王九紅，陳大勇，吳占偉，郭 英，鄭晨陽

(1.兗礦能源(鄂爾多斯)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

炸藥的爆炸作用促使礦體產(chǎn)生裂隙，從而實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力改變、強(qiáng)度減弱、孔隙率提高等工程目的[1]。隨著淺埋煤層的不斷開采直至枯竭，深部煤層開采勢在必行。在此情況下，深孔爆破得到了廣泛應(yīng)用，如超前工作面厚硬頂板深孔爆破，以降低厚硬頂板整體強(qiáng)度，減小頂板破斷距及其破斷動載。隨著開采深度的不斷增加，圍巖所受的地應(yīng)力越來越大，深孔爆破時炮孔承受的圍壓作用也越來越大，并且無爆破自由面。爆破裂紋的空間形態(tài)是爆破設(shè)計的依據(jù)，但受限于爆炸過程的復(fù)雜性，目前爆破裂紋擴(kuò)展范圍還主要參考無圍壓條件下的爆破參數(shù)確定方法，仍存在很大的盲目性。

圍壓作用對深孔爆破效果的影響引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛興趣，并得到了一些研究成果。胡楠[2]研究發(fā)現(xiàn)隨著圍巖應(yīng)力的增加，巖石的損傷破壞程度不斷提高，且當(dāng)煤層應(yīng)力處于10～40 MPa之間時，隨著地應(yīng)力增大，其破壞類型逐漸由拉伸破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)化，進(jìn)而抑制爆破產(chǎn)生主裂紋數(shù)目和寬度，表現(xiàn)為巖石不易破壞，張西良等[3]、黃文堯等[4]、NING等[5]、穆朝民等[6]、岳萬友等[7]、陳明等[8]也證實(shí)了該基本結(jié)論。魏晨慧等[9]通過建立力學(xué)模型指出地應(yīng)力的大小對裂紋的擴(kuò)展方向及規(guī)模具有很大影響。

在爆破防治效果方面，通過深孔爆破在破碎區(qū)和裂隙區(qū)形成的弱面、空腔、眾多的次生裂隙對頂板進(jìn)行弱化并發(fā)生位移[10-11]，破壞了巖石的完整性[12]，使得極限應(yīng)力轉(zhuǎn)移至工作面遠(yuǎn)場，取得了頂板與兩幫的破壞速率明顯減緩的效果[13]，減輕了工作面初次來壓顯現(xiàn)，消除了懸頂風(fēng)險，能夠有效預(yù)防并控制沖擊礦壓的發(fā)生[14-15]，并且為提高瓦斯抽采率奠定了基礎(chǔ)[16]，最終實(shí)現(xiàn)了工作面高效安全生產(chǎn)并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益[17]。

在實(shí)驗(yàn)室物理模擬實(shí)驗(yàn)方面，劉殿書等[18]、肖正學(xué)等[19]、高全臣等[20]以激光動光彈為實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行物理模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，較低的靜應(yīng)力可以隱沒在動應(yīng)力場中，而較高的靜應(yīng)力可以影響甚至改變動應(yīng)力場的傳播過程，初始應(yīng)力場的存在不僅改變了應(yīng)力波的傳播規(guī)律，并且對裂紋發(fā)展起到了一定的導(dǎo)向作用。在高應(yīng)力巖巷實(shí)施深孔爆破時，炮孔間的應(yīng)力夾制作用較強(qiáng)，爆炸載荷在炮孔間的相互反射作用減弱，為合理布置炮孔間距提供了理論依據(jù)。

上述研究對有無圍壓作用下的深孔爆破效果研究提供了重要參考，但是這些研究多側(cè)重有圍壓或無圍壓作用下對爆破裂紋的單方面影響，故圍壓對爆破效果及作用過程有待進(jìn)一步的研究，因此，采用理論分析和有限元數(shù)值模擬的方法著重研究圍壓對爆破效果的影響機(jī)制。

1 頂板深孔爆破效果分析

1.1 深孔內(nèi)部爆破作用機(jī)理

當(dāng)裝藥爆炸時，爆破自由面上無法看到爆破痕跡，爆破后產(chǎn)生的爆破裂紋只產(chǎn)生在巖體內(nèi)部，而不能到達(dá)爆破自由面，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)部爆破過程。深孔爆破由于沒有爆破自由面，并且炮孔處在原巖應(yīng)力之中，巖體被爆炸產(chǎn)生的能量完全作用，使其發(fā)生不同程度的變形和破壞，這一過程在動力學(xué)表現(xiàn)得尤為復(fù)雜。根據(jù)巖石爆破后受損破壞特征，可將其分為破碎區(qū)、裂隙區(qū)及震動區(qū)。破碎區(qū)消耗了大量的爆破能量，其范圍一般為3～7倍的炮孔半徑；裂隙區(qū)由拉伸破壞形成，其范圍大小是衡量爆破效果的主要參數(shù)，震動區(qū)內(nèi)的巖石所受炸藥爆炸能量相對較小。

1.2 柱狀爆破巖石裂隙區(qū)計算

在采用不耦合裝藥、不考慮地應(yīng)力的條件下，破碎區(qū)半徑不大，一般為(3～7)R0，其中R0為裝藥半徑，爆炸應(yīng)力波所產(chǎn)生的巖石裂隙區(qū)半徑R計算公式見式(1)。

(1)

(2)

B=

(3)

(4)

(5)

地下爆破施工過程中，地應(yīng)力的影響不可忽略，比較好的做法是在確定巖石爆破中裂隙區(qū)范圍時將其轉(zhuǎn)變成平面應(yīng)變問題來處理。而式(1)求得的裂隙區(qū)半徑公式并沒有考慮初始地應(yīng)力對其造成的影響，在淺孔爆破或中深孔爆破時，可以忽略地應(yīng)力對計算結(jié)果影響，但對于深孔爆破，地應(yīng)力對計算結(jié)果影響較大，不可以忽視。而由于破碎區(qū)靠近炮孔，爆破所產(chǎn)生的沖擊波和爆生氣體的威力很大，地應(yīng)力與其相比可以忽略，因此破碎區(qū)范圍基本不受影響。但在考慮地應(yīng)力的情況下，距離炮孔較遠(yuǎn)距離處的沖擊波和爆生氣體經(jīng)過傳播已經(jīng)明顯減小，且初始應(yīng)力對裂縫的擴(kuò)大產(chǎn)生干涉，其方向和長度均會因此發(fā)生變化，此時裂隙區(qū)長度求解公式就需要把地應(yīng)力的影響考慮在內(nèi)。因此對式(1)進(jìn)行修正[21]，得到式(6)。

(6)

式中，ζ<1，ζ值需考慮深部巖體的物理力學(xué)性質(zhì)。利用式(6)計算可得爆破所產(chǎn)生的破碎區(qū)半徑為0.15～0.30 m，裂隙圈半徑為3.8 m。

2 爆破效果數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值計算模型方案

由于爆破試驗(yàn)的復(fù)雜性及材料的高消耗性，采用大型有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對圍壓條件下炸藥爆炸效果進(jìn)行數(shù)值模擬，炸藥的爆轟產(chǎn)物采用JWL狀態(tài)方程，巖石材料采用H-J-C模型，數(shù)值計算模型由炸藥、空氣、巖石、堵塞材料組成，其中，炸藥、空氣采用ALE多物質(zhì)單元，巖石和堵塞材料選用拉格朗日網(wǎng)格，巖石與炸藥、空氣之間的相互作用采用流固耦合算法，巖石與堵塞材料定義為面面接觸。

由此可得模擬圍壓條件下，爆破裂紋的擴(kuò)展規(guī)律及應(yīng)力場的時空分布，巖石柱狀裝藥時，若柱狀藥包較長，則垂直于柱狀藥包長度方向的截面的破壞情況相像，此時的爆破模型可簡略看作為平面應(yīng)變模型，考慮到柱狀裝藥巖石爆破的特點(diǎn)，爆破分析時只選取垂直于炸藥長度方向的一個截面進(jìn)行分析。 計算模型尺寸為1 000 mm×1 000 mm×10 mm，炸藥的直徑為59 mm，位于模型幾何中心，模型厚度方向施加位移約束，計算模型如圖1所示，分2種圍壓條件進(jìn)行研究(表1)，以便對比分析圍壓對爆破效果的影響，其中第二種方案中施加的應(yīng)力條件為工作面實(shí)際的地應(yīng)力大小。

圖1 數(shù)值計算模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of numerical calculation model

表1 數(shù)值模擬圍壓條件Table 1 Numerical simulation of confining pressure conditions

2.2 圍壓條件下爆破效果分析

首先在不考慮巖體初始應(yīng)力的情況下，對無圍壓條件下炮孔周圍爆破裂紋擴(kuò)展規(guī)律及應(yīng)力波傳播、衰減規(guī)律進(jìn)行了模擬，炸藥主要性能指標(biāo)見表2，計算結(jié)果如圖2所示。

表2 炸藥主要性能指標(biāo)Table 2 Main performance indicators of explosives

在不考慮巖體地應(yīng)力的條件下，炸藥從開始爆炸到裂紋形成的整個過程如圖2所示，最終爆破裂紋形態(tài)如圖3所示。

圖2 無圍壓條件下爆破裂紋及應(yīng)力波擴(kuò)展過程Fig.2 Burst cracking and stress wave expansion process without confining pressure

圖3 無圍壓條件下炮孔最終爆破裂紋形態(tài)Fig.3 Final blasting crack morphology of blasthole without confining pressure

由圖2和圖3所示模擬結(jié)果可知，炸藥爆炸后形成破碎區(qū)的過程持續(xù)時間很短，約為160 μs，此過程中爆炸沖擊波的壓力載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過巖體的抗壓強(qiáng)度，巖體產(chǎn)生劇烈的壓縮破壞，巖體直接被壓縮粉碎，形成破碎區(qū)。破碎區(qū)的半徑為0.25 m，約為裝藥半徑的8倍。

圖4為無圍壓條件下破碎區(qū)邊界上巖體質(zhì)點(diǎn)的壓力時程曲線。由圖4可知，沖擊波作用時間約為200 μs，壓力峰值為150 MPa。

圖4 無圍壓條件下破碎區(qū)邊界單元壓力-時程曲線Fig.4 Pressure and time course curve of boundary elements in fracture zone without confining

圖5為巖體質(zhì)點(diǎn)峰值壓力隨爆心距的衰減曲線。由圖5可知，峰值壓力隨爆心距的增加呈負(fù)指數(shù)型衰減。

圖5 無圍壓條件下沖擊波峰值壓力變化曲線Fig.5 Shock wave peak pressure change curve without confining pressure

破碎區(qū)形成之后，在該區(qū)域周圍開始出現(xiàn)徑向裂隙并不斷擴(kuò)展，整個過程大約持續(xù)1 ms。通過分析無圍壓條件下爆破裂紋形態(tài)可知，無圍壓條件下炮孔周圍裂紋擴(kuò)展方向以炮孔為中心向四周呈放射狀較均勻分布，發(fā)育有若干條較長的徑向主裂縫以及眾多分支微裂縫，裂隙區(qū)半徑約為2.0 m， 約為裝藥半徑的67倍。另外， 當(dāng)破碎區(qū)形成之后，在該區(qū)域周圍還發(fā)育有環(huán)向(徑向)裂隙，主要是因?yàn)楫?dāng)破碎區(qū)空腔形成及壓應(yīng)力波通過之后， 積蓄在巖體內(nèi)的一部分彈性變形能釋放， 產(chǎn)生與徑向壓應(yīng)力作用相反的向心拉應(yīng)力，當(dāng)徑向拉應(yīng)力超過巖體的抗拉強(qiáng)度時形成環(huán)向(切向)裂隙。

巖體在圍壓條件下，炸藥從開始爆炸到裂紋形成的整個過程如圖6所示，最終爆破裂紋形態(tài)如圖7所示。

圖6 實(shí)際地應(yīng)力條件下爆破裂紋及應(yīng)力波擴(kuò)展過程Fig.6 Burst cracking and stress wave expansion under actual ground stress conditions

圖7 實(shí)際地應(yīng)力條件下炮孔最終爆破裂紋形態(tài)Fig.7 Final blasting crack morphology of blast hole under actual ground stress conditions

由圖6和圖7所示模擬結(jié)果可知，炸藥爆炸后形成破碎區(qū)的過程持續(xù)時間很短，約為160 μs，破碎區(qū)的半徑為0.25 m，通過與無圍壓條件下爆破結(jié)果對比可知，破碎區(qū)形成的時間和破碎區(qū)半徑基本一致，說明巖石有無圍壓對其爆破破碎區(qū)的形成基本沒有影響，主要因?yàn)槠扑閰^(qū)是在炸藥引爆后產(chǎn)生的爆炸沖擊波壓力載荷遠(yuǎn)超過巖體的抗壓強(qiáng)度，使巖體直接被壓縮粉碎所形成的，此過程中炸藥引爆瞬間產(chǎn)生的壓力載荷遠(yuǎn)超過巖體所處圍壓的大小，即圍壓與炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生的沖擊波壓力相比微乎其微。

圖8為圍壓條件下巖體破碎區(qū)邊界上單元壓力與時程曲線。由圖8可知，沖擊波作用時間約為200 μs，最高壓力值為190 MPa，在爆炸應(yīng)力波未到達(dá)巖石單元之前，單元的初始壓力保持不變，爆炸應(yīng)力波到達(dá)巖石單元之后，有無圍壓條件下單元壓力波峰值到達(dá)時間和壓力時程曲線的形態(tài)是一樣的，說明圍壓并不影響柱狀裝藥爆炸沖擊波、應(yīng)力波的傳播速度和傳播規(guī)律。

圖8 圍壓條件下破碎區(qū)邊界單元壓力-時程曲線Fig.8 Pressure and time course curve of boundary elements in the crushing area with confining

圖9為巖體內(nèi)單元峰值壓力隨爆孔中心距離的關(guān)系曲線。由圖9可知，單元峰值壓力隨爆心距的增加呈類指數(shù)形式衰減，與無圍壓條件曲線相比，衰減系數(shù)基本一致，說明圍壓并不改變柱狀裝藥爆炸應(yīng)力波傳播過程中的衰減規(guī)律。

圖9 圍壓條件下沖擊波峰值壓力變化曲線Fig.9 Shockwave peak pressure change curve under confining conditions

通過分析有圍壓條件下爆破裂紋最終形態(tài)可知，圍壓條件下爆破后主裂縫半徑長約1.5 m(裝藥半徑的50倍)，裂縫主要延伸方向與最小主應(yīng)力方向夾角約20°，裂隙區(qū)近似為“橢圓形”。與無圍壓條件下爆破裂紋形態(tài)相比，發(fā)現(xiàn)裂紋長度、形態(tài)受圍壓的影響較大，裂紋長度小于無圍壓條件下的裂紋長度，說明圍壓能夠遏制裂紋的擴(kuò)展，這是因?yàn)閺较蛄鸭y的延伸主要受拉應(yīng)力在切線方向分量的控制，而圍壓的存在削弱了此方向的拉應(yīng)力分量，從而遏制了爆破裂紋的擴(kuò)展。

3 結(jié) 論

1) 通過理論分析和數(shù)值模擬的方法對比有無圍壓對深孔爆破效果可知，圍壓對深孔爆破效果的影響顯著，在工程實(shí)踐及爆破參數(shù)設(shè)計中，一定要引起足夠的重視。

2) 圍壓通過削弱切線方向的拉應(yīng)力分量影響爆破裂紋的方向；圍壓條件下裂紋長度較短，表明圍壓會抑制爆破裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而影響爆破裂紋最終形態(tài)，最終影響爆破效果。

3) 有無圍壓對其爆破破碎區(qū)的形成基本沒有影響，圍壓并不改變柱狀裝藥爆炸沖擊波、應(yīng)力波的傳播速度和傳播規(guī)律，也不改變爆炸應(yīng)力波傳播過程中的衰減規(guī)律。