爆炸荷載作用下煤體裂紋擴(kuò)展機(jī)理模型實(shí)驗(yàn)研究

穆朝民，齊 娟

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，淮南 232001;2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，淮南 232001;3.總參工程兵科研三所，洛陽(yáng) 471023;4.安徽理工大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，淮南 232001)

低透氣性煤體中瓦斯不能大量從煤體抽采是造成瓦斯災(zāi)害的主要原因之一。要提高瓦斯的抽采率必須提高煤層的透氣性，預(yù)裂爆破作為一門新興煤層增透技術(shù)，日益成為熱點(diǎn)課題。相繼煤層預(yù)裂爆破原理［1］、預(yù)裂爆破機(jī)制的數(shù)值方法［2］、煤層中應(yīng)力波傳遞與裂紋擴(kuò)展的數(shù)值方法［3］、爆炸載荷下巖石的變形與破壞［4］、巖石爆破破壞界面上的應(yīng)力［5］、巖石中條形裝藥能量分布［6］及裂隙圈半徑［7－10］進(jìn)行研究并取得了一定的研究成果。但對(duì)于爆炸荷載作用下含瓦斯煤動(dòng)態(tài)損傷裂紋演化機(jī)理的模型實(shí)驗(yàn)研究少見報(bào)道。

本文針對(duì)煤層中柱狀裝藥預(yù)裂爆破的特點(diǎn)，采用Froude比例分析法構(gòu)建模型實(shí)驗(yàn)。測(cè)量了爆炸波在模型介質(zhì)中切向、徑向波速，模型表面加速度、位移及應(yīng)變。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了煤層在爆炸荷載作用下裂紋演化的機(jī)制，為煤巖介質(zhì)中柱狀裝藥預(yù)裂爆破提供了一定技術(shù)參考。

1 模型實(shí)驗(yàn)Froude比例分析法

Froude比例法的最大特點(diǎn)是保持原型與模型的重力加速度之比為1，因此在實(shí)驗(yàn)中不必改變重力加速度數(shù)值，但必須保持應(yīng)力比例系數(shù)與密度比例系數(shù)、幾何比例系數(shù)滿足σ=ρl。

模型實(shí)驗(yàn)材料與原型實(shí)驗(yàn)材料密度比取密度相似比例系數(shù)最大值Kρ=1.6。模擬煤體的對(duì)象為中等偏軟強(qiáng)度原始煤體，根據(jù)應(yīng)力比例取值范圍取Kρ=0.4。

表1 模型及原型材料力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of the similar material and the prototype material

圖1 模型及測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of model and measurement system

由應(yīng)力、密度和幾何比例關(guān)系可得模型實(shí)驗(yàn)其余各重要比例系數(shù):

式中:字母代表相應(yīng)變量的比例系數(shù)，其中m表示模型、p表示原型。

2 爆炸荷載相似關(guān)系及裝藥量確定

模型材料與原型煤體的比例距離為:

由于柱狀裝藥預(yù)裂爆破很少有能量從煤體中泄露，因此取比例偶合系數(shù)Kf為2.0，應(yīng)力波比例系數(shù)KC為0.41，衰減系數(shù)取n=2.5?？梢缘贸鯧R=1.6，對(duì)于原始煤100 mm柱狀2#巖石硝銨炸藥裝藥，模型實(shí)驗(yàn)需要25 mm柱狀TNT裝藥。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與測(cè)試系統(tǒng)

根據(jù) Froude 相似定律，確定 Kρ，KL，Kσ分別為1.6，0.25，0.4 選質(zhì)量比為砂∶水泥∶水∶速凝劑 =15∶1∶1.6∶0.016 6的材料對(duì)原型含瓦斯煤材料模擬，參數(shù)如表1所列。根據(jù)∏定律確定模型實(shí)驗(yàn)為100 g柱狀TNT裝藥。模型結(jié)構(gòu)尺寸為2 m×2 m×2 m的正方體(具體布置如圖1(a)、(b)所示)。

模型中預(yù)先埋入6個(gè)壓力傳感器，其中3個(gè)壓力傳感器的迎爆面與爆破孔的軸線方向平行，3個(gè)壓力傳感器的迎爆面與爆破孔的軸線方向垂直。位移傳感器、加速度傳感器、應(yīng)變片布置在模型材料表面，具體布置如圖1(a)所示。裝藥直徑為25 mm，裝藥量為100 g。

測(cè)試系統(tǒng)由壓力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、應(yīng)變片、信號(hào)放大器及記錄系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。信號(hào)放大器與壓力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、應(yīng)變片由專用信號(hào)電纜連接。埋入模型材料體的壓力傳感器為壓電傳感器(PVDF)，其余傳感器布置在模型表面。電荷放大器將測(cè)試信號(hào)放大后用多通道瞬態(tài)記錄系統(tǒng)進(jìn)行記錄(測(cè)試系統(tǒng)具體布置如圖1(c)所示)。對(duì)粘貼好的應(yīng)變片進(jìn)行嚴(yán)格防潮抗損處理，防潮抗損保護(hù)膠液的涂抹厚度適當(dāng)均勻;另外引出線的保護(hù)管也要粗細(xì)適當(dāng)，走線合理，盡量減小靶板的應(yīng)力集中。模型的澆鑄采用專用小型手持平板振動(dòng)器及小型振搗棒嚴(yán)格振搗，既要保證靶板足夠的強(qiáng)度又要保證應(yīng)變儀引線不受破壞;場(chǎng)地及模型表面嚴(yán)格平整。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

爆炸波在煤體近區(qū)傳播過(guò)程中，徑向波速是切向波速的1～2倍且隨著爆心距離的增加，兩者的波速差別在減小。由測(cè)點(diǎn)3可知此時(shí)切向波速已是徑向波速的80%，這主要是由于在垂直爆破孔的徑向方向，煤體主要受壓縮破壞作用為主，因此由圖2所示，在垂直爆破孔方向的損傷遠(yuǎn)大于平行于爆破孔的切向。隨著爆心距離的增加，損傷的形式由壓縮損傷為主逐漸演化成以拉伸為主。由圖2可知，在距爆破孔近區(qū)損傷呈放射狀分布而在距爆破孔中遠(yuǎn)區(qū)損傷則是壓縮波通過(guò)后由于煤體應(yīng)力釋放形成卸載波導(dǎo)致的脆性拉裂。拉裂產(chǎn)生的裂紋具有方向性沿著抵抗線小的方向發(fā)展。

煤體在爆炸荷載作用下的破壞主要是由于爆炸早期產(chǎn)生的壓縮波和后期煤體能量卸載而形成的卸載波共同作用形成的，并且煤體在空間不同區(qū)域破壞機(jī)理不同。近區(qū)(圖2)，壓縮波對(duì)于煤體的損傷作用是在爆炸產(chǎn)生壓縮空腔區(qū)的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的。中遠(yuǎn)區(qū)，煤體損傷則是由于裂紋在壓縮波作用下形成塑性剪切造成的。遠(yuǎn)區(qū)，則是由壓縮波和卸載波共同作用下形成的。煤體裂紋擴(kuò)展經(jīng)歷了穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展彈塑性卸載復(fù)合作用破壞止裂一個(gè)重復(fù)加載卸載的過(guò)程。煤體內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展應(yīng)該是這一過(guò)程的集合(圖2)。

由模型實(shí)驗(yàn)可以看出在破裂區(qū)的裂紋擴(kuò)展形式主要有兩種。一種是高壓力波在通過(guò)煤體介質(zhì)時(shí)，在原先裂紋的頂端形成高應(yīng)變率使得裂紋頂端形成了較高的塑性區(qū)。當(dāng)以壓縮波驅(qū)動(dòng)的裂紋大于裂紋形成的阻力便形成了塑性剪切的裂紋(圖2)。另一種是由于壓縮波通過(guò)后由于煤體應(yīng)力釋放形成卸載波導(dǎo)致的脆性拉裂。在裂紋擴(kuò)展的后期呈現(xiàn)出明顯的脆性拉斷裂紋與塑性剪切裂紋相耦合的裂紋擴(kuò)展形式。此時(shí)裂紋斷口呈現(xiàn)銳化趨勢(shì)并且拉剪斷口發(fā)展方向可能偏離具有一定的傾斜角度(圖2)。

圖2 模型破壞形態(tài)Fig.2 Damage forms of model

表2 測(cè)點(diǎn)壓力參數(shù)Tab.2 Parameters of pressure

如圖3(a)所示，爆心距離小處測(cè)點(diǎn)2波形比較不規(guī)則，在時(shí)間為4 ms處波形向上抬起，這是由于爆破孔附近產(chǎn)生了比較強(qiáng)的塑性波和損傷波與彈性波相互作用而形成的。測(cè)點(diǎn)3的波形比較規(guī)則，說(shuō)明原先在爆炸近區(qū)產(chǎn)生的塑性波和損傷波已經(jīng)逐漸衰減并與彈性波較好的融合而新產(chǎn)生的塑性波和損傷波強(qiáng)度比較低。這與圖3所反應(yīng)的爆炸近區(qū)呈現(xiàn)放射狀裂紋(損傷比較重)遠(yuǎn)區(qū)呈現(xiàn)“十字”裂紋(損傷比較輕)的事實(shí)基本一致。

如圖3(c)～圖3(d)所示，爆炸波對(duì)于模型的作用可以分成兩個(gè)方面，一是壓縮作用，此時(shí)爆炸波以壓縮波的形式出現(xiàn)。模型表面加速度為1748 g，應(yīng)變?yōu)? 488，位移為6.1 mm。二是拉伸作用，此時(shí)爆炸波以卸載波的形式出現(xiàn)。爆炸波過(guò)后立即在其反方向形成卸載波，模型表面加速度為－243 g，位移為－0.9 mm(應(yīng)變片只能測(cè)到拉伸信號(hào)，但從應(yīng)變信號(hào)波形的抖動(dòng)可以判斷出現(xiàn)了卸載波)，模型裂紋主要是由壓縮波和卸載波共同作用形成的。

圖3 實(shí)測(cè)波形Fig.3 Measured waveforms

由于模型材料強(qiáng)度比較低，因此模型材料吸收爆炸波的能力遠(yuǎn)大于巖石等脆性材料。近區(qū)壓縮損傷效果顯著，爆破孔周圍完全壓縮破壞的范圍為25 cm，這與松藻煤電試驗(yàn)煤層近區(qū)壓縮破壞范圍幾乎一致。

5 結(jié)論

(1)Froude的最大特點(diǎn)是保持原型與模型的重力加速度之比為1，在實(shí)驗(yàn)中不必改變重力加速度數(shù)值?？捎么朔椒ㄑ芯繌?qiáng)動(dòng)載荷作用下模型動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題。

(2)爆炸波在煤體近區(qū)傳播過(guò)程中，徑向波速是切向波速的1～2倍且隨著爆心距離的增加，兩者波速的差別在減小。

(3)煤體在爆炸荷載作用下的裂紋主要是由壓縮波及卸載波共同作用形成的，前期紋擴(kuò)展主要是由塑性剪切造成的，后期裂紋由壓縮波與卸載波復(fù)合作用形成的。

［1］Forrestal M J，Tzou D Y.A spherical cavity-expansion penetration model for concrete targets［J］.International Journal of Impacting Engineering，1997，19(4):412 －414.

［2］ Forrestal M J，Luk V K.Penetration into soil targets［J］.International Journal of Impacting Engineering，1992，12:427－444.

［3］ Forrestal M J，F(xiàn)rew D J，Hanchak S J，et al.Penetration of grout and concrete targets with ogive-nose steel projectiles［J］.International Journal of Impacting Engineering，1996，18(5):465－476.

［4］龔 敏，劉萬(wàn)波，王德勝，等.提高煤礦瓦斯抽放效果的控制爆破技術(shù)［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(3):223－226.

［5］龔 敏，黃毅華，王德勝，等.松軟煤層深孔預(yù)裂爆破力學(xué)特性的數(shù)值分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，17(8):68－70.

［6］蔡 峰，劉澤功，張朝舉，等.高瓦斯低透氣性煤層深孔預(yù)裂爆破增透數(shù)值模擬［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(5):499–503.

［7］王明洋，王立云，戚承志，等.爆炸荷載作用下巖石的變形與破壞研究(Ⅱ)［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2003，23(3):9 －20.

［8］陳士海，王明洋，趙躍堂，等.巖石爆破破壞界面上的應(yīng)力時(shí)程研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(11):1784 －1788.

［9］吳 亮，盧文波，宗 琦.巖石中柱狀裝藥爆炸能量分布［J］.巖土力學(xué)，2006，27(5):735 －739.

［10］戴 俊.柱狀裝藥爆破的巖石壓碎圈與裂隙圈計(jì)算［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001，20(2):144－147.