煤体高压空气爆破模拟试验研究

褚怀保， 王 昌， 杨小林， 严少洋， 魏海霞， 任志强， 陈 真， 朱思源

(1. 河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454003；2. 河南理工大学 河南省地下工程与灾变防控重点实验室，河南 焦作 454003)

煤炭是工业的“粮食”，是中国能源的基石和能源安全的压舱石，也是可以高效利用的最经济安全的清洁能源。中国是全球最大的煤炭生产、消费和地下开采占比最高的国家。中国“富煤、贫油、少气”的能源赋存特点决定了煤炭作为主体能源的地位在相当长的时间内不会改变[1]。面对“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的目标，煤炭开发过程必须坚持绿水青山就是金山银山理念。推动实现开发过程的近零生态环境损伤，不断提高煤层气(瓦斯)的资源综合利用率是亟待解决的难题之一。

煤层气(瓦斯)是赋存在煤层及煤系地层的烃类气体。中国煤层气储量约为36.8万亿m3(埋深2 000 m以浅煤层气)，居世界第三，煤层气可采资源量约10万亿m3。加快煤层气(瓦斯)开发利用，对保障煤矿安全生产、增加清洁能源供应、减少温室气体排放都具有重要意义。但是，中国煤层气资源赋存条件复杂，高应力、构造煤、低渗透性煤层气资源占比高，在煤层气抽采基础理论和技术工艺方面尚未取得根本性突破。而且，随着开采深度的持续增大，地应力、煤层气含量和压力增大，煤层微孔隙、低渗透性和高吸附等特征愈发明显，煤层气抽采难度进一步加大，低渗透率已成为制约中国煤层气抽采效果成败的关键所在。采取有效方法改善煤储层裂隙发育水平，疏通渗流通道，提高煤层透气性，实现煤层气高效抽采，完成煤层气开发利用的长远规划目标，建设美丽中国，成为目前亟待解决的重大科学问题。

经过多年的发展，国内外研究人员对低渗透性高瓦斯煤层进行了多种增透技术的探索性研究，并取得了丰硕的研究成果。对于有保护层开采条件的高瓦斯低透气性煤层，层间卸压造缝增透效果较好，技术成熟[2-3]。对于大多数没有保护层开采条件的高瓦斯低透气性煤层，水力压裂、水力冲孔、水力割缝等水力化增透技术是低透气储层增产改造的主要措施[4-6]，能够极大地促进煤层气的开采。但水力化措施需要消耗大量的水资源，而且水的侵入和滞留会对储层产生水锁和水敏性伤害[7-8]。同时，大量的水基压裂液占据气体流动通道，从而降低产气量。此外，水力压裂液中一般含有化学添加剂，开采所产生的大量废水渗透到地表及地下饮用水层而产生污染[9]。所以，各国研究人员都在积极寻求水力化增透措施的替代方法。深孔预裂爆破致裂[10-12]、二氧化碳相变致裂[13-15]、高能高压气体冲击[16-17]、可控冲击波冲击[18-19]、超声波震动[20-21]、液氮冷冲击[22]等无水化增透技术得到广泛应用，现场应用表明这些技术都能够在一定程度上提高低渗透煤层瓦斯抽采效果。

高压空气爆破是通过瞬间释放高压气体冲击煤体达到增加煤体渗透性的一种物理爆破技术[23]，其实质是在高压空气爆破应力波、高压气体、原岩应力、瓦斯气体压力共同作用下，炮孔近区初始宏观裂纹的形成与扩展、中区初始裂纹稳态扩展和远区原生裂纹扰动损伤扩展的过程。但煤体高压空气爆破作用机理研究仍停留在初期阶段，高压空气爆破作用下煤体内部应力场和损伤演化规律、裂纹扩展和损伤断裂机理缺少系统研究，致使高压空气爆破技术的广泛应用和推广受到限制。

作者团队自行研制高压空气爆破试验系统，设计开展模拟煤体高压空气爆破试验，基于试验结果和损伤断裂力学理论，以期揭示煤体中高压空气爆破应力波的传播与衰减规律和煤体损伤断裂过程与机理，为高压空气爆破增透技术应用提供科学依据。

1 高压空气爆破试验装置

为开展高压空气爆破试验，自行研制了高压空气爆破试验系统，试验系统由气体加压系统、高压气体释放控制系统和数据采集系统组成，高压空气爆破试验系统示意图和实物图如图1所示。试验过程中，首先，空气经过空气压缩机和气体增压泵组成的加压系统(增压比为1∶100，最高可增压至80 MPa)两次加压达到试验设计压力，随后，增压后的气体输送到压力釜(容量为1 L)中进行储存，以保证高压空气爆破所需气体量。最后，通过高速电磁阀以及数字压力表组成的控制系统控制压力釜中的高压气体瞬间释放至炮孔内冲击试块，同时由数据采集系统进行动态应变和裂纹扩展速度的采集。

2 高压空气爆破试验

图2为高压空气冲击作用下试件的裂纹扩展。为了进一步揭示应力波的传播和衰减规律，以及煤体损伤断裂的过程和机理，研究了高压空气冲击作用下的峰值应变、损伤值和裂纹扩展速度，并与炸药爆破的结果进行对比分析。

2.1 试验方法

根据文献[24]试验结果，制作模拟煤体试块5块，试块材料配比及基本物理力学性能参数如表1所示，试块尺寸为500 mm×500 mm×400 mm，如图3(a)所示。

表1 试块材料配比及物理力学性能参数Tab.1 The material mass ratio and physico-mechanical parameters of the sample

试块中间预留直径为20 mm、孔深为300 mm的炮孔，为消除边界效应对应变波测试结果的影响，高压空气爆破试验时在试块的四周面上涂一层黄油(5 mm厚)，然后用围压加载系统的钢板进行约束，如图3(b)所示。

根据应力波指数衰减规律，在高压气体释放口高度距预留孔中心距离分别为50 mm，150 mm，250 mm，300 mm的四个位置预埋应变砖(应变砖尺寸20 mm×20 mm×20 mm的)，用采样频率200 K的DH5922N动态信号采集系统采集爆炸应变波形，如图4(a)所示，分析煤体中高压空气爆破应变波传播与衰减规律。

为分析煤体高压空气爆破损伤规律，用NM-4A型非金属超声波检测仪在高压空气爆破前后分别对试块进行超声波波速测试，测点以过试块中心的水平线和垂直线为基准线，间隔50 mm进行布置，超声波测试如图4(b)所示，根据测点超声波测试结果，利用公式[25]D=1-(v/v0)2(v0和v为试块高压空气爆破前后的超声波波速)计算各测点的损伤值，最终以布置在高压气体释放口高度处的水平线上的测点损伤值为例进行分析。

同时，分析煤体高压空气爆破作用下煤体内裂纹扩展过程与规律，在高压气体释放口高度预布设φ0.14 mm 的漆包铜线作为传感器进行裂纹扩展速度测试，第一条铜线距离炮孔边缘50 mm，各条铜线间隔20 mm，如图4(c)所示，测试仪器为BSW-3A型智能五段爆速仪，测试仪器如图4(d)所示。

2.2 试验结果及分析

最终试验结果取5块试块各项测试结果的平均值，超声波测试试验结果以布置在高压气体释放口高度的水平线上测点为例，各测点间距为50 mm，取释放口高度的一排水平测点数据作为分析数据，炸药爆炸作用和高压空气爆破作用下煤体中应变峰值、损伤值和裂纹扩展速度，如表2所示。

表2 模拟煤体爆破损伤断裂试验结果Tab.2 The results of coal blasting damage and fracture experiment

2.2.1 高压空气爆破作用下煤体中应力波传播与衰减规律

试验中5块试块共采集到有效波形11个，由于应变片防潮处理、应变砖埋设、仪器参数设置等原因，其中9个波形为无效波形。为对比分析高压空气爆破应力波波形和炸药爆炸作用下煤体内应力波波形特征及差异，直接用DasView2.0软件导出实测波形图，如图5所示。

为分析高压空气爆破作用下煤体内应力波传播与衰减规律，根据表2数据做出高压空气爆破和炸药爆破作用下测点应变峰值随距离的变化曲线，并采用Origin 软件对曲线进行非线性拟合(y=axb)，如图6所示。

(1) 从图5可以看出，高压空气爆破作用和炸药爆破作用下煤体中应力波波形相同，均是由压缩相和拉伸相两部分组成，但高压空气爆破应力波脉宽较爆炸应力波脉宽长。

炮孔中炸药爆炸或者是高压气体释放时，炮孔壁承受炸药爆轰波或高压气体冲击作用，冲击扰动在试块中传播引起第一段由压缩相和拉伸相组成的完整的平滑应力波形，随后波在传播过程中受到反射应力波、高压气体与瓦斯气体准静态应力场和原岩应力场共同作用，致使第二段波形更加复杂。从测点第一段完整应力波波形可以看出，测点首先承受应力波的压应力，随后承受拉应力，与文献[26]测试结果一致。

(2) 由图6拟合结果可知，高压气体冲击作用下煤体中应力波衰减指数α为1.53，符合α=2-μ/(1-μ)(μ为煤体的泊松比，0.14～0.3)，而爆炸应力波衰减系数基本符合α=3-μ/(1-μ)，高压气体冲击作用下应力波的衰减较慢。

(3) 从图5可以看出，高压空气爆破作用下煤体所产生的应力波脉宽较爆炸应力波脉宽长，高压气体冲击作用下应力波压缩作用时间在1.8～2.2 ms左右，拉伸作用时间在2.6～3.1 ms，而炸药爆炸应力波压缩相作用时间为40～50 μs，拉伸作用时间为100 μs以上[27]，高压空气爆破应力波脉宽明显大于爆炸应力波脉宽。脉宽越大的应力波随着传播距离增大而产生的峰值应力衰减越小，弥散越小，煤体对高频波具有较明显的弥散作用，因而会大幅度削弱短脉宽的高频波峰值应力，所以爆炸应力波在煤体内的衰减更快。

2.2.2 煤体高压空气爆破损伤断裂过程与规律

为进一步分析高压气体冲击作用下煤体损伤与断裂过程和规律，根据表1数据，将损伤值计算结果扩大1 000倍和裂纹扩展速度处在同一个量级范围内，做出煤体高压气体冲击损伤与裂纹扩展速度随距离的变化曲线，如图7所示。

(1) 从图7可以看出，高压空气爆破作用下煤体损伤断裂过程可分为两个阶段，即应力波作用下的初始裂纹形成与扩展阶段(损伤值和裂纹扩展速度较大)和高压气体驱动裂纹稳定扩展阶段(损伤值和裂纹扩展速度基本稳定)。

(2) 高压空气爆破作用下煤体的损伤和裂纹扩展是高压空气爆破应力波、高压气体、瓦斯气体和原岩应力共同作用的结果。高压空气爆破作用下形成的应力波峰值小，煤体内不产生或很少产生压缩粉碎区，只能在应力波拉伸作用下产生初始径向裂纹，初始径向裂纹以0.15～0.40倍应力波的传播速度扩展，此阶段裂纹扩展速度为486.4 m/s(0.196倍应力波波速)，该区域损伤值为0.429～0.697，而炸药爆炸初始裂纹扩展速度为591.2 m/s(0.238倍应力波波速)，该区域损伤值为0.401～0.895。因此炮孔近区裂纹扩展速度和损伤值都比较大，但应力波随着距离的增大按指数α=2-μ/(1-μ)规律快速衰减，所以该阶段扩展范围较小。

(3) 随着距离的增大，应力波不能继续促进初始径向裂纹扩展，高压气体楔入初始径向裂纹驱动裂纹稳定扩展，裂纹扩展速度为291.3～352.5 m/s(0.12～0.14倍应力波的传播速度)，此阶段高压空气爆破裂纹扩展速度和损伤值均大于炸药爆炸裂纹扩展速度和损伤值，而且裂纹稳定扩展时间也较爆破裂纹扩展时间长。

(4) 在能量相等的条件下，高压空气爆破释放的高压气体量远大于炸药爆炸所产生的爆生气体量[28]，同时，高压空气爆破作用下在煤体内形成的应力波峰值小、且衰减缓慢、作用时间长，所以应力波能量有效利用率高，也更有利于煤体内裂纹的形成与扩展。

(5) 所以，高压空气爆破作用下裂纹稳定扩展范围较炸药爆炸作用下的裂纹稳定扩展范围大，稳定扩展阶段是高压空气爆破损伤断裂的主要阶段。

3 煤体高压空气爆破损伤断裂机理

3.1 炮孔近区煤体高压空气爆破损伤断裂机理

高压空气爆破孔壁荷载峰值有限，目前国内外高压空气爆破孔壁峰值荷载通常在200 MPa以内[29-30]，所以高压空气爆破作用下煤体内部基本不产生压缩性破坏区，只在切向拉应力大于煤体动态抗拉强度时，炮孔近区煤体被拉伸破坏而产生初始裂纹，即

(1)

从式(1)可以看出，在空气爆破孔壁初始荷载峰值有限的条件下，应力波在煤体内按指数规律快速衰减，所以初始径向裂纹扩展范围有限。

3.2 炮孔中区煤体高压空气爆破损伤断裂机理

该阶段，应力波产生的初始裂纹在高压气体、瓦斯气体、原岩应力共同作用下稳态扩展，高压气体冲击应力波形成初始裂纹后因为快速衰减而不能促进裂纹进一步扩展，高压气体充满初始裂纹并与瓦斯气体压力和远场原岩应力共同作用驱动初始裂纹稳态扩展[31]，当裂纹尖端应力强度因子大于煤体动态断裂韧性时裂纹扩展，即

(2)

假设高压气体压力P(r)在裂隙长度方向线性降低，不受裂纹宽度的影响，且高压气体瞬间充满裂隙空间，则有

P(r)=P0·(a-r)/a

(3)

式中：Pg为煤体中瓦斯气体压力，MPa；σ0为原岩应力，MPa；a为高压空气爆破应力波作用下形成的初始裂纹长度，m；KIC为煤体动态断裂韧性；P(r)为裂纹面上高压气体压力，MPa。

3.3 炮孔远区煤体高压空气爆破损伤断裂机理

随着距离的进一步增加，应力波和高压气体主导作用下的径向裂纹不能继续扩展，但是远区煤体内的原生裂纹在弹性应力波，原岩应力和瓦斯气体的共同作用以及平行裂纹间的相互影响而扩展。

将煤体内的裂纹看作一系列周期性裂纹，在瓦斯压力和原岩应力作用下定裂纹尖端应力强度因子为[32]

(4)

式中： 2b为周期性裂纹中心间距离，m； 2a′为煤体内部周期性原生裂纹长度，m；β为裂隙与垂直方向的夹角，(°)。

同时，煤体中的弹性应力波在原生裂纹处发生反射和折射，随即引起裂纹尖端周围产生高应力激增，应力波的幅度和频率决定高应力激增的大小，考虑利于裂纹的扩展，以P波入射的Ⅰ型裂纹分析确定裂纹尖端应力强度因子为

(5)

σI=(2π/l)η(λ+2μ′)

(6)

式中：Φ1为动静应力强度因子之比；σI为波前法向应力，MPa；μ′为煤体的弹性剪切模量；λ为拉梅系数；l为应力波波长；η为裂隙切向踢开黏度， MPa/ms。

从式(4)和式(5)、式(6)可知，当裂纹尖端动态应力强度因子增大至裂纹扩展临界值时，裂纹起裂并缓慢扩展，相互独立的裂纹扩展贯通，直至与初始径向裂纹贯通。同时，应力强度因子幅度决定了裂纹扩展的速率，该区域原生裂纹尖端应力强度因子幅度较小，所以裂纹扩展速度较低，扩展范围十分有限。

4 结 论

(1) 高压空气爆破应力波波形特征与炸药爆炸应力波波形特征相同，但高压空气爆破应力波的作用时间和脉宽长，衰减慢，更有利于应力波能量的有效利用。

(2) 煤体高压空气爆破损伤断裂是爆破应力波、高压气体、瓦斯气体和远场应力共同作用的结果，煤体首先在高压空气爆破应力波切向应力作用下形成初始径向裂纹，随后高压气体、瓦斯气体和原岩应力共同驱动初始径向裂纹稳态扩展，最后煤体内部的周期性原生裂纹在弹性应力波，原岩应力和瓦斯气体的共同作用以及裂纹间的相互影响作用下在小范围内缓慢扩展。

(3) 高压空气爆破作用下煤体损伤断裂以高压气体、瓦斯气体和原岩应力共同作用下的稳态扩展为主，裂纹以0.12～0.14倍应力波的传播速度扩展。高压空气爆破应力波仅在炮孔近区小范围内产生初始径向裂纹，裂纹以0.15～0.40倍应力波的传播速度快速扩展。

以上研究工作是基于模拟试验完成的，而模拟试块是基于煤体内部孔隙结构及物理力学性能参数相似原则制作的，试块是各向同性的，且试块中瓦斯气体的赋存状态、瓦斯压力和实际煤体存在一定的出入。研究成果对实际煤体工程应用具有一定的参考价值和意义，今后课题组将针对实际煤体开展研究工作。