用于模擬煤體爆破的相似材料實(shí)驗(yàn)研究

張樹(shù)川，劉澤功，劉 健，張文清，高 魁

提高低透氣性高瓦斯煤層瓦斯抽采量的關(guān)鍵在于增加煤層透氣性[1]。增透的有效手段之一就是深孔控制爆破技術(shù)[2]，該技術(shù)是利用爆破孔中炸藥爆炸產(chǎn)生爆轟能量以沖擊波、應(yīng)力波和爆生氣體動(dòng)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)等形式直接作用于煤巖介質(zhì)中來(lái)增加煤體中孔隙和裂隙發(fā)育，同時(shí)在爆破孔周圍增加控制孔作為輔助的自由面，控制孔(自由面)將傳播到其的壓縮波反射為拉伸波，促使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。繼而提高煤層的透氣性，利于瓦斯的運(yùn)移和擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤與瓦斯突出等瓦斯事故的有效防治。部分學(xué)者相繼對(duì)深孔控制爆破技術(shù)的增透機(jī)理[3-4]、裂紋擴(kuò)展規(guī)律[5]、控制孔的作用[6]和數(shù)值計(jì)算方法[7-12]等方面進(jìn)行了研究并取得了一定的成果，該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)展主要以相似理論為基礎(chǔ)用模型材料來(lái)代替真實(shí)煤體實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破的模擬，但模型材料的組成和配比上對(duì)煤體本身的孔隙、結(jié)構(gòu)和瓦斯賦存等特性考慮的不夠充分，同時(shí)未能考慮煤體在沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性。

本文以煤體的物理性質(zhì)和分類為基礎(chǔ)確定了用于模擬煤體爆破相似材料的定量和定性指標(biāo)，充分考慮煤體自身的孔隙、結(jié)構(gòu)和瓦斯賦存等物理特性和靜動(dòng)力學(xué)特性，得出用于模擬煤體爆破的相似材料組成和配比關(guān)系。研究成果為在實(shí)驗(yàn)室利用模型材料代替真實(shí)煤體實(shí)現(xiàn)對(duì)深孔控制爆破技術(shù)等相關(guān)爆破實(shí)驗(yàn)研究提供材料基礎(chǔ)。

1 定量和定性指標(biāo)確定

煤是含瓦斯的多孔物質(zhì)，其孔隙性和結(jié)構(gòu)特性，決定著煤吸附瓦斯能力、煤的滲透性和強(qiáng)度性質(zhì)等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[13-14]對(duì)煤從微結(jié)構(gòu)按力學(xué)特性、按形態(tài)、從構(gòu)造結(jié)構(gòu)、從工程實(shí)際需要等方面對(duì)煤體進(jìn)行了具體分類，并表述了不同煤體分類對(duì)應(yīng)的特征。表1為煤體分類類別相互之間對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 煤體分類對(duì)照表

在煤與瓦斯突出地點(diǎn)及其附近一般都有構(gòu)造煤發(fā)育。煤與瓦斯突出與構(gòu)造煤密切相關(guān)[15]。構(gòu)造煤是預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出的標(biāo)志[16]。選取表1的構(gòu)造煤(III類)作為進(jìn)行模擬煤體爆破的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，充分考量構(gòu)造煤(III類)的特點(diǎn)，結(jié)合煤體分類匯總成果(見(jiàn)表1)確定相似材料制作構(gòu)造煤(III類)用于模擬煤體爆破相似材料的定性指標(biāo)為具有突出危險(xiǎn)性、受構(gòu)造影響嚴(yán)重，定量指標(biāo)為煤體工程分類中的III類煤體， 即抗壓強(qiáng)度<5MPa，縱波波速< 1 500m/s，彈性模量<1.5GPa，孔隙率>8.0%。

2 相似材料選擇

選取相似材料應(yīng)考慮該材料是否具有能代表原型材料特征、配比比例對(duì)相似材料的物理力學(xué)指標(biāo)是否敏感以及是否具有無(wú)毒、無(wú)污染以及易于取材等特點(diǎn)。確定用于模擬煤體爆破相似材料的組成為：水泥+石膏+粉煤+沙子+云母碎+水，其中水泥和石膏作為膠結(jié)材料來(lái)模擬煤體的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等物理力學(xué)特征，粉煤作為骨料來(lái)體現(xiàn)真實(shí)煤體對(duì)瓦斯的吸附特性和孔隙特性，沙子和云母碎作為輔料來(lái)模擬割理和實(shí)現(xiàn)對(duì)孔隙率的調(diào)節(jié)，相似比為1。

3 實(shí)驗(yàn)方法和裝置

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

用于模擬煤體爆破的相似材料物理參數(shù)和靜力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)共分兩批次進(jìn)行，第一批次實(shí)驗(yàn)在確定相似材料組成成分和煤體物理性質(zhì)、分類等理論分析的基礎(chǔ)上，配制模擬試塊進(jìn)行物理力學(xué)性能參數(shù)測(cè)試按照相似材料組成的配比關(guān)系共分為8組進(jìn)行；第二批次實(shí)驗(yàn)在第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)比試塊測(cè)量的物理力學(xué)參數(shù)和確定用于模擬煤體爆破的相似材料判定指標(biāo)煤體物理力學(xué)性能參數(shù)，對(duì)第一批次實(shí)驗(yàn)配比比率進(jìn)行調(diào)整后進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)試。每批次每組試塊按照相似材料比率配比、攪拌均勻及夯實(shí)制作好試塊在室溫下養(yǎng)護(hù)28d后利用取芯鉆機(jī)鉆取Φ50mm的試件，并在切片機(jī)和砂輪機(jī)上打磨制備成Φ50mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格試件進(jìn)行物理參數(shù)和靜力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)，初步確定用于模擬煤體爆破的相似材料配比關(guān)系。接下來(lái)利用SHPB對(duì)初步確定的用于模擬煤體爆破的相似材料組成和配比等制備的一定規(guī)格試件進(jìn)行沖擊載荷壓縮實(shí)驗(yàn)，測(cè)試其動(dòng)態(tài)力學(xué)特性。最終從煤體物理屬性、靜力學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性等方面確定用于模擬煤體爆破的相似材料組成比率。圖1為鉆取的Φ50mm相似材料試件。

圖1 Φ50mm相似材料試件

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置和原理

實(shí)驗(yàn)使用的主要儀器和設(shè)備有：① RMT-350巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；② 超聲波速檢測(cè)儀；③ 比重瓶；④ 霍普金森壓桿等。其中，RMT-350巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試靜力學(xué)參數(shù)，超聲波速檢測(cè)儀和比重瓶等測(cè)試物理參數(shù)，霍普金森壓桿測(cè)試動(dòng)力學(xué)參數(shù)。下面主要對(duì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置和原理進(jìn)行說(shuō)明。

(1)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置和方案

本次動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置采用大尺寸Φ75mm分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)SHPB，SHPB實(shí)驗(yàn)裝置外形、主要部件如圖2～3所示。 共制作12個(gè)試件， 分為4組， 每組3個(gè)試件， 試件規(guī)格為Φ50mm、 長(zhǎng)徑比控制在0.5～1.0之間的近圓柱形試件， 圓柱形試件兩端平行度控制在0.01mm以上， 并保證兩個(gè)端面足夠光潔。 實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)氣體氣壓范圍為0.3～0.6MPa，對(duì)制作的4組試件進(jìn)行在不同沖擊速度下的沖擊實(shí)驗(yàn)，撞擊桿沖擊速度為6.501～10.103m/s。

圖2 Φ75mmSHPB裝置外形圖

1. 氣炮； 2. 撞擊桿； 3. 激光發(fā)射器； 4. 激光接收器； 5. 入射桿；6. 電阻應(yīng)變片；7. 試樣；8. 透射桿；9. 吸收桿；10.緩沖器；11. 超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀圖3 SHPB系統(tǒng)示意圖

(2)實(shí)驗(yàn)原理

(1)

式中：εi(t)、εr(t)、εt(t)分別為入射波、反射波和透射波；As、ls分別為試樣的初始截面面積和長(zhǎng)度；E為SHPB壓桿材料的彈性模量；A0為壓桿的橫截面面積；C0為壓桿中的彈性波速。

進(jìn)一步式(1)可簡(jiǎn)化為

(2)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

相似材料的組成和配比要能充分體現(xiàn)煤的孔隙、結(jié)構(gòu)和瓦斯賦存等特性，物理性質(zhì)和力學(xué)特性滿足第1節(jié)確定的定量指標(biāo)。按照第3節(jié)所述實(shí)驗(yàn)方法，充分考慮煤體的物理性質(zhì)、靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，最終確定的用于模擬煤體爆破相似材料組成和配比，表2為用于模擬煤體爆破相似材料的配比及物理力學(xué)參數(shù)表。

表2 配比及物理力學(xué)參數(shù)

4.2 靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用RMT-350巖石力學(xué)裝置測(cè)試按照表2相似材料配比得到的標(biāo)準(zhǔn)試件的靜力學(xué)參數(shù)，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

應(yīng)變/ε圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

相似材料制成的模擬爆破煤體試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為四個(gè)區(qū)段：①壓密階段。該階段由于增長(zhǎng)速率上應(yīng)力的要高于應(yīng)變致使應(yīng)力-應(yīng)變曲線向上彎曲，煤體試件中初始的微裂隙受壓作用產(chǎn)生閉合現(xiàn)象，煤體損傷被弱化；②線彈性階段。此階段應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系近似層直線線性關(guān)系，該階段約占整個(gè)上升階段的75%以上，煤體內(nèi)部的微孔洞和微裂隙在損傷弱化階段后已經(jīng)基本閉合，此時(shí)煤體的變形主要是由于煤體材料的壓縮引起的；③非彈性階段。該階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈下凹，是由于微裂紋出現(xiàn)伸長(zhǎng)、分叉和貫通等現(xiàn)象的相互影響和作用，煤體損傷處于開(kāi)始演化和穩(wěn)定發(fā)展段；④破壞階段。

4.3 動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)力學(xué)特性結(jié)果及分析

圖5為利用SHPB得到的不同沖擊速度下模擬爆破煤體相似材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出相似材料煤體在不同沖擊速度下的變形過(guò)程基本一致。其變形過(guò)程包括三階段，即非線性加載階段、塑性屈服階段和破壞階段。不同沖擊載荷下相似材料試件初始彈性模量、屈服強(qiáng)度與應(yīng)力峰值極限強(qiáng)度等均比靜態(tài)單軸載荷下提高，在實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度比靜態(tài)抗壓強(qiáng)度增加至2.24～3.17倍，初始彈性模量增加至12.4～24.3倍。以上動(dòng)態(tài)力學(xué)特性與靜態(tài)力學(xué)特性的不同，對(duì)于應(yīng)變率相似材料煤體具有敏感性，相關(guān)力學(xué)參數(shù)隨著應(yīng)變率增大而增大，體現(xiàn)出應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。

應(yīng)變/ε圖5 動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線

(2)動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型及數(shù)值計(jì)算

煤是含有大量孔隙-裂隙等初始損傷的準(zhǔn)脆性材料，其動(dòng)態(tài)力學(xué)特性具有應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，尤其在中高應(yīng)變率條件下表現(xiàn)更為顯著。因此，必須考慮應(yīng)變率效應(yīng)和損傷效應(yīng)的綜合作用和復(fù)合影響對(duì)于煤體動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行研究。有關(guān)煤體材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型和關(guān)系主要都基于ZWT模型，考慮煤體不均勻性、多孔性等特性，結(jié)合損傷演化理論而建立的。在SHPB實(shí)驗(yàn)和分析的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[17-21]對(duì)氣煤、無(wú)煙煤和1/3焦煤等建立了沖擊動(dòng)載荷下煤體動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，給出了煤體動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。由于本文最終確定的模擬爆破煤體相似材料物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與氣煤的靜力學(xué)特性相近，故利用針對(duì)松軟煤體建立的線性-損傷體-黏彈性模型(見(jiàn)圖6)和動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系對(duì)用于模擬煤體爆破的相似材料試件在不同速率的沖擊載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖6 線性-損傷體-黏彈性本構(gòu)模型

線性-損傷體-黏彈性模型方程是基于ZWT本構(gòu)方程，結(jié)合SHPB實(shí)驗(yàn)中氣煤(型煤和實(shí)體煤)動(dòng)態(tài)本構(gòu)曲線所表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變硬化和應(yīng)變率相關(guān)性，結(jié)合損傷演化理論，對(duì)ZWT本構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)：ZWT方程中表示應(yīng)變率無(wú)關(guān)的平衡態(tài)應(yīng)力的多項(xiàng)式部分簡(jiǎn)化為線性；低頻max well單元用簡(jiǎn)單彈簧代替；考慮損傷因素。建立了一個(gè)包含損傷效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)的煤體動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程

(3)

式中：Ea=E0+E1，表示兩個(gè)簡(jiǎn)單彈簧并聯(lián)后等效為一個(gè)簡(jiǎn)單彈簧的彈性模量；φ2為彈簧松弛時(shí)間；A、α、β為方程參數(shù)。

可以認(rèn)為煤體SHPB實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率為近似恒定，則式(3)得到

(4)

由于線性-損傷體-黏彈性本構(gòu)方程參數(shù)較多，本文用試算的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖7所示。其中，應(yīng)變率199s-1時(shí)，模擬爆破煤體試件的本構(gòu)方程模擬結(jié)果如圖7(a)所示，擬合參數(shù)：A為0.003 3，α為0.6，β為0.8，Ea為12MPa，E2為6.0GPa，φ2為6.20μs；應(yīng)變率261s-1時(shí)，模擬爆破煤體試件的本構(gòu)方程模擬結(jié)果如圖7(b)所示，擬合參數(shù)：A為0.001 1，α為0.6，β為0.8，Ea為12MPa，E2為4.9GPa，φ2為4.15μs；應(yīng)變率313s-1時(shí)，模擬爆破煤體試件的本構(gòu)方程模擬結(jié)果如圖7(c)所示，擬合參數(shù)：A為0.001 8，α為0.6，β為0.8，Ea為12MPa，E2為4.8GPa，φ2為4.03μs；應(yīng)變率345s-1時(shí)，模擬爆破煤體試件的本構(gòu)方程模擬結(jié)果如圖7(d)所示，擬合參數(shù)：A為0.001 0，α為0.6，β為0.7，Ea為12MPa，E2為6.8GPa，φ2為3.90μs。從圖7中可以看出，相似材料試樣的數(shù)值模擬曲線與實(shí)驗(yàn)曲線具有較好的一致性，說(shuō)明本文確定的模擬爆破煤體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性和該類真實(shí)煤體基本一致。

圖7 不同應(yīng)變率下應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)曲線與擬合曲線

5 結(jié)論

(1) 以煤體的物理性質(zhì)和分類為基礎(chǔ)，確定了用于模擬爆破煤體相似材料的定量和定性指標(biāo)，充分考慮煤體自身的孔隙、結(jié)構(gòu)和瓦斯賦存等物理特性和靜動(dòng)力學(xué)特性，得出模擬煤體爆破相似材料組成和配比關(guān)系，即模擬煤體爆破相似材料的組成為水泥+石膏+粉煤+沙子+云母碎+水和相應(yīng)配比為15∶2∶70.5∶3∶0.5∶9，相似比為1。

(2) 用于模擬煤體爆破的相似材料試件在沖擊載荷下初始彈性模量、屈服強(qiáng)度與應(yīng)力峰值極限強(qiáng)度等均比靜態(tài)單軸載荷下提高，說(shuō)明用于模擬煤體爆破的相似材料試件在沖擊載荷作用下相關(guān)力學(xué)參數(shù)具有應(yīng)變率強(qiáng)化的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1999：172-175.

[2] 趙寶友，王海東.深埋突出煤層深孔控制爆破致裂機(jī)理和防突效果研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22(10)：47-54.

[3] 褚懷保，王金星，楊小林，等.瓦斯氣體在煤體爆破損傷斷裂過(guò)程中的作用機(jī)理研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)， 2014， 31(3)：494-498.

[4] ZHU WC， GAI D， WEI CH， et al. High-pressure air blasting experiments on concrete and implications for enhanced coal gas drainage[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering，2016，3(47)：55-60.

[5] 穆朝民，齊娟.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[J].振動(dòng)與沖擊，2012，31(13)：58-61.

[6] 羅勇，沈兆武.深孔控制卸壓爆破機(jī)理和防突試驗(yàn)研究[J].力學(xué)季刊，2006，27(3)：469-475.

[7] 劉健，劉澤功，高魁，等.深孔爆破在綜放開(kāi)采堅(jiān)硬頂煤預(yù)先弱化和瓦斯抽采中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(S1)：3 361-3 367.

[8] 蔡峰，劉澤功，LUO Y.爆轟應(yīng)力波在高瓦斯煤層中的傳播和衰減特性[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(1)：110-114.

[9] 穆朝民，潘飛.煤體在爆炸荷載和地應(yīng)力耦合作用下裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬[J].高壓物理學(xué)報(bào)，2013，27(3)：403-410.

[10] 徐向宇，姚邦華，魏建平，等.煤層預(yù)裂爆破應(yīng)力波傳播規(guī)律及增透機(jī)理模擬研究[J].爆破，2016，33(2)：32-38.

[11] 湯靜，石必明.深孔預(yù)裂爆破增透技術(shù)在井筒揭煤中的應(yīng)用研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，36(2)：25-29.

[12] HU SY， FENG GR， REN XY， et al. Numerical study of gas—solid two-phase flow in a coal road way after blasting[J].Advanced Powder Technology，2016，5(24)：101-104.

[13] 于不凡.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000：410-412.

[14] 褚懷保.煤體爆破作用機(jī)理及試驗(yàn)研究[D].焦作：河南理工大學(xué)，2011.

[15] 張玉貴，張子敏，曹運(yùn)興.構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)與瓦斯突出[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(3)：281-284.

[16] 彭立世.用地質(zhì)觀點(diǎn)進(jìn)行瓦斯突出預(yù)測(cè)[J].煤礦安全，1985，16(12)：6-11.

[17] 張文清.沖擊載荷下松軟煤力學(xué)特性及對(duì)煤與瓦斯突出的影響[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2015.

[18] 單仁亮，程瑞強(qiáng)，徐慧玲.云駕嶺煤礦無(wú)煙煤的本構(gòu)特性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(S1)：4 658-4 662.

[19] 單仁亮，程瑞強(qiáng)，高文蛟.云駕嶺煤礦無(wú)煙煤的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(11)：2 258-2 263.

[20] 解北京.煤沖擊破壞動(dòng)力學(xué)特性及磁場(chǎng)變化特征實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2013.

[21] 付玉凱，解北京，王啟飛.煤的動(dòng)態(tài)力學(xué)本構(gòu)模型[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(10)：1 169-1 774.