大作用，实验所用药管的直径为6.5mm，爆破孔直径为8mm，装药不耦合系数1.23[12]。为了进行对比分析，设计了不加载、小加载和大加载等3组加载模式。实验模型如图1所示。

图1 实验模型示意图

在模型试件中垂直爆破孔(控制孔)方向距离上下底面均为150mm的的正方形面对角线方向预埋4个应变砖，距离爆破孔的水平距离分别为20mm、50mm、80mm和110mm(图2(a))。在应变砖同一个平面上布置电阻率测试系统，即每个试件模型布置4根电极棒，每根电极棒布置14个电极测点，共计56个电极测点，测点间距20mm(图2(b))。

图2 测试系统示意图(mm)

1.2 模型制作

本次爆破实验选取的煤体为构造煤。依据煤体工程分类，考虑煤体的单轴抗压强度、纵波波速、弹性模量和孔隙率等指标，力求在煤岩物理力学性质方面最大程度与真实构造煤体相似。在进行大量构造煤相似材料配比实验的基础上，确定了本次实验模型试件以煤粉为主要骨架材料，水泥和石膏为胶结材料，具体配比材料和参数及物理力学参数见表1[13，14]。

表1 爆破模拟煤体配比及物理力学参数

按照材料配比参数称量所需材料搅拌均匀后倒入实验箱体和实验模具，在预定位置埋入钢筋以模拟炮孔和控制孔。在装入模拟材料的同时在煤体按照设计位置埋设应变砖和电极棒，实验模型制作过程包括搅拌、装载、夯实、安装、再夯实等，在室温下养护28d后，清理干净爆破孔，装入专用药柱，将药管导线引至试件外并采用河沙和502胶混合封孔，然后起爆。

2 实验结果与分析

2.1 爆炸应力波分析

采用TS3406动态测试分析仪测试模型试件在爆炸荷载作用下的应变时程曲线如图3所示，炮孔中炸药爆炸后爆炸能对模型试件进行加载，形成两段主要波形[15]。

图3 爆炸荷载下煤体应变时程曲线

第一段波形在20～100μs段，是由于爆炸应力波作用而形成的，模型试件均先受压再受拉，径向以受压为主，切向以受拉为主，应变幅值径向方向较切向方向出现时间早、应变幅值大小相近。第二段波形的在100μs以上，主要是由于卸载波、反射波等的复合作用而形成的。卸载波是爆炸应力波的向前传播同时，爆生气体膨胀导致气体压力降低，当低于一定值时试件中积蓄的弹性能释放出来而形成的；反射波主要由于控制孔作为辅助自由面产生的拉伸波和爆破试验系统腔体反射形成的压缩波所组成的。

2.2 模型试件爆破后表面宏观裂纹分析

模型试件爆破后垂直于炮孔轴向方向的宏观裂纹情况如图4所示，其形成主要是爆炸应力波、卸载波和控制孔及腔体形成的拉压反射波等共同作用形成的。在炮孔区，爆炸应力波对于试件的损伤作用是在爆炸产生的压缩空腔区的基础上产生的；近炮孔区，由于压缩波产生的裂纹尖端强度因子大于煤体动态断裂韧性而形成放射状的压剪裂纹；远炮孔区，是由压缩波和卸载波共同作用下形成的，应力波向前传播的同时，爆生气体迅速膨胀压力降低，积蓄在试件中的内能释放形成卸载波，压缩波和卸载波共同作用产生拉剪裂纹，主应力对裂纹的发展具有明显的导向作用，裂纹向煤体最小抵抗线方向发生偏离。小加载模型，由于施加了一定的径向荷载，与无加载模型相比较裂纹的宽度明显减少，裂纹的长度基本未发生变化。大加载模型，试件表面的裂纹未能呈现出放射状，与无加载和小加载等模型相比较，由于较大的径向加载存在使得模型径向裂纹数量和宽度明显减少但裂纹长度基本未发生变化。

图4 爆破后模型表面破坏形态

2.3 电阻率测试结果及分析

采用WBD并行网络电法仪测试模型试件爆炸荷载作用前后电阻率。将模型试件爆破后电阻率ρi与背景电阻率ρ0进行比值处理，即得到试件爆破前后电阻率的异常系数为：γ=ρi/ρ0，当电阻率异常系数γ>1时，说明试件在爆炸荷载作用下产生损伤和裂隙，异常系数值越大，损伤越严重。电阻率损伤因子与弹性模量损伤因子对于煤岩介质的损伤反应具有较好的一致性，以电阻率为基础煤岩介质的损伤变量可表示为：Dρ=1-ρ0/ρi=1-1/γ。电阻率损伤因子值为0～1之间，反应了煤岩介质爆破后的损伤程度，值越大代表损伤越严重，值为1表示在测点位置的煤岩爆炸荷载作用下产生了一定宽度的宏观裂隙或已经破碎，值为0表明测点煤岩爆炸荷载作用下没有产生任何破坏和损伤。

不同加载煤体爆炸荷载作用下电阻率损伤因子如图5所示，不同加载煤体爆炸荷载作用下电阻率损伤因子时间变化如图6所示。由图5可知，受爆炸荷载作用不同加载模型的电阻率均发生了显著变化；无加载、小加载和大加载模型的电阻率损伤因子为0.86、0.67、0.56，加载越大，电阻率损伤因子越小，加载和电阻率损伤因子呈负幂指数关系y=0.849e-0.397x。由图6可知，小加载和大加载模型爆破后电阻率进行了一周的持续测试，同一时间点小加载模型电阻率损伤因子均大于大加载的；在加载的持续作用模型试件电阻率损伤因子随时间呈降幅逐渐减小的下降趋势，小加载下降幅度小于大加载的下降幅度，小加载和大加载模型电阻率损伤因子与爆破后加载持续作用时间呈负幂指数关系为y=0.659e-0.021t和y=0.555e-0.163t。以上现象的主要原因是由于加载对煤体爆炸荷载作用下损伤和裂纹演化的抑制作用，爆破后产生的裂隙在加载持续作用下存在一定程度的闭合，加载越大，越不利于裂隙的萌生、演化和贯通等。因此，在真实地层煤体中应用深孔控制爆破技术，煤体受爆炸荷载作用产生损伤和裂隙，透气性系数成倍增加，且能保持一定时间，但应注意其时间效应。