基于光滑粒子流方法的雙向聚能張拉爆破數(shù)值模擬

朱淳，胡南翔，張曉虎，何滿潮，陶志剛，尹乾，孟慶祥

(1.河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京，210098；2.中國礦業(yè)大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京，100083；3.中國科學院武漢巖土力學研究所，巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北武漢，430071；4.貴州工程應用技術學院土木建筑工程學院，貴州畢節(jié)，551700)

在采礦和巖土工程中，普遍存在爆破開挖巖體和保護圍巖完整性這一相互矛盾但又必須解決的問題。鉆孔內的炸藥不僅會對預開挖的巖體進行爆破，而且不可避免地會對圍巖造成損傷和破壞。為了最大程度地降低爆破過程對圍巖的損傷和破壞，便產生了定向爆破技術。其中，聚能爆破產生的沖擊射流具有良好方向性，被廣泛應用于各種地下工程中[1-3]。目前聚能控制爆破可歸納為2類[4]：

1)對孔壁施加不均布爆炸荷載，使得孔壁在預定形成斷面的部位優(yōu)先形成裂紋[5]；

2)在孔壁斷面優(yōu)先形成某種形狀的缺口，使得裂紋在缺口處優(yōu)先形成并發(fā)展[6-7]。

國內外學者們大量研究了巖石材料在爆炸荷載作用下的動態(tài)裂紋擴展行為，XU 等[8]運用有限元和離散元相耦合的方法(CCDM)研究了爆炸粒子在固體中的運動行為，發(fā)現(xiàn)爆炸過程存在2個粒子運動區(qū)域，即停滯區(qū)和運動區(qū)，這些區(qū)域會隨著粒子速度改變而發(fā)生變化；ZHU 等[9-10]利用AUTO2D 程序模擬了圓柱體巖石中心爆炸過程中的裂紋擴張行為，發(fā)現(xiàn)了爆破孔周圍會形成由剪應力導致的破碎區(qū)，而拉應力控制著徑向裂紋的擴展，在距離邊界較近的地方會因為應力波的反射形成環(huán)形裂紋；MA 等[11]利用LS-DYNA 軟件模擬了爆破誘發(fā)巖石裂紋擴展的過程，發(fā)現(xiàn)加載速率對裂紋的形成具有顯著影響，聚能裝置可以較好地控制裂紋的擴展行為；CHO 等[12]通過實驗和數(shù)值模擬研究了聚能爆破過程中裂紋的動力擴展行為，并分析了引導孔對裂紋擴展行為的影響；WEI 等[13]運用有限單元方法研究了爆破作用下巖石的損傷發(fā)展過程；NING等[14]運用非連續(xù)變形分析方法(DDA)模擬了爆炸過程塊體的運動行為；DEHGHAN 等[15]利用ANSYS AUTODYN軟件模擬了應力波導致的裂紋擴展過程；ONEDERRA等[16]利用Hybrid Stress Blasting Model 成功地預測了巖石在爆破過程中損傷區(qū)域的邊界和形狀。ZHU等[17]利用多物理場模型模擬了煤柱爆破損傷和瓦斯氣體流動之間的相互作用過程；YILMAZ 等[18]運用三維有限差分方法模擬了巖體在爆破荷載下的力學行為，研究了不同應變率以及加載速率下?lián)p傷區(qū)域的變化規(guī)律；郭德勇等[19-21]在對雙孔聚能爆破過程中的爆炸應力波疊加效應基礎上，采用LS-DYNA 軟件構建了雙孔聚能爆破數(shù)值分析模型，研究了爆炸應力波的傳播特征以及裂紋擴展機制；梁洪達等[22]采用數(shù)值軟件建立了雙向張拉聚能爆破模型，研究了不同聚能爆破模式下應力波的傳播和裂紋開裂規(guī)律，發(fā)現(xiàn)聯(lián)孔爆破的裂紋擴展長度更長；鄧永興等[23]運用LS-DYNA軟件模擬了螺旋管聚能藥包的破巖機理，證明了螺旋管藥包具有良好的工程應用效果；吳波等[24]運用LSDYNA 軟件對橢圓雙極性聚能爆破結構進行了計算優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)藥罩厚度為0.15 cm時，破巖效果最好；WANG 等[25]運用有限元和離散元相耦合的方法研究了含節(jié)理巖體在爆炸荷載作用下的裂紋擴展行為。上述模擬巖石爆破過程的數(shù)值方法可以歸結為3種，分別是：

1)離散單元法(DEM)[8]；

2)基于連續(xù)介質假說的有限差分方法(FDM)和有限單元法(FEM)[9-24]；

3)離散元和有限元相結合的FEM-DEM方法[25]。

基于連續(xù)介質假說的方法更偏向于解決小變形問題，對于斷裂、破壞和爆炸等大變形過程的模擬不夠準確。離散單元方法適合解決非連續(xù)問題，但是模型的物理參數(shù)，如節(jié)理分布以及滑移準則等在實際情況中較難獲得。近年來，一種無網格的光滑粒子流體動力學方法(SPH)可以處理固體和流體的大變形破壞問題，被迅速應用到各種大變形破壞過程的模擬中。光滑粒子流體動力學方法的基本思想是將計算區(qū)域內物質離散為一系列具有質量、速度和能量的粒子，然后通過核函數(shù)進行估值，從而求得不同時刻和位置時的各種物理力學量。由于這種方法不存在網格劃分的過程，避免了在大變形過程中網格所產生的扭曲纏繞問題，因此，該方法存在較大優(yōu)勢。

隨著第三次礦業(yè)科學技術變革在中國的發(fā)生，何滿潮等[26-30]提出了切頂短臂梁理論，該理論的三大關鍵技術之一便是聚能爆破切頂技術。目前雙向聚能爆破方法因為成本較高，難以將其大規(guī)模推廣。為此，本文作者提出采用光滑粒子流方法研究雙向聚能張拉爆破技術，通過模擬聚能爆破中裂紋萌生到擴展的過程，探究在60°，90°和150°聚能角度下聚能爆破裂紋的擴展特征，并與現(xiàn)場工程的爆破效果進行對比，證明了此方法的實用性和可行性，為巷道和隧道工程中巖體的定向爆破開挖提供了可靠的參考依據(jù)。

1 光滑粒子流方法(SPH method)

SPH 方法的核心是插值理論。在插值理論的基礎上，首先，采用核函數(shù)近似方法將函數(shù)及其梯度用核函數(shù)的積分表示，把微分形式的連續(xù)體方程轉化為積分形式的方程；隨后，采用離子近似方法將連續(xù)形式的積分方程轉化為離散形式的方程[31]。它通過一系列均勻分布、攜帶各種物理量的光滑粒子來求解各種邊界下的偏微分方程，各質點的相互作用借助插值函數(shù)來描述，這些粒子之間不需要網格連接，而是某一粒子和周圍2h范圍內的粒子依據(jù)核函數(shù)估計值來發(fā)生作用，空間中任意域內質點r處的核估計值f(x)可表示為

式中：h為SPH粒子光滑長度，是核寬度的一種度量，決定核函數(shù)的區(qū)域影響半徑；dV(r′)為r′位置粒子的體積；W(|r-r′|,h)為核函數(shù)，通常使用輔助函數(shù)θ(x)來進行定義，即

式中：d為空間維數(shù)；x=|r-r′|，為粒子間的距離，r粒子的矢量位置。SPH中最常用的光滑核函數(shù)是三次B樣條曲線，即

式中：θ(u)為光滑核函數(shù)；D為歸一化常量，由空間維數(shù)確定；

取初始時刻粒子α的坐標為x，它是初始坐標的函數(shù)，即物體運動的Lagrange描述為

在SPH 方法中，質量守恒方程、動量方程以及能量方程可表示如下：

式中：ρ為密度；m為質量；v為速度；E為能量；σ為應力張量；xi為第i個粒子的位置向量；α1和β1為空間指標；rij為空間2 個粒子i和j之間的距離；W為核函數(shù)；Aij為關于核函數(shù)的一個算子。

從上述方程可知，SPH 方法是一種純拉格朗日方法，適用于求解高速碰撞等動態(tài)大變形問題。在SPH 方法中，求解精度雖然依賴于質點的排列規(guī)則度[32]，但相對于其他有網格的計算方法，對質點的排列要求遠低于對網格的要求。因此，SPH方法可以避免網格大變形導致的精度損失問題，同時它可以處理不同介質邊界的情況。

2 模型計算參數(shù)的確定

2.1 花崗巖模型參數(shù)

在本次模擬中，煤礦頂板考慮采用花崗巖替代常見的砂巖進行計算。雖然在煤礦中頂板多為砂巖，但是對于賦存條件好、較完整的砂巖頂板，其彈性模量、抗拉強度、剪切強度、抗壓強度等與花崗巖的相關參數(shù)較接近。此外，砂巖的JH2模型對應的參數(shù)獲得較困難，而花崗巖的JH2模型參數(shù)有較多的文獻可以參考。表1所示為花崗巖基本力學參數(shù)。

表1 花崗巖基本力學參數(shù)Table 1 Basic mechanical parameters of granite

為了研究花崗巖在動態(tài)荷載下的應力以及裂紋擴展規(guī)律，利用Johnson-Holmquist 模型研究爆炸荷載作用下花崗巖聚能爆破過程的裂紋擴展過程。Johnson-Holmquist 模型適用于短脈沖強動載的條件，可模擬大應變、高應變率和高壓條件下的損傷破壞問題。炸藥的爆破過程是一種短脈沖、高強度加載問題，同時爆炸過程中也存在大應變、高應變率和高壓條件的損傷破壞，因此，本文采用JH2模型結合光滑粒子流方法進行雙向聚能張拉爆破過程的研究。另外JH2模型本身自帶損傷失效模型，可方便直觀地研究裂紋的擴展過程，JH2模型的相關參數(shù)詳見文獻[33]。

2.2 炸藥參數(shù)

采用動力分析軟件LS-DYNA進行聚能預裂爆破二維數(shù)值模擬，炸藥采用2號巖石乳化炸藥，炸藥材料模型采用MAT_HIGH_EXPLO_SIVE_BURN 材料模型和JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程[34]。

含能量形式的JWL-EOS方程如下：

式中：PJWL和V分別為爆轟產物的壓力和相對比容；常數(shù)A和B分別為326 GPa 和5.8 GPa；常數(shù)R1，R2和w分別為5.81，1.56和0.57；能量密度E0為2.67×106kJ/m3。

2.3 聚能管材料參數(shù)

聚能材料選用PVC 管材，本構方程選用塑性隨動模型[34]，其力學參數(shù)如表2所示。塑性隨動模型是各向同性、隨動硬化或各向同性和隨動硬化的混合模型，其與應變率相關，可考慮失效。通過在0(僅隨動硬化)和1(僅各向同性硬化)間調整硬化參數(shù)來選擇各向同性或隨動硬化。應變率采用Cowper-Symonds 模型，選用與應變率有關的因數(shù)σY表示屈服應力，如式(10)所示。

表2 聚能管材力學參數(shù)表Table 2 Mechanical parameter of cumulative pipe

式中：p和C為與應變率有關的常數(shù)；βh為硬化參數(shù)；σ0為初始屈服強度；EP為塑性硬化模量；εeffP為有效塑性應變。

2.4 聚能爆破物理模型

2.4.1 物理模型

雙向聚能張拉爆破技術利用聚能裝置在設定方向上產生張拉作用，致使巖石產生定向破裂。當炸藥引爆后，雙向聚能裝置對爆轟產物產生瞬時抑制作用，爆轟過程產生的高溫、高壓和高速氣體優(yōu)先從聚能孔釋放，促使徑向初始裂紋萌生，氣體進入到裂紋中，形成強有力的“氣楔”。一方面，“氣楔”會導致裂紋尖端不斷延伸，在垂直聚能方向上產生反射拉應力集中，促使巖體沿設定方向張拉開裂；另一方面，聚能管對爆轟氣體具有一定的抑制作用，減少了爆轟產物對孔壁周邊巖體的破壞，抑制了非聚能方向裂紋的擴展。當使用雙向聚能張拉裝置進行聯(lián)孔爆破或間隔爆破時，爆破應力波將在爆孔間產生疊加應力場，提高爆破孔間的拉張應力。若爆孔間距適當，爆孔間將形成光滑的定向控制破裂面，實現(xiàn)精確控制爆破的目的。圖1給出了雙向聚能張拉爆破原理。

2.4.2 雙向聚能張拉爆破裂紋開裂準則

根據(jù)斷裂力學理論，當裂縫端部應力強度因子KI大于巖石的斷裂韌度KIC時開始起裂。圖1(b)所示為雙向聚能張拉爆破情況下的斷裂力學模型，裂紋擴展過程中其尖端處的應力強度因子KI[34]為

圖1 雙向聚能爆破原理Fig.1 Principle of bidirectional cumulative blasting

式中：a0為初始聚能方向的裂紋深度；r為藥卷半徑；P為炸藥粒子充滿爆破孔時的壓力；F為應力強度因子修正系數(shù)，F(xiàn)隨裂紋擴展長度增大而增大，當a較小時，F(xiàn)變化較大，當a遠遠大于r時，F(xiàn)則變化較小且趨近于1。當聚能射流接觸初始裂紋尖端，即a=a0時，裂紋尖端的應力強度因子仍然采用式(11)計算。

當以KIC表示巖石的斷裂韌度時，將應力強度因子的公式稍作變形，即可得到裂紋起裂及擴展的準則為

當a=a0時，P的數(shù)值即為聚能方向張裂紋初始起裂對應的爆炸氣體應滿足的壓力；當a≥a0時，裂紋起裂以后，后續(xù)爆炸氣體將因為“氣楔”作用進一步迫使裂紋擴展，而裂紋擴展導致爆炸氣體壓力下降，為保證裂紋持續(xù)擴展，爆炸氣體瞬時壓力需滿足以上的起裂準則。同時，在非聚能方向上，a0=0，式(12)去掉分子中的第2 項即可得到在非聚能方向裂紋起裂的準則為

對比式(12)和(13)可知，非聚能方向上裂紋起裂的壓力要大于聚能方向上的裂紋起裂壓力。首先，爆生氣體的射流侵徹作用有利于裂紋在聚能方向上優(yōu)先發(fā)育，從而產生定向裂紋；其次，聚能方向裂紋的起裂壓力相比非聚能方向的要??；最后，聚能裝置在一定程度上抑制了非聚能方向上裂紋的萌生擴展。上述3點對于提高定向爆破的精度和控制圍巖完整性具有良好的技術支撐作用。

3 不同聚能角度下爆破過程模擬

基于以上力學參數(shù)，結合現(xiàn)場聚能爆破的要求，利用LS-DYNA軟件中的SPH求解器，模擬在3種聚能角度α(60°，90°，150°)，β為24°情況下單孔雙向張拉聚能爆破的過程(α及β的取值示意如圖1所示)，再現(xiàn)了聚能爆破過程中等效應力以及裂紋擴展的演化過程。

單孔情況下，針對聚能角度小于180°時定向開裂效果的相關研究較少，而這種角度下對于某些具有明顯爆破開挖邊界要求的工程具有非常重要的意義，同樣煤礦頂板也會有高度起伏的情況，上述情況均需考慮聚能角度小于180°情況下的雙向聚能張拉爆破的效果，因此本文α選用60°，90°和150°，考慮了大部分頂板的起伏極端情況，具有明顯的工程意義。

本文作者在模擬β處于24°～160°之間單孔開裂過程的研究中發(fā)現(xiàn)，β越大，裂紋的線性越差，在聚能尖端產生分叉裂紋的概率越高，這種情況與實際情況下的爆破開裂效果不符。當β≤24°的情況下，可在聚能方向上生成定向單一裂紋，與實際較符合。β越小，定向開裂效果越好，但是對于光滑粒子流方法中粒子的配置要求更高，難以實現(xiàn)，因此本文β取24°，可方便、精準地模擬雙向聚能張拉爆破的定向開裂過程。

以α=60°情況下雙向拉伸聚能爆破過程為例，介紹其損傷裂紋擴展、粒子運動以及等效應力演化的過程。圖2所示為α=60°情況下雙向拉伸聚能爆破過程中巖體損傷裂紋演變過程云圖。由圖2可知，在爆破時間為0.02 ms 時，巨大的爆破壓力均勻施加在聚能部位以外的巖石表面，致使此環(huán)狀區(qū)域的巖石進入剪切破壞階段，形成破碎區(qū)，同時在2個聚能方向形成2個較深的初始損傷裂紋。在0.03 ms 時，此2 個方向的裂紋進一步向深部發(fā)展，同時在338.1°(此角度為從爆孔中心水平向右出發(fā)的射線逆時針轉動到裂紋位置所旋轉的角度，后文中的裂紋角度均按此計算)方向也產生1 個裂紋。隨著爆炸波不斷由爆孔向外傳播，在0.13 ms 時，這3 條裂紋幾乎同時開裂延伸到距離爆孔中心400 mm處。在0.20 ms時，此3條裂紋基本上完成貫通。在0.50 ms 時，267.0°方向形成了1個較短的裂紋，同時爆孔局部區(qū)域的損傷發(fā)展幾乎停滯，裂紋寬度也開始加大，同時等效應力也不斷減小甚至消失。

圖2 聚能角度為60°時聚能爆破巖體損傷裂紋演變過程云圖Fig.2 Cloud diagram of damage cracks evolution in rock when cumulative angle is 60°

圖3所示為α=60°時粒子局部運動的演變過程云圖。由圖3可以看出，在0.03 ms 之前，巖石基質裂紋損傷主要是因為爆炸波對聚能方向巖體的張拉以及對非聚能方向巖體的剪切作用；從0.20 ms 開始，炸藥粒子已經開始進入到聚能管的聚能孔內；在0.50 ms 時，炸藥粒子通過損傷裂紋進入到巖石基質中，此時巖石的損傷裂縫寬度也相應增加。這說明在聚能爆炸后期，炸藥粒子或爆生氣體會進入到損傷裂紋中，進一步促進裂紋在寬度和長度方向上擴展，這種加速致裂的作用稱為爆生氣體或炸藥粒子的“氣楔”作用。

圖3 聚能角度為60°時聚能爆破粒子局部演變過程云圖Fig.3 Cloud diagram of local particles evolution process when cumulative angle is 60°

圖4所示為聚能角度為60°時聚能爆破巖體等效應力演變過程云圖。由圖4可以看出等效應力最大值始終發(fā)生在爆破孔周圍附近，在0.02 ms 時，高壓爆炸氣體在爆破孔周圍形成了高應力帶，最高約為1.72 GPa。巖石介質在聚能方向形成了高應力集中點，這些點周圍的巖石介質因為受到聚能的侵徹作用萌生了初始裂紋。隨后爆炸波向周邊擴散，在0.03 ms時，119.8°和181.5°這2個聚能方向上的2個初始裂紋已經開始明顯擴展。同時，由于裂紋擴展使得能量持續(xù)釋放，高應力帶也隨即減弱，在0.13 ms 時338.1°方向出現(xiàn)了部分低應力帶。隨著爆炸應力波繼續(xù)傳播，從0.20 ms 開始低應力帶不斷伸長，且寬度也隨之增加。

圖4 聚能角度為60°時聚能爆破巖體等效應力演變過程云圖Fig.4 Cloud diagram of von mises stress evolution in rock when cumulative angle is 60°

圖5所示為α=60°情況下聚能爆破過程中巖體產生裂紋的長度和角度關系曲線。由圖5可以看出，3 條主裂紋的初始方向分別發(fā)生在2 個聚能方向(119.8°和181.5°)和非聚能方向(338.1°)的位置。在3 個主裂紋貫通時，119.8°方向裂紋向103.9°方向發(fā)生了偏移，偏移量為15.9°，同時181.5°裂紋向200.2°方向發(fā)生了偏移，偏移量為18.7°，而338.1°方向裂紋則偏移至339.1°，偏移量僅為1.0°。

圖5 聚能角度為60°時聚能爆破巖體裂紋的擴展長度與角度關系曲線Fig.5 Relation ship curve between crack extension length and angle when cumulative angle is 60°

圖6(a)和6(b)所示分別為裂紋擴展長度及角度隨時間的變化曲線。由圖6(a)可知，在0～0.20 ms之間，3 條主裂紋擴展速度趨于一致，達到了2.85 km/s。在0.20 ms 以后，3 條主裂紋的擴展速度大幅度降低，平均速度只有0.16 km/s，僅為初始擴展速度的5.6%。最終，3條主裂紋均實現(xiàn)了貫通，而267.0°方向的次生裂紋長度只發(fā)展至111 mm。由圖6(b)可知，0.20 ms 后裂紋的開裂方向基本保持穩(wěn)定，說明雙向拉伸聚能爆破對于定向裂紋的形成具有較好的控制效果。

圖6 聚能角度為60°時聚能爆破巖體裂紋的擴展特征曲線Fig.6 Propagation characteristic curve of crack in rock mass when cumulative angle is 60°

α=90°及α=150°情況下?lián)p傷裂紋的發(fā)展規(guī)律、炸藥粒子的運動規(guī)律以及等效應力演化規(guī)律與α=60°情況下基本一致，3 種聚能角度下的裂紋擴展特征如表3所示。

由表3可知，不同聚能角度爆破下，在聚能方向上均有裂紋產生、擴展，并最終實現(xiàn)了貫通。聚能方向上裂紋的偏移量隨著聚能角度增大而降低，α=60°時，聚能方向(119.8°和181.5°)的平均偏移量為17.30°，α=90°時，聚能方向(89.3°和178.8°)的平均偏移量為10.75°，α=150°時，聚能方向(91.5°和237.9°)的平均偏移量為6.55°。因此，隨著聚能角度越大，雙向聚能張拉爆破的精度相對越好?？傮w而言，在雙向聚能張拉爆破后期，巖體裂紋均能沿著穩(wěn)定方向擴展，而且對爆孔周圍產生較小的損傷。

表3 不同聚能角度下裂紋擴展特征對比Table 3 Comparison of crack propagation characteristics under different cumulative angles

聚能方向裂紋的萌生是由于爆炸所產生高速射流粒子對接觸圍巖產生的侵蝕作用，而裂紋的進一步擴展，則是爆生氣體在裂縫內的不斷深入，以“氣楔”作用的形式推動裂紋的發(fā)展。另外，在3種聚能角度下，均在聚能角平分線的反方向上出現(xiàn)了裂紋萌生和擴展，這是因為高壓氣體不斷推進聚能方向裂紋擴展，也在相鄰的圍巖上施加了作用力，如圖7所示，作用力分別為F1和F2，在聚能孔周邊區(qū)域，必然會形成2 個相反方向的力偶，使得聚能孔周邊區(qū)域以拉應力為主，而圍巖的外側邊界則以壓應力為主。隨著聚能方向裂紋不斷擴展，也會導致更多氣體進入裂紋，同時F1和F2隨之升高，最終聚能孔附近的拉應力不斷變大，當超過圍巖抗拉強度時，必然會形成開裂。

圖7 非聚能方向開裂示意圖Fig.7 Sketch map for cracking in non-cumulative direction

若F1和F2大小、方向和作用位置隨著裂紋的開裂和偏移而變化較小，則在2個聚能方向角平分線的負方向與聚能孔的交點處附近必然拉應力最大。若此拉應力超過圍巖的抗拉強度，則最終會在這個交點位置產生開裂，從而形成唯一1 條與2個聚能方向角平分線相反方向的伴生裂紋。

若F1和F2大小、方向和作用位置隨著裂紋的開裂和偏移而變化較大，則裂紋不僅會在2個聚能方向角平分線的負方向與聚能孔的交點處附近生成，而且聚能孔附近的最大拉應力點的位置也會隨著F1和F2的變化發(fā)生移動，裂紋也會在這些超出圍巖抗拉強度的最大拉應力點生成，如在模擬90°聚能方向的爆破過程中，在另外1 個非聚能方向(285.1°方向)上也出現(xiàn)了裂紋擴展的現(xiàn)象。

4 現(xiàn)場應用

選取中煤集團姚橋煤礦某個工作面進行煤礦頂板定向預裂的現(xiàn)場試驗，該工作面凈高為2.8 m，采用走向長壁放頂煤、頂板全部垮落的采煤方法，姚橋煤礦試驗現(xiàn)場地質參數(shù)如表4所示。

表4 姚橋煤礦試驗現(xiàn)場地質參數(shù)Table 4 Geological parameters of experimental site in Yaoqiao coal mine

綜合考慮各個巖層的巖性及厚度，根據(jù)理論研究和綜合現(xiàn)場爆破材料情況，現(xiàn)場采用乳化炸藥進行定向預裂爆破，以此探究60°，90°和150°聚能角度下單孔聚能張拉爆破的裂紋擴展特征。

由于聚能爆破后較難直接觀測到聚能方向裂縫的完整形貌，因此現(xiàn)場實驗中通常采用CXK6礦用鉆孔窺視儀對聚能爆破裂縫進行監(jiān)測，圖8給出了不同角度單孔聚能爆破的裂縫成像效果圖。由圖8可知：在聚能爆破之后，在相應的聚能方向上生成了連續(xù)的裂縫，即生成了連續(xù)的破裂面，因為直接頂為極易垮落的泥巖，強度較低，所以聚能方向生成的裂縫呈曲線，且不光滑。60°和90°聚能爆破產生的裂縫走向較不規(guī)則，而150°聚能爆破產生的裂縫走向較規(guī)則，為光滑平直?？傮w而言，60°，90°和150°單孔聚能爆破均在聚能方向產生了定向裂縫，驗證了雙向聚能張拉爆破在不同聚能角度下良好的定向成縫效果。

圖8 現(xiàn)場實驗雙向拉伸聚能爆破鉆孔內裂縫擴展圖Fig.8 Crack propagation in borehole of bidirectional cumulative tension blasting in field experiment

5 結論

1)在定向開裂過程中，炸藥粒子以“氣楔”作用的形式促進了裂紋在寬度和長度上的擴展。聚能角度越小，聚能方向裂紋擴展的偏移角越大，雙向聚能張拉爆破的精度越差。

2)在雙向拉伸聚能爆破后期，巖體裂紋均能沿著穩(wěn)定方向進行擴展，而且對爆孔周圍產生較小損傷。雖然存在次生裂紋，但是并不影響定向裂紋的形成和發(fā)展，證明了雙向拉伸聚能爆破具有良好的定向預裂效果。

3)聚能角度為60°，90°和150°時，單孔聚能爆破均在聚能方向產生了定向裂縫，驗證了雙向聚能張拉爆破在不同聚能角度下的成縫效果，證明了雙向聚能張拉爆破的可行性和實用性。