褚怀保，杨小林，2，侯爱军，2，余永强，梁为民

(1.河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000;2.洛阳理工学院，河南 洛阳 471023)

从本质而言，煤体也属于岩石，煤体和岩体的最大不同在于煤体内含有瓦斯气体。在外部应力和瓦斯压力作用下，煤体变形和破坏在不同的作用阶段均受本体和结构有效应力的双重作用。且煤体内部裂隙更发育，强度也远低于常规岩石，因此，不能简单地将岩石爆破机理直接应用于煤体。而关于煤体爆破机理的相关理论和实验研究的报道很少，现有文献仅初步探讨了坚硬煤体中爆炸应力波传播和爆炸能量的转化及煤体爆破裂缝扩展规律等煤体爆破的基本特点［1-3］。目前的理论研究还远落后于工程实践，同时也制约了爆破技术在煤体中的应用和发展。爆炸应力波理论一直是工程爆破界的重大研究课题，掌握爆炸应力波的传播与衰减规律是了解受载介质动态应力场并进行爆破理论分析、计算及设计的基础。所以，对煤体中爆炸应力波进行实验测试，深入探讨煤体爆破作用机理，具有重要意义。

1 理论分析

1.1 煤体中爆炸应力波作用机理

炸药在煤体中爆炸后，将产生爆炸应力波和爆生气体，爆炸应力波作用先于爆生气体作用。爆破近区，爆轰波直接作用于孔壁形成爆炸冲击波，且爆炸冲击波的压力远高于煤体的动态抗压强度，煤体固体骨架发生变形破坏;孔壁产生初始裂隙的同时，部分原生裂隙被扩展，炮孔周围产生压缩粉碎区并形成爆炸空腔。粉碎区边界上，冲击波衰减为应力波，并以弹性波的形式向煤体内传播，产生的切向拉应力大于煤体的动抗拉强度，将使煤体产生拉伸破坏，形成与粉碎区贯通的径向裂缝，而后由于积聚的弹性变形能释放形成环向裂隙，且在压拉应力共同作用下造成煤体的剪切破坏。随着应力波的传播，应力波逐渐衰减为地震波，在远区煤体中产生爆破振动区。同时，爆炸应力波的扰动将使煤体中瓦斯的赋存状态发生改变，进而打破原生裂隙中瓦斯的力学平衡状态，非平衡状态的瓦斯压力场将在爆破作用的中后期与爆生气体准静态应力场叠加共同作用于已产生的裂隙内，使裂隙进一步扩展。

1.2 爆炸应力波作用下煤体的爆破断裂准则

煤体爆破作用机理是以岩石爆破理论和损伤力学为理论基础。岩石爆破理论认为［4］，岩石的爆破破坏是爆炸应力波的动作用和爆生气体的准静态作用共同作用的结果。当炸药在无限大的煤体中爆炸时，在煤体内部将产生爆炸冲击波作用下的粉碎区(近区)、爆炸应力波和爆生气体作用下的裂隙区(中区)以及爆炸地震波作用下产生的弹性振动区(远区)。为了简化，可以将冲击波的作用区近似为应力波作用的一部分，而忽略爆破近区;其次，由于瓦斯压力远小于爆炸应力波产生的压力，在研究煤体中爆炸应力波的作用时，可以忽略瓦斯压力对应力波传播的影响。所以，根据岩石中的爆炸作用机理，可得煤体在爆炸应力波作用下的损伤断裂准则。

(1)爆炸冲击波作用下，煤体产生强烈的压缩破坏，形成宏观裂隙区，因此，可采用动态抗压强度作为破坏准则，即

式中:p2为耦合装药时炸药爆轰作用在煤体上的初始压力;pc为爆轰波阵面的压力;σd为煤体动态抗压强度;ρ0D、ρ1(D'2+u1)和ρr0D2分别为炸药冲击阻抗、爆轰产物阻抗和煤体的冲击阻抗。

煤体［5-6］作为一种含有大量原始损伤的微观非均质体，由形状不同、大小不同的块状颗粒叠压而成，存在许多微孔洞、微裂隙以及颗粒胶结物，同时受节理、层理等软弱结构面的影响，即便煤体中炸药爆炸形成冲击波，冲击波也会迅速衰减，作用范围非常有限，故近似认为爆轰波与炮孔壁煤体的碰撞是弹性的，煤体中直接生成弹性应力波，进而按弹性波理论或声学近似理论确定煤体界面上的初始压力，根据声学近似理论可推得煤体中的初始压力为

式中:ρr0cp为声学近似理论条件下煤体的波阻抗，cp为煤体纵波波速。

(2)在爆炸应力波作用下，煤体往往表现为强脆性，可以采用Lematire等效应力概念定义的纯脆性损伤断裂准则［7］:当等效应力σe达到煤体的动态断裂应力σu时，煤体发生断裂，即σe≥σu。

考虑到瓦斯吸附的膨胀应力，根据有效应力原理，煤体骨架中任意一点的有效应力等于该点所受总应力σi减去孔隙膨胀应力，其中瓦斯吸附所产生的膨胀应力可以用下式计算［8］

因此，煤体所受有效应力可表示为σe=σi－σs=σi－αp，其中a、b均为瓦斯吸附常数;p为瓦斯压力，μ为煤体泊松比;ρ为密度，R为摩尔气体常数;T为绝对温度;V为摩尔体积;α=2aRTρ(1－2μ)ln(1+bp)/(3pV)为孔隙压力因数，且0≤α≤1。

2 模拟实验

通过煤体中爆炸应力波传播与衰减规律模拟实验，对模拟煤体中爆炸应力波进行实测，进而分析煤体中爆炸应力波传播与衰减规律、爆炸应力波波形特点及对煤体的作用机理。

2.1 实验方法

根据文献［9］，配置3类煤体试块进行室内煤体内部爆破作用实验，试块材料质量配比及物理力学性能参数如表1所示，表中w1∶w2∶w3∶w4∶w5∶w6∶w7为水泥、沙子、石膏、水、珍珠岩、发泡剂和云母碎的质量配比，ρ为密度，c为波速，φ为孔隙率，σ为单轴强度，E为弹性模量。其中Ⅰ、Ⅱ类煤体各制作试块3块，Ⅲ类煤体制作2块，试块尺寸为500mm×500mm×400mm，人工搅拌，在模板中配以小型振动棒振动捣固成形，人工养护28 d。第Ⅲ类配比中沙子替换为碎煤，碎煤过0.6 mm筛;云母碎的加入量以试块骨料质量为参照。在试块中间预留直径为16 mm的装药孔，孔深分别为120、140、160、180和200 mm，装2.3 g的黑索金炸药(10%颗粒状石蜡钝化的黑索金，以尽量保证实验用炸药与实践工程中煤体爆破用炸药性能相近)，集中装药，用湿润黄土填塞，引火药头起爆。

应变砖尺寸为20 mm×20 mm×20 mm，材料及质量配比与被测试块的材料和质量配比相同，在养护室养护7 d后使用，用AB环氧胶作防潮层和粘结剂，经防水绝缘处理后浇筑于试块中的设计位置。应变片采用浙江黄岩测试仪器厂生产的型号为BX120-3BA和BX120-3AA的应变片，每个试块埋设4个应变砖，应变砖布置在药包中心水平位置的对角线上，为准确测试到爆炸应力波波形，应变砖分布在应力波作用区，距离药包中心的距离分别为50、80、130、200 mm。爆炸应力波采集仪器为USB8516，采集后用DasView2.0软件进行分析。为减少边界效应对爆破效果的影响，爆破时采用厚度为20 mm的钢板对试块进行夹制，并在试块与钢板的缝隙处充填细沙进行耦合。

表1 各组试块材料质量配比及物理力学性能参数Table 1 M aterial ratios for testmodels and their physical and mechanical properties parameters

2.2 实验结果

对3类煤体的14个试块的56个测点的径向和切向爆炸应力波进行了测试，采集到84个有效波形，由于应变砖制作、应变片防潮处理、仪器参数设置等原因，造成28个波形无效。可直接用DasView2.0软件导出波形图像，为了便于进行分析，对实测波形图进行数据输出，并截取其中波形特征明显部位用EXCEL输出，代表性波形如图1所示。对采集到的有效波形，读取每个测点的径向和切向应变峰值，对于同一类模拟煤体的同一位置测到的应变峰值，取平均值作为最终的实验数据，各测点爆炸应变波峰值如表2所示，εr，max为径向应变峰值，εθ，max为切向应变峰值。

由各测点应变峰值εmax乘以煤体动态弹性模量Ed得到各测点的动态应力峰值。以Ⅱ-3类煤体为例，将煤体和炸药参数带入式(2)计算出初始应力，对实验数据进行回归，取置信因数为0.9，得到Ⅱ-3类煤体中爆炸应 力波 衰减 规律 为σr=，σθ=3。其余 4 类煤体的径向应力波衰减指数分别为 2.18、2.34、2.58、3.18，本实验条件下应力波衰减因数基本符合α=3－μ/(1－μ)。且，μd为煤体动态泊松比。

图1 爆炸应变波典型波形Fig.1 Explosive strain waveforms

表2 不同位置处的爆炸应变峰值Table 2 Peak strains of explosion strain waves at different positions

2.2 实验结果分析

(1)从图1可以看出，各测点处一般形成2段应力波形，与文献［10-12］测试结果类似。从测点第1段完整应力波波形可以看出，测点首先承受爆炸应力波的压应力，而后承受拉应力;应力波压缩相的作用时间较拉伸相的作用时间短，且压缩相作用时间随到炮孔中心距离的增加而延长。

炮孔中装药爆炸后，爆炸能对药包周围试块进行加载，爆轰波直接入射试块介质产生的扰动在试块中传播引起第1段由压缩相和拉伸相组成的完整的平滑应力波形。第2段波形的形成是爆炸压缩应力波、发射应力波、爆生气体和瓦斯气体准静态应力场共同作用的结果，波形复杂。波形图显示，压缩相的作用时间为40～50μs，拉伸相作用时间基本为100μs以上。

(2)从表2和应变分析可以看出，煤体中爆炸应力波衰减速度较一般岩石中大，实验条件下，模拟煤体中爆炸应力波衰减因数基本符合α=3－μ/(1－μ)，应力波作用范围减小。

一般岩石的爆炸应力波衰减指数为α=2－μ/(1－μ)(μ为煤体的泊松比，0.14～0.30)，实验条件下，模拟煤体中爆炸应力波衰减因数基本符合α=3－μ/(1－μ)，也就是媒体中应力波衰减速度较一般岩石中大。煤体内存在许多微孔洞、微裂隙以及颗粒胶结物，且节理、层理等软弱结构面更发育，而应力波的衰减与孔隙度具有良好的线性关系，所以煤体中应力波的衰减速度较一般岩石中大。煤体作为一种较弱的脆性介质，在爆炸载荷作用下极易形成粉碎区而消耗大量的能量，致使爆炸应力波形成裂隙区的能量降低，不利于初始新裂隙的形成，最终也影响爆生气体后期的楔入作用。

(3)煤体中爆炸应力波的测试受煤体物理力学性能和结构特征、实验设备和实验技术等因素影响，煤体中爆炸应力波测试难度增大。

对3类煤体的14个试块的56个测点的径向和切向爆炸应力波进行测试，采集到84个有效波形，28个无效波形。药包爆炸在爆破有效作用区范围内激起的爆炸应力波，具有频带宽、上限频率高以及幅值变化大的特点。所以要求测试系统有较好的频响性能，以保证测试到的波形不发生畸变甚至采集不到。从本次实验测试结果以及爆破后实际观察应变砖和应变片的破坏情况看，产生28个无效波形的主要原因是:测试系统对部分爆炸应力波的频响不够;应变砖制作过程中应变片的粘贴、防潮以及应变砖由于制作养护等因素影响导致的与大试块之间波阻抗匹配和刚度匹配存在差异。

3结论

在岩石爆破损伤断裂理论的基础上，对煤体中爆炸应力波作用机理及爆炸应力波作用下损伤断裂准则进行了分析，并设计了模拟煤体爆炸应力波测试实验，通过综合分析得出以下结论:(1)爆炸冲击波作用下，煤体被强烈压缩破坏而形成宏观裂隙区，可采用动态抗压强度作为破坏准则;在爆炸应力波作用下，考虑瓦斯压力作用，以等效应力σe达到煤体的动态断裂应力σu为断裂准则。(2)在本实验条件下，煤体中的爆炸应变波波形包含了2段及以上的波形。在测点初始时刻形成的第1段完整应力波中，测点首先承受爆炸应力波的压应力，而后承受拉应力;在作用时间上，应力波压缩相的作用时间较拉伸相的作用时间短，且压缩相作用时间随到炮孔中心距离的增加而延长。煤体中爆炸应力波衰减速度更快，本实验条件下应力波衰减因数基本符合α=3－μ/(1－μ)。在进行煤体中爆炸应力波测试时应在炸药选择，应变砖制作和与试块的波阻抗、刚度匹配以及测试系统选择上谨慎处理，以期获得良好的测试效果。(3)煤体中爆炸应力波的主要作用是在煤体中形成少量的新生裂隙、激活煤体中原生裂隙扩展，并打破煤体中瓦斯气体的平衡状态，使瓦斯气体参与爆生气体对煤体的作用过程。

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