工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理 郭德勇赵杰超朱同功张超 Crack propagation and coalescence mechanism of double-hole cumulative blasting in coal seam GUO De-yong.ZHAO Jie-chao,ZHU Tong-gong.ZHANG Chao 引用本文： 郭德勇，赵杰超，朱同功，张超.双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理J.工程科学学报，2020,42(12)：1613-1623.d0i: 10.13374j.issn2095-9389.2020.05.19.001 GUO De-yong.ZHAO Jie-chao,ZHU Tong-gong,ZHANG Chao.Crack propagation and coalescence mechanism of double-hole cumulative blasting in coal seam[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(12):1613-1623.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.05.19.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.05.19.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 煤层深孔聚能爆破有效致裂范围探讨 Effective fracture zone under deep-hole cumulative blasting in coal seam 工程科学学报.2019,41（⑤：582htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.05.004 装药结构对煤层深孔聚能爆破增透的影响 Effect of charge structure on deep-hole cumulative blasting to improve coal seam permeability 工程科学学报.2018.40(12：1488htps:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.006 GH4169合金高温疲劳裂纹扩展的微观损伤机制 Microscopic damage mechanisms during fatigue crack propagation at high temperature in GH4169 superalloy 工程科学学报.2018,40(7)：822 https:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2018.07.008 缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 Experimental study on rock-breaking load in slot-hydraulic blasting 工程科学学报.2020,42(9：外1130 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.10.06.002 含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析 Particle flow analysis of fracture characteristics of marble with a single hole 工程科学学报.2017,39(12头：1791htps:1oi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.12.003 充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 Experimental study of the influence of the filling material on the mechanical properties of marble with holes 工程科学学报.2018,407)：776 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.07.002
双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理 郭德勇 赵杰超 朱同功 张超 Crack propagation and coalescence mechanism of double-hole cumulative blasting in coal seam GUO De-yong, ZHAO Jie-chao, ZHU Tong-gong, ZHANG Chao 引用本文: 郭德勇, 赵杰超, 朱同功, 张超. 双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理[J]. 工程科学学报, 2020, 42(12): 1613-1623. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.19.001 GUO De-yong, ZHAO Jie-chao, ZHU Tong-gong, ZHANG Chao. Crack propagation and coalescence mechanism of double-hole cumulative blasting in coal seam[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(12): 1613-1623. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.05.19.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.19.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 煤层深孔聚能爆破有效致裂范围探讨 Effective fracture zone under deep-hole cumulative blasting in coal seam 工程科学学报. 2019, 41(5): 582 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.004 装药结构对煤层深孔聚能爆破增透的影响 Effect of charge structure on deep-hole cumulative blasting to improve coal seam permeability 工程科学学报. 2018, 40(12): 1488 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.006 GH4169合金高温疲劳裂纹扩展的微观损伤机制 Microscopic damage mechanisms during fatigue crack propagation at high temperature in GH4169 superalloy 工程科学学报. 2018, 40(7): 822 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.008 缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 Experimental study on rock-breaking load in slot-hydraulic blasting 工程科学学报. 2020, 42(9): 1130 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.06.002 含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析 Particle flow analysis of fracture characteristics of marble with a single hole 工程科学学报. 2017, 39(12): 1791 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.12.003 充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 Experimental study of the influence of the filling material on the mechanical properties of marble with holes 工程科学学报. 2018, 40(7): 776 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.002
工程科学学报.第42卷，第12期：1613-1623.2020年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.12:1613-1623,December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.19.001;http://cje.ustb.edu.cn 双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理 郭德勇)四，赵杰超)，朱同功，张超) 1)中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京1000832)平顶山天安煤业股份有限公司十矿，平顶山467000 ☒通信作者，E-mail:kkfg@cumtb.edu.cn 摘要针对双孔聚能爆破孔间煤层裂隙扩展贯通问题，基于对双孔爆破应力波叠加效应的分析，建立双孔聚能爆破数值分 析模型，研究双孔同时起爆时应力波的传播特征、煤体的应力状态、煤体裂隙扩展贯通规律以及应力波叠加效应对裂隙扩展 的影响.结果表明，应力波叠加效应致使两爆破孔中间截面上部分区域及其邻域内形成均压区，迫使部分径向裂隙转向，主 导爆生裂隙空白带的形成：两爆破孔间的定向裂隙相互贯通后，爆生气体相互作用促进贯通区裂隙的扩展并贯穿空白带，同 时结合煤层深孔聚能爆破现场试验发现，在两爆破孔外侧，应力波叠加效应促进裂隙的扩展，该作用随着远离爆破孔呈先增 加后减小之势：在两爆破孔之间，应力波叠加效应抑制部分区域裂隙的扩展，致使两爆破孔之间不同位置处煤层增透效果有 起伏变化， 关键词聚能爆破：双孔爆破：裂隙扩展：煤层增透：瓦斯抽采 分类号TD712 Crack propagation and coalescence mechanism of double-hole cumulative blasting in coal seam GUO De-yong ZHAO Jie-chao,ZHU Tong-gong?,ZHANG Chao 1)School of Emergency Management and Safety Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China 2)Pingdingshan Tian'an Coal Co.Ltd.,Pingdingshan 467000,China Corresponding author,E-mail:kjkfg@cumtb.edu.cn ABSTRACT This paper focuses on the radius of coal failure zones under cumulative blasting with shaped charge.Based on the analysis of the mutual superposition effect of the explosion stress waves during the simultaneous detonation of two blastholes,a numerical analysis model of the double-hole cumulative blasting with linear shaped charge was established.Additionally,the propagation characteristics of the stress wave during the simultaneous detonation of two blastholes,stress state of the coal body, mechanism of coal crack propagation and coalescence,and influence of the stress wave superposition effect on crack propagation were evaluated.Results show that the stress wave superposition effect induces the formation of a pressure equalization zone in the partial region of the middle section of the two blastholes and its adjacent regions.This occurrence forces the radial cracks of the two blastholes to turn,and they cannot connect with each other,leading to the formation of a gap blank zone between the two blastholes.After the directional cracks generated under cumulative blasting load coalesce,the collision of the explosive gases produced from the two blastholes further promotes the expansion of the cracks in the directional crack coalescence zone and eventually penetrates the gap blank zone.Field test results of deep-hole cumulative blasting in coal seams show that the explosion stress waves from the blastholes in the opposite side promotes the propagation of the blasting-induced crack on the left or right side of the two blastholes.This propagation first increases and then decreases as it moves away from the blasthole.Between the two blastholes,the stress wave superposition effect from 收稿日期：202005-19 基金项目：国家自然科学基金联合基金资助项目(U1704242):国家自然科学基金资助项目(41430640)
双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理 郭德勇1) 苣，赵杰超1)，朱同功2)，张 超1) 1) 中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083 2) 平顶山天安煤业股份有限公司十矿，平顶山 467000 苣通信作者，E-mail：kjkfg@cumtb.edu.cn 摘 要 针对双孔聚能爆破孔间煤层裂隙扩展贯通问题，基于对双孔爆破应力波叠加效应的分析，建立双孔聚能爆破数值分 析模型，研究双孔同时起爆时应力波的传播特征、煤体的应力状态、煤体裂隙扩展贯通规律以及应力波叠加效应对裂隙扩展 的影响. 结果表明，应力波叠加效应致使两爆破孔中间截面上部分区域及其邻域内形成均压区，迫使部分径向裂隙转向，主 导爆生裂隙空白带的形成；两爆破孔间的定向裂隙相互贯通后，爆生气体相互作用促进贯通区裂隙的扩展并贯穿空白带. 同 时，结合煤层深孔聚能爆破现场试验发现，在两爆破孔外侧，应力波叠加效应促进裂隙的扩展，该作用随着远离爆破孔呈先增 加后减小之势；在两爆破孔之间，应力波叠加效应抑制部分区域裂隙的扩展，致使两爆破孔之间不同位置处煤层增透效果有 起伏变化. 关键词 聚能爆破；双孔爆破；裂隙扩展；煤层增透；瓦斯抽采 分类号 TD712 Crack propagation and coalescence mechanism of double-hole cumulative blasting in coal seam GUO De-yong1) 苣 ，ZHAO Jie-chao1) ，ZHU Tong-gong2) ，ZHANG Chao1) 1) School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China 2) Pingdingshan Tian’an Coal Co. Ltd., Pingdingshan 467000, China 苣 Corresponding author, E-mail: kjkfg@cumtb.edu.cn ABSTRACT This paper focuses on the radius of coal failure zones under cumulative blasting with shaped charge. Based on the analysis of the mutual superposition effect of the explosion stress waves during the simultaneous detonation of two blastholes, a numerical analysis model of the double-hole cumulative blasting with linear shaped charge was established. Additionally, the propagation characteristics of the stress wave during the simultaneous detonation of two blastholes, stress state of the coal body, mechanism of coal crack propagation and coalescence, and influence of the stress wave superposition effect on crack propagation were evaluated. Results show that the stress wave superposition effect induces the formation of a pressure equalization zone in the partial region of the middle section of the two blastholes and its adjacent regions. This occurrence forces the radial cracks of the two blastholes to turn, and they cannot connect with each other, leading to the formation of a gap blank zone between the two blastholes. After the directional cracks generated under cumulative blasting load coalesce, the collision of the explosive gases produced from the two blastholes further promotes the expansion of the cracks in the directional crack coalescence zone and eventually penetrates the gap blank zone. Field test results of deep-hole cumulative blasting in coal seams show that the explosion stress waves from the blastholes in the opposite side promotes the propagation of the blasting-induced crack on the left or right side of the two blastholes. This propagation first increases and then decreases as it moves away from the blasthole. Between the two blastholes, the stress wave superposition effect from 收稿日期: 2020−05−19 基金项目: 国家自然科学基金联合基金资助项目（U1704242）；国家自然科学基金资助项目（41430640） 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期：1613−1623，2020 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 12: 1613−1623, December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.19.001; http://cje.ustb.edu.cn
·1614 工程科学学报，第42卷，第12期 the two blastholes inhibits the propagation of the cracks in some areas,resulting in a W-like fluctuation in the degree of improvement of the gas drainage effect at different positions in the area between the two blastholes. KEY WORDS cumulative blasting;double-hole blasting;crack propagation;improved seam permeability;coal seam gas drainage 爆破技术具有工艺简便、工程地质适应性强 1双孔爆破应力波叠加效应分析 的特点，在隧道掘进、路堑开挖、矿山开采和水利 聚能装药起爆后，爆炸冲击波在破碎煤体过 水电等工程领域应用广泛，并取得了良好的社会 程中快速衰减，至压碎区（粉碎区）边缘，冲击波衰 和经济效益-可随着爆破工程规模的增大，爆破 减为压缩应力波，其强度已难以引起煤体的压缩破 技术得到更广泛的应用，在工程实践中通常采用 坏然而，煤体在应力波作用下将同时发生径向 双孔或多孔连续起爆方式来提高施工速度阿，如此 压缩变形和伴生的切向拉伸变形，由于煤体具有 以来，爆炸应力波叠加损伤断裂效应对爆破致裂 抗拉强度远小于其抗压强度的特点，当拉伸应力 效果的影响逐渐增大-四.近年来，该问题成为相 强度大于煤体的动态抗拉强度时煤体将破裂而产 关专家学者关注的焦点.间长斌)通过开展岩体 生径向裂隙-2)双孔同时起爆时，煤体内的动态 损伤声波测试试验，研究了声波在爆破损伤岩体 应力场将因应力波的相互干涉而改变，致使局部 中的衰减特性，借助岩体声学特性来探索岩体爆 应力集中或降低，从而影响煤体裂隙的扩展效果， 破累积损伤效应.费鸿禄和范俊华采用声波测 若将聚能爆破激起的应力波在径向（切向）上 试技术研究了边坡岩体在爆破载荷下的累计损伤 产生的压应力（拉应力）假定为o,(cg),则o。(u/(1-)加， 效应.朱振海等1采用动光弹实验研究了双孔同 其中4为煤体的泊松比.当相邻两爆破孔同时起 时起爆时应力波的传播特征及其对裂隙扩展的影 爆时，在两爆破孔中间截面MN上的任意点m或 响.杨仁树等通过开展动态焦散线实验研究了 n,其应力状态如图1所示 不同切槽模式下双孔同时起爆时裂隙的扩展贯通 如图1(a)所示，当两应力波正交时(a=±45)， 及裂隙尖端应力强度因子变化特征.李清等采 两波在正交点m处相互作用所产生的主应力为： 用动态焦散线系统分别研究了不同装药量、间距 1-2μ Orm-Om (1) 的双孔切缝药包爆破时爆生裂隙的扩展规律.魏 1-4 晨慧等劉研究了岩层节理角度和地应力对双孔爆 由于≤0.5，则式(1)非负.正交点m处将不再 破裂隙扩展规律的影响.已有研究多是通过波速 出现拉应力，两个主应力的值相等，并在该点邻域 测试获取爆破后混凝土块岩体内部损伤情况，然 内形成恒均压区 而，由于混凝土块/岩体内部结构的复杂性，该方法 当两应力波斜交时(-90°<a<90°且a-0°，牡45)， 不能定量研究爆生裂隙的发育特征；可以采用相 取两束应力波夹角的平分线分别为X和Y轴，则 似试验方法，忽略有机玻璃与岩石内部结构的差 二者方向与斜交点n处产生的主应力方向相同， 异性，通过观察有机玻璃在切缝药包爆破载荷下 且X轴平行于两爆破孔连接线，Y轴垂直于两爆破 的破坏情况来间接反映爆破载荷下岩石材料的响 孔连接线，如图1(b)所示.1爆破孔在n点产生的 应特征，虽能获得较为直观的爆生裂隙分布特征， 径向应力和切向应力分别为om1和oml,经坐标变 但却难以深入探讨爆生裂隙的扩展机理.对双孔 换后沿X、Y轴方向的应力分量分别为： 聚能爆破载荷下爆破裂隙扩展贯通机制的认识仍 y1=Cenicos2a-mlsin2a 十分有限.相比于岩石，煤体结构更为复杂，而相 xI=comlsin2a-gmmlcos2a (2) 关研究较少 TxY =-(cenl +ml)sinacosa 本文在分析双孔爆破爆炸应力波叠加效应的 双孔同时起爆时，两爆破孔的应力波在n点产 基础上，基于煤矿现场试验参数，采用ANSYS/LS- 生的应力沿X、Y轴方向的分量大小和方向均相 DYNA构建双孔聚能爆破数值分析模型，模拟研 同，而剪应力分量大小相同、方向相反.因此，1爆 究了双孔聚能爆破过程中爆炸应力波的传播特 破孔和2爆破孔激起的应力波在n点叠加后沿X、 征、煤体单元的力学性质和煤层裂隙的扩展机制 Y轴方向的主应力分别为： 同时，结合现场试验研究了双孔聚能爆破载荷下 x =200mlsin2a-20mlcos2a =2kIenl (3) 煤层裂隙扩展及分布特征 y =2cemlcos2a-20mlsin2a 2k2ml
the two blastholes inhibits the propagation of the cracks in some areas, resulting in a W-like fluctuation in the degree of improvement of the gas drainage effect at different positions in the area between the two blastholes. KEY WORDS cumulative blasting；double-hole blasting；crack propagation；improved seam permeability；coal seam gas drainage 爆破技术具有工艺简便、工程地质适应性强 的特点，在隧道掘进、路堑开挖、矿山开采和水利 水电等工程领域应用广泛，并取得了良好的社会 和经济效益[1−5] . 随着爆破工程规模的增大，爆破 技术得到更广泛的应用，在工程实践中通常采用 双孔或多孔连续起爆方式来提高施工速度[6] ，如此 以来，爆炸应力波叠加损伤断裂效应对爆破致裂 效果的影响逐渐增大[7−12] . 近年来，该问题成为相 关专家学者关注的焦点. 闫长斌[13] 通过开展岩体 损伤声波测试试验，研究了声波在爆破损伤岩体 中的衰减特性，借助岩体声学特性来探索岩体爆 破累积损伤效应. 费鸿禄和范俊华[14] 采用声波测 试技术研究了边坡岩体在爆破载荷下的累计损伤 效应. 朱振海等[15] 采用动光弹实验研究了双孔同 时起爆时应力波的传播特征及其对裂隙扩展的影 响. 杨仁树等[16] 通过开展动态焦散线实验研究了 不同切槽模式下双孔同时起爆时裂隙的扩展贯通 及裂隙尖端应力强度因子变化特征. 李清等[17] 采 用动态焦散线系统分别研究了不同装药量、间距 的双孔切缝药包爆破时爆生裂隙的扩展规律. 魏 晨慧等[18] 研究了岩层节理角度和地应力对双孔爆 破裂隙扩展规律的影响. 已有研究多是通过波速 测试获取爆破后混凝土块/岩体内部损伤情况，然 而，由于混凝土块/岩体内部结构的复杂性，该方法 不能定量研究爆生裂隙的发育特征；可以采用相 似试验方法，忽略有机玻璃与岩石内部结构的差 异性，通过观察有机玻璃在切缝药包爆破载荷下 的破坏情况来间接反映爆破载荷下岩石材料的响 应特征，虽能获得较为直观的爆生裂隙分布特征， 但却难以深入探讨爆生裂隙的扩展机理，对双孔 聚能爆破载荷下爆破裂隙扩展贯通机制的认识仍 十分有限. 相比于岩石，煤体结构更为复杂，而相 关研究较少. 本文在分析双孔爆破爆炸应力波叠加效应的 基础上，基于煤矿现场试验参数，采用 ANSYS/LSDYNA 构建双孔聚能爆破数值分析模型，模拟研 究了双孔聚能爆破过程中爆炸应力波的传播特 征、煤体单元的力学性质和煤层裂隙的扩展机制. 同时，结合现场试验研究了双孔聚能爆破载荷下 煤层裂隙扩展及分布特征. 1 双孔爆破应力波叠加效应分析 聚能装药起爆后，爆炸冲击波在破碎煤体过 程中快速衰减，至压碎区（粉碎区）边缘，冲击波衰 减为压缩应力波，其强度已难以引起煤体的压缩破 坏[19] . 然而，煤体在应力波作用下将同时发生径向 压缩变形和伴生的切向拉伸变形，由于煤体具有 抗拉强度远小于其抗压强度的特点，当拉伸应力 强度大于煤体的动态抗拉强度时煤体将破裂而产 生径向裂隙[20−21] . 双孔同时起爆时，煤体内的动态 应力场将因应力波的相互干涉而改变，致使局部 应力集中或降低，从而影响煤体裂隙的扩展效果. 若将聚能爆破激起的应力波在径向（切向）上 产生的压应力（拉应力）假定为σr（σθ），则σθ=(μ/(1−μ))σr， 其中 μ 为煤体的泊松比. 当相邻两爆破孔同时起 爆时，在两爆破孔中间截面 MN 上的任意点 m 或 n，其应力状态如图 1 所示. 如图 1（a）所示，当两应力波正交时（α=±45°）， 两波在正交点 m 处相互作用所产生的主应力为： σrm −σθm = 1−2µ 1−µ σrm （1） 由于 μ≤0.5，则式（1）非负. 正交点 m 处将不再 出现拉应力，两个主应力的值相等，并在该点邻域 内形成恒均压区. 当两应力波斜交时（−90°<α<90°且α≠0°，α≠±45°）， 取两束应力波夹角的平分线分别为 X 和 Y 轴，则 二者方向与斜交点 n 处产生的主应力方向相同， 且 X 轴平行于两爆破孔连接线，Y 轴垂直于两爆破 孔连接线，如图 1（b）所示. 1 #爆破孔在 n 点产生的 径向应力和切向应力分别为 σrn1 和 σθn1，经坐标变 换后沿 X、Y 轴方向的应力分量分别为： σY1 = σθn1cos2α−σrn1sin2α σX1 = σθn1sin2α−σrn1cos2α τXY = −(σθn1 +σrn1) sinαcosα （2） 双孔同时起爆时，两爆破孔的应力波在 n 点产 生的应力沿 X、Y 轴方向的分量大小和方向均相 同，而剪应力分量大小相同、方向相反. 因此，1 #爆 破孔和 2 #爆破孔激起的应力波在 n 点叠加后沿 X、 Y 轴方向的主应力分别为： { σX = 2σθn1sin2α−2σrn1cos2α = 2k1σθn1 σY = 2σθn1cos2α−2σrn1sin2α = 2k2σrn1 （3） · 1614 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期
郭德勇等：双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理 1615 (a (b) M (效※ 1*blasthole 2*blasthole 1*blasthole 2*blasthole Pressure wave Pressure wave N 图1两束应力波的正交(a)、斜交(b)干涉 Fig.I Orthogonal (a)and oblique (b)interferences of the pressure waves 其中， ANSYS/LS-DYNA构建双孔聚能爆破数值分析模 k=sin2a- 1-μ os2a 型，模型由聚能药卷、空气和煤体3部分组成，采 μ (4) 用流-固耦合算法.模型整体尺寸为1600cm× k2二1一μ os2a-sin2a 1600cm×0.5cm,如图3所示.为满足深孔聚能爆 基于煤体的物理力学条件，若取0.201，则系 破的条件，分别在所构建模型的前表面和后表面 数k、:随夹角变化而变化的特征如图2所示. 上设置Z轴方向约束 6.0m 5.0m 6.0m (-63.41°，0) (63.41°，0) Nonreflective 10s Nonreflective boundary boundary (-26.67°，0)(26.67°，0) Shaped charge y Blasthole wall Shaped charge Air 2 Air 1*blasthole 2*blasthole Nonreflective, Nonreflective boundary boundary -45 0 45 90 Included angle,a/() 图3煤层深孔聚能爆破数值分析模型 图2斜交干涉时系数k和k2的变化曲线 Fig.3 Numerical model of cumulative blasting with linear shaped charge in a coal seam Fig.2 Oblique interference of the stress waves 炸药采用MAT HIGH EXPLOSIVE_BURN模 由图2可知当63.41<a<63.41°，且a40°、牡45°， 型，其爆轰压力P。可用JWL状态方程表示四 X轴方向的主应力为压应力；当-90°<a<-63.41或 63.41°<a<90时，X轴方向的主应力为拉应力.当 R=A-w+-+ -26.67°<a<26.67°.且0°，Y轴方向的主应力为拉 (5) 应力：当-90°<a<-26.67°或26.67<a<90时，Y轴方 式中：V为相对体积；E为初始内能；A、B、1、2 向的主应力为压应力.因此，在-63.41<<-26.67°或 ω为与炸药类型有关的常数.煤矿许用乳化炸药的 26.67°<Q<63.41时，由于X、Y轴方向的主应力均 参数及其JWL状态方程参数分别为：po1140kgm3, 为压应力，该区域及其邻域内将形成均压区 Do=3200ms,A=146.1GPa,B=10.26GPa,y1= 综上可知，相邻两个爆破孔同时起爆时，爆炸应 7.177,2=2.401,0=0.069,Eo=4.19GPa. 力波相互叠加，将导致两爆破孔中间截面上部分 由于冲击载荷下煤体的应变率效应显著，因 区域及其邻域内形成均压区，抑制爆生裂隙的扩展. 此煤体模型选用MAT PLASTIC KINEMATIC(随 2煤层深孔聚能爆破双孔同时起爆数值分析 动塑性硬化材料模型).聚能爆破载荷下，煤体的 变形破坏以压剪破坏和拉伸破坏为主，当所受压 2.1模型构建 应力P。(或拉应力P)满足Pe≥Pmax(或P≤Pmin) 基于煤层深孔聚能爆破工程试验参数，采用 时，煤体将破裂失效四其中，Pmax和Pmin分别为
其中， k1 = sin2 α− 1−µ µ cos2 α k2 = µ 1−µ cos2 α−sin2 α （4） 基于煤体的物理力学条件，若取 μ=0.201，则系 数 k1、k2 随夹角变化而变化的特征如图 2 所示. 由图2 可知，当−63.41°<α<63.41°，且α≠0°、α≠±45°， X 轴方向的主应力为压应力；当−90°<α<−63.41°或 63.41°<α<90°时 ，X 轴方向的主应力为拉应力. 当 −26.67°<α<26.67°，且 α≠0°，Y 轴方向的主应力为拉 应力；当−90°<α<−26.67°或 26.67°<α<90°时，Y 轴方 向的主应力为压应力. 因此，在−63.41°<α<−26.67°或 26.67°<α<63.41°时，由于 X、Y 轴方向的主应力均 为压应力，该区域及其邻域内将形成均压区. 综上可知，相邻两个爆破孔同时起爆时，爆炸应 力波相互叠加，将导致两爆破孔中间截面上部分 区域及其邻域内形成均压区，抑制爆生裂隙的扩展. 2 煤层深孔聚能爆破双孔同时起爆数值分析 2.1 模型构建 基于煤层深孔聚能爆破工程试验参数，采用 ANSYS/LS-DYNA 构建双孔聚能爆破数值分析模 型，模型由聚能药卷、空气和煤体 3 部分组成，采 用 流 ‒ 固耦合算法 . 模型整体尺寸 为 1600 cm× 1600 cm×0.5 cm，如图 3 所示. 为满足深孔聚能爆 破的条件，分别在所构建模型的前表面和后表面 上设置 Z 轴方向约束. 炸药采用 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 模 型，其爆轰压力 Pe 可用 JWL 状态方程表示[22] Pe = A ( 1− ω γ1V ) e −γ1V + B ( 1− ω γ2V ) e −γ2V + ωE0 V （5） 式中：V 为相对体积；E0 为初始内能；A、B、γ1、γ2、 ω 为与炸药类型有关的常数. 煤矿许用乳化炸药的 参数及其 JWL 状态方程参数分别为：ρ0=1140 kg·m−3 ， D0=3200 m·s−1 ， A=146.1 GPa， B=10.26 GPa， γ1= 7.177，γ2=2.401，ω=0.069，E0=4.19 GPa. 由于冲击载荷下煤体的应变率效应显著，因 此煤体模型选用 MAT_PLASTIC_KINEMATIC（随 动塑性硬化材料模型）. 聚能爆破载荷下，煤体的 变形破坏以压剪破坏和拉伸破坏为主，当所受压 应 力 Pc（或拉应 力 Ps） 满 足 Pc≥Pmax（ 或 Ps≤Pmin） 时，煤体将破裂失效[22] . 其中，Pmax 和 Pmin 分别为 1 # blasthole 2# blasthole 1# blasthole 2# blasthole σθm2 σθm1 σrm2 σrm1 σθn1 σθn2 σrn1 σrn2 （ ） （ ） m M N n M N X Y Pressure wave (a) (b) Pressure wave 45° α 图 1 两束应力波的正交（a）、斜交（b）干涉 Fig.1 Orthogonal (a) and oblique (b) interferences of the pressure waves 1 −1 0 −2 −3 −4 Coefficient Included angle, α/(°) k1 k2 −90 −45 0 45 90 (−63.41°, 0) (63.41°, 0) (−26.67°, 0) (26.67°, 0) 图 2 斜交干涉时系数 k1 和 k2 的变化曲线 Fig.2 Oblique interference of the stress waves 5.0 m 6.0 m 5.0 m 5.0 m Nonreflective boundary Shaped charge Air Air Blasthole wall 1 # blasthole 2# blasthole Nonreflective boundary Nonreflective boundary Shaped charge Nonreflective boundary Coal seam X Y Z 6.0 m 图 3 煤层深孔聚能爆破数值分析模型 Fig.3 Numerical model of cumulative blasting with linear shaped charge in a coal seam 郭德勇等： 双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理 · 1615 ·
1616 工程科学学报，第42卷，第12期 煤体破坏的最大抗压强度和最小抗拉强度（拉应 显高于其它部分.分析认为，爆炸应力波传播至应 力取负值) 力波叠加区时，原爆炸应力波的残余应力与新到 2.2爆炸应力波的传播特征 达的爆炸应力波相互作用而导致应力强度增加 相邻爆破孔同时起爆时爆炸应力波的传播与 对比图4(b)和图4(c)可知，随着应力波传播距离 干涉过程如图4所示，聚能爆破后爆炸应力波自 的增加，新到达应力波的强度不断衰减，原爆炸应 起爆点沿径向向外传播.=1555s时，两爆破孔产 力波的残余应力也不断衰减，二者叠加后应力波 生的爆炸应力波相遇碰撞形成压应力集中区（见 的应力强度减弱.=3250s时，爆炸应力波到达另 图4(a).随后，爆炸应力波继续沿径向向外传播， 一个爆破孔（见图4(d),此后，爆炸应力波继续向 由图4(b)可知，爆炸应力波叠加之后应力强度明 外传播直至消失 (a) e (b) 18.97 4.61 258- 257 Pressure/MPa (d) Pressure/MPa 35.507 31.69 27.8 29.38 米0米 2.39 21.39 17.4 5.4 941 .4 2.57- 2.57- 图4煤层深孔聚能爆破双孔同时起爆时应力波的传播与干涉过程.(a)=1555μs:(b)=1710山s:(c)=1930s,(d)=3250s Fig.4 Stress wave propagation and interference process during the simultaneous detonation of two blastholes:(a)H1555 us;(b)=1710 us,(c) 1930us,(d)=3250μs 2.3距两爆破孔相同距离连线上煤体单元应力分析 12No.1 在相邻两爆破孔中间截面MN上选取如图5 所示的3个测点单元，根据聚能爆破过程中各个 0 FNo.2 测点单元应力变化特征绘制了各个测点单元的应 力变化曲线，如图6所示. 12No.3 M No.1 0 No.2 0 1000 20003000400050006000 Time/μs No.3 图6煤层深孔聚能爆破双孔齐爆时各个测点单元应力（爆炸压力） 变化曲线 1blasthole 2°blasthole Fig.6 Pressure curve of each measuring point during the simultaneous detonation of two blastholes Coal seam N 为拉伸应力和压缩应力的混合应力状态，表明在 因5煤层深孔聚能爆破模型中各个测点单元位置分布 应力波叠加效应影响下，No.2测点单元邻域内将 Fig.5 Position distribution of each measuring point in the cumulative 形成均压区.随着应力波的传播，应力波的叠加效 blasting model 应逐渐减弱，当超过3000us,No.2测点单元呈现 由图6可以看出.，相邻两个爆破孔的应力波 为拉伸应力和压缩应力的混合应力状态 (压力波)相互叠加过程中，No.2测点单元仅表现 2.4聚能爆破煤体裂隙扩展特征 为压缩应力状态，而No.1和No.3测点单元均表现 相邻两聚能爆破孔同时起爆后煤层裂隙扩展
煤体破坏的最大抗压强度和最小抗拉强度（拉应 力取负值）. 2.2 爆炸应力波的传播特征 相邻爆破孔同时起爆时爆炸应力波的传播与 干涉过程如图 4 所示，聚能爆破后爆炸应力波自 起爆点沿径向向外传播. t=1555 μs 时，两爆破孔产 生的爆炸应力波相遇碰撞形成压应力集中区（见 图 4（a））. 随后，爆炸应力波继续沿径向向外传播， 由图 4（b）可知，爆炸应力波叠加之后应力强度明 显高于其它部分. 分析认为，爆炸应力波传播至应 力波叠加区时，原爆炸应力波的残余应力与新到 达的爆炸应力波相互作用而导致应力强度增加. 对比图 4（b）和图 4（c）可知，随着应力波传播距离 的增加，新到达应力波的强度不断衰减，原爆炸应 力波的残余应力也不断衰减，二者叠加后应力波 的应力强度减弱. t=3250 μs 时，爆炸应力波到达另 一个爆破孔（见图 4（d）），此后，爆炸应力波继续向 外传播直至消失. (a) Pressure/MPa 34.57 30.85 27.14 23.42 19.71 15.99 12.28 8.57 4.85 1.14 −2.58 (b) Pressure/MPa 33.33 29.74 26.15 22.56 18.97 15.38 11.79 8.20 4.61 1.02 -2.57 (c) Pressure/MPa 35.50 31.69 27.88 24.08 20.27 16.46 12.66 8.85 5.04 1.24 -2.57 (d) Pressure/MPa 37.37 33.38 29.38 25.39 21.39 17.4 13.4 9.41 5.42 1.42 -2.57 图 4 煤层深孔聚能爆破双孔同时起爆时应力波的传播与干涉过程. （a）t=1555 μs；（b）t=1710 μs；（c）t=1930 μs；（d）t=3250 μs Fig.4 Stress wave propagation and interference process during the simultaneous detonation of two blastholes: (a) t=1555 μs; (b) t=1710 μs; (c) t= 1930 μs; (d) t=3250 μs 2.3 距两爆破孔相同距离连线上煤体单元应力分析 在相邻两爆破孔中间截面 MN 上选取如图 5 所示的 3 个测点单元，根据聚能爆破过程中各个 测点单元应力变化特征绘制了各个测点单元的应 力变化曲线，如图 6 所示. Coal seam No.2 No.3 M No.1 2.5 m 2.5 m N 1 # blasthole 2# blasthole 45° 图 5 煤层深孔聚能爆破模型中各个测点单元位置分布 Fig.5 Position distribution of each measuring point in the cumulative blasting model 由图 6 可以看出，相邻两个爆破孔的应力波 （压力波）相互叠加过程中，No.2 测点单元仅表现 为压缩应力状态，而 No.1 和 No.3 测点单元均表现 为拉伸应力和压缩应力的混合应力状态，表明在 应力波叠加效应影响下，No.2 测点单元邻域内将 形成均压区. 随着应力波的传播，应力波的叠加效 应逐渐减弱，当超过 3000 μs，No.2 测点单元呈现 为拉伸应力和压缩应力的混合应力状态. 2.4 聚能爆破煤体裂隙扩展特征 相邻两聚能爆破孔同时起爆后煤层裂隙扩展 0 3 6 9 12 0 3 6 9 12 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 3 6 9 12 No.3 No.2 No.1 Pressure/MPa Time/µs 图 6 煤层深孔聚能爆破双孔齐爆时各个测点单元应力（爆炸压力） 变化曲线 Fig.6 Pressure curve of each measuring point during the simultaneous detonation of two blastholes · 1616 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期
郭德勇等：双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理 1617 过程如图7所示.=2500us时，左右两个爆破孔的 是出现了数条非连续裂隙.对比图7(c)和(d)可 爆生裂隙扩展特征相似：两爆破孔周围爆生裂隙 知，在两爆破孔的左侧和右侧区域，任一爆破孔径 的发育扩展程度基本一致，在两爆破孔连线方向 向裂隙的扩展方向均出现了一定程度的转向：左 均出现明显的径向裂隙（将两爆破孔连线方向上 爆破孔径向裂隙的扩展方向向两爆破孔左侧偏 的径向裂隙称为“定向裂隙”).=2925us时，两爆 转，右爆破孔径向裂隙的扩展方向向两爆破孔右 破孔的定向裂隙相互贯通，并在定向裂隙贯通区侧偏转，从而使两爆破孔左侧和右侧区域内的裂 出现垂直方向的裂隙，而在定向裂隙贯通区的上隙密度增加.在两爆破孔之间区域，左爆破孔径向 部和下部区域均未出现明显的宏观裂隙.对比 裂隙扩展方向向左侧扩展，右爆破孔径向裂隙的 图7(a)和(c)可知，在两爆破孔的左右两侧区域， 扩展方向向右扩展，致使两爆破孔的径向裂隙难 任一爆破孔的径向裂隙发育扩展均比较明显：而 以贯通：但是，该区域内非连续裂隙的数目明显增 在两爆破孔之间区域，除定向裂隙实现相互扩展 多，且由定向裂隙贯通区向外扩展的垂直方向裂 贯通之外，其他径向裂隙的发育扩展程度不大，但 隙得到了明显的扩展 (a) b (d) 图7煤层深孔聚能爆破相邻两孔同时起爆后裂隙扩展贯通过程.(a)=2500s:(b)=2925us:(c)=3085s;(d)-6000s Fig.7 Expansion and penetration process of coal seam fractures during the simultaneous detonation of two blastholes:(a)t=2500 us;(b)1=2925 us, (c)1=3085us;(d)1=6000μs 综上分析，相邻两个爆破孔同时起爆时，应力 波的叠加效应将改变两爆破孔之间区域内径向裂 隙的扩展方向（定向裂隙除外），致使这些径向裂 隙难以朝着初始扩展方向继续扩展贯通，从而形 成爆生裂隙空白带.聚能爆破能够定向积聚爆轰 能量从而形成定向裂隙232，两爆破孔的定向裂 隙相互贯通后在贯通区上部和下部形成垂直方向 裂隙，垂直方向裂隙的不断发育与扩展分叉，最终 图8煤层深孔普通爆破相邻两孔同时起爆后裂隙扩展特征阿 贯穿爆生裂隙空白带，消除了相邻双孔齐爆爆生 Fig.8 Propagation characteristics of coal seam fractures under double 裂隙空白带对煤层增透效果的影响. deep-hole blastingl 相关研究表明，由于爆炸应力波的叠加作 用，两爆破孔连线区域煤体破碎为较小颗粒，而在 爆轰能量促使爆生裂隙定向扩展，有效解决了双 其他区域裂隙数量较少、长度较短，如图8所示 孔同时起爆时爆炸能量在两爆破孔之间过度集中 对比图8与图7(d)可知，聚能爆破定向集聚 的问题，避免了部分区域煤体的过度破碎，促进了
过程如图 7 所示. t=2500 μs 时，左右两个爆破孔的 爆生裂隙扩展特征相似：两爆破孔周围爆生裂隙 的发育扩展程度基本一致，在两爆破孔连线方向 均出现明显的径向裂隙（将两爆破孔连线方向上 的径向裂隙称为“定向裂隙”）. t=2925 μs 时，两爆 破孔的定向裂隙相互贯通，并在定向裂隙贯通区 出现垂直方向的裂隙，而在定向裂隙贯通区的上 部和下部区域均未出现明显的宏观裂隙. 对比 图 7（a）和（c）可知，在两爆破孔的左右两侧区域， 任一爆破孔的径向裂隙发育扩展均比较明显；而 在两爆破孔之间区域，除定向裂隙实现相互扩展 贯通之外，其他径向裂隙的发育扩展程度不大，但 是出现了数条非连续裂隙. 对比图 7（c）和（d）可 知，在两爆破孔的左侧和右侧区域，任一爆破孔径 向裂隙的扩展方向均出现了一定程度的转向：左 爆破孔径向裂隙的扩展方向向两爆破孔左侧偏 转，右爆破孔径向裂隙的扩展方向向两爆破孔右 侧偏转，从而使两爆破孔左侧和右侧区域内的裂 隙密度增加. 在两爆破孔之间区域，左爆破孔径向 裂隙扩展方向向左侧扩展，右爆破孔径向裂隙的 扩展方向向右扩展，致使两爆破孔的径向裂隙难 以贯通；但是，该区域内非连续裂隙的数目明显增 多，且由定向裂隙贯通区向外扩展的垂直方向裂 隙得到了明显的扩展. (a) (b) (c) (d) 图 7 煤层深孔聚能爆破相邻两孔同时起爆后裂隙扩展贯通过程. （a）t=2500 μs；（b）t=2925 μs；（c）t=3085 μs；（d）t=6000 μs Fig.7 Expansion and penetration process of coal seam fractures during the simultaneous detonation of two blastholes: (a) t = 2500 μs; (b) t = 2925 μs; (c) t = 3085 μs; (d) t = 6000 μs 综上分析，相邻两个爆破孔同时起爆时，应力 波的叠加效应将改变两爆破孔之间区域内径向裂 隙的扩展方向（定向裂隙除外），致使这些径向裂 隙难以朝着初始扩展方向继续扩展贯通，从而形 成爆生裂隙空白带. 聚能爆破能够定向积聚爆轰 能量从而形成定向裂隙[23−25] ，两爆破孔的定向裂 隙相互贯通后在贯通区上部和下部形成垂直方向 裂隙，垂直方向裂隙的不断发育与扩展分叉，最终 贯穿爆生裂隙空白带，消除了相邻双孔齐爆爆生 裂隙空白带对煤层增透效果的影响. 相关研究表明[26] ，由于爆炸应力波的叠加作 用，两爆破孔连线区域煤体破碎为较小颗粒，而在 其他区域裂隙数量较少、长度较短，如图 8 所示. 对比图 8 与图 7（d）可知，聚能爆破定向集聚 爆轰能量促使爆生裂隙定向扩展，有效解决了双 孔同时起爆时爆炸能量在两爆破孔之间过度集中 的问题，避免了部分区域煤体的过度破碎，促进了 图 8 煤层深孔普通爆破相邻两孔同时起爆后裂隙扩展特征[26] Fig.8 Propagation characteristics of coal seam fractures under double deep-hole blasting[26] 郭德勇等： 双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理 · 1617 ·
·1618 工程科学学报，第42卷，第12期 煤体裂隙的发育与扩展 裂隙向两爆破孔右侧扩展.对比图9(c)~(e)可 2.5聚能爆破爆炸应力波对裂隙扩展的影响 知，临近爆破孔的应力波传播过后，裂隙空白带内 为进一步研究相邻两个聚能爆破孔同时起爆 逐渐出现非连续裂隙C-C,表明裂隙空白带内残余 时应力波叠加效应对裂隙扩展的影响，模拟了应 应力与临近爆破孔应力波的压缩应力相互叠加， 力波对裂隙扩展的影响，如图9所示.对比图9(a) 增大了煤体质点的拉伸应力导致煤体质点被拉伸 和(b)可知，左右两个爆破孔的定向裂隙C-A扩展 破坏，而应力波强度随着其向外传播不断衰减，煤 过程中裂隙尖端的应力场与来自邻近爆破孔的应 体质点的拉伸应力强度逐渐降低，当拉伸应力小 力波相互叠加，将促使定向裂隙的扩展与分叉，对 于煤体的动态抗拉强度时裂隙扩展终止，从而形 比图9(b)~(f)中径向裂隙C-B可知，来自临近爆 成了非连续裂隙.对比图9(c)~(f)可知，定向裂 破孔的应力波与裂隙尖端的应力场相互叠加之 隙贯通后，贯通区上部和下部逐渐出现了垂直方 后，裂隙尖端的应力场发生显著变化，致使裂隙继 向裂隙C-D,表明定向裂隙扩展贯通为爆生气体提 续扩展过程中逐渐偏离了初始方向，左爆破孔的 供了通道，爆生气体在贯通区相互碰撞促进了裂 径向裂隙向两爆破孔左侧扩展，右爆破孔的径向 隙的发育与扩展从而形成了垂直方向裂隙. [a r.H Pressure wave e 图9煤层深孔聚能爆破相邻两孔同时起爆过程中应力波对两爆破孔之间裂隙扩展的影响.(a)=1955s:(b)=2320us:(c)=2965us:(d)= 3085us;(e)=4355s:(f)=5630s Fig.9 Effect of the stress wave on crack propagation between two blastholes during the simultaneous detonation of two blastholes:(a)F1955 us; (b)=2320us:(c)=2965μs:(d=3085μs:(e)=4355s:()=5630s 由图10可知，来自相邻爆破孔的应力波传播 3 工程应用试验 过后，两爆破孔左侧和右侧径向裂隙CF以及上 3.1试验区瓦斯地质条件 部和下部径向裂隙CE的扩展方向均发生显著的 以平煤股份十矿己15.16-24130工作面中间煤巷 变化，表明来自相邻爆破孔的应力波与裂隙尖端 为深孔聚能爆破致裂增透试验区，该工作面垂 应力场相互叠加后改变了裂隙尖端合应力的方 深980~1185m,地质构造相对简单，煤层倾角较 向，主导了径向裂隙C-E和C-F的转向. 小.所采己15、16煤层属二叠系下统山西组，煤层瓦斯压 综上，两相邻爆破孔同时起爆时应力波叠加 力和瓦斯含量较高，最大瓦斯压力为3.2MPa,最 效应是促进两爆破孔左右两侧径向裂隙定向扩展 大瓦斯含量为12.5m3t,煤层透气性系数约为 的关键因素，同时也是抑制两爆破孔之间径向裂 0.052~0.076m2MPa2d,是典型的高瓦斯低透 隙（定向裂隙除外）扩展贯通的重要因素 气性煤层
煤体裂隙的发育与扩展. 2.5 聚能爆破爆炸应力波对裂隙扩展的影响 为进一步研究相邻两个聚能爆破孔同时起爆 时应力波叠加效应对裂隙扩展的影响，模拟了应 力波对裂隙扩展的影响，如图 9 所示. 对比图 9（a） 和（b）可知，左右两个爆破孔的定向裂隙 C-A 扩展 过程中裂隙尖端的应力场与来自邻近爆破孔的应 力波相互叠加，将促使定向裂隙的扩展与分叉. 对 比图 9（b）～（f）中径向裂隙 C-B 可知，来自临近爆 破孔的应力波与裂隙尖端的应力场相互叠加之 后，裂隙尖端的应力场发生显著变化，致使裂隙继 续扩展过程中逐渐偏离了初始方向，左爆破孔的 径向裂隙向两爆破孔左侧扩展，右爆破孔的径向 裂隙向两爆破孔右侧扩展. 对比图 9（c）～（e）可 知，临近爆破孔的应力波传播过后，裂隙空白带内 逐渐出现非连续裂隙 C-C，表明裂隙空白带内残余 应力与临近爆破孔应力波的压缩应力相互叠加， 增大了煤体质点的拉伸应力导致煤体质点被拉伸 破坏，而应力波强度随着其向外传播不断衰减，煤 体质点的拉伸应力强度逐渐降低，当拉伸应力小 于煤体的动态抗拉强度时裂隙扩展终止，从而形 成了非连续裂隙. 对比图 9（c）～（f）可知，定向裂 隙贯通后，贯通区上部和下部逐渐出现了垂直方 向裂隙 C-D，表明定向裂隙扩展贯通为爆生气体提 供了通道，爆生气体在贯通区相互碰撞促进了裂 隙的发育与扩展从而形成了垂直方向裂隙. (a) (b) (c) (d) (e) (f) 图 9 煤层深孔聚能爆破相邻两孔同时起爆过程中应力波对两爆破孔之间裂隙扩展的影响. （a）t=1955 μs；（b）t=2320 μs；（c）t=2965 μs；（d）t= 3085 μs；（e）t=4355 μs；（f）t=5630 μs Fig.9 Effect of the stress wave on crack propagation between two blastholes during the simultaneous detonation of two blastholes: (a) t=1955 μs； (b) t=2320 μs；(c) t=2965 μs；(d) t=3085 μs；(e) t=4355 μs；(f) t=5630 μs 由图 10 可知，来自相邻爆破孔的应力波传播 过后，两爆破孔左侧和右侧径向裂隙 C-F 以及上 部和下部径向裂隙 C-E 的扩展方向均发生显著的 变化，表明来自相邻爆破孔的应力波与裂隙尖端 应力场相互叠加后改变了裂隙尖端合应力的方 向，主导了径向裂隙 C-E 和 C-F 的转向. 综上，两相邻爆破孔同时起爆时应力波叠加 效应是促进两爆破孔左右两侧径向裂隙定向扩展 的关键因素，同时也是抑制两爆破孔之间径向裂 隙（定向裂隙除外）扩展贯通的重要因素. 3 工程应用试验 3.1 试验区瓦斯地质条件 以平煤股份十矿己15.16-24130 工作面中间煤巷 为深孔聚能爆破致裂增透试验区，该工作面垂 深 980 ～ 1185 m，地质构造相对简单，煤层倾角较 小. 所采己15、16 煤层属二叠系下统山西组，煤层瓦斯压 力和瓦斯含量较高，最大瓦斯压力为 3.2 MPa，最 大瓦斯含量为 12.5 m3 ·t−1，煤层透气性系数约为 0.052～0.076 m2 ·MP·a−2·d−1，是典型的高瓦斯低透 气性煤层. · 1618 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期
郭德勇等：双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理 ·1619 (a) (b) 4(c 图10煤层深孔聚能爆破相邻两孔同时起爆过程中应力波对两爆破孔左侧和右侧的裂隙扩展影彩响.(a)=3085us:(b)仁43555：(c)=5630s Fig.10 Effect of the stress wave on crack propagation on the left and right side of two blastholes during the simultaneous detonation of two blastholes: (a)=3085μs,(b)=4355s;(c)=5630μs 32试验钻孔设计 制了聚能爆破前后各个考察孔内瓦斯体积分数及 根据试验区瓦斯地质条件，设计了如图11所 纯流量变化特征图（见图12）.其中，D,表征D1和 示的试验钻孔布置方案，分别考察单孔爆破和双 D2的合体，D1和D2两个考察孔在同一时刻瓦斯 孔齐爆条件下的煤层致裂增透效果.其中，双孔齐 体积分数（瓦斯纯流量）的平均值为'(F)(1,2, 爆的爆破孔间隔分为5和9m2种.试验过程中先 3.4). 施工考察孔，并将各个考察孔连接到矿井瓦斯抽 由图12可知，爆破后煤层瓦斯抽采效果得到 采系统，待考察孔内瓦斯体积分数稳定后连续监 明显的提高，爆破后各个考察孔内瓦斯体积分数、 测记录爆破前煤层瓦斯抽采效果，一周后开始施 纯流量较爆破前增幅明显，且距离爆破孔越近，增 工爆破孔，爆破后继续监测记录各个考察孔内瓦 幅越大.但是，受起爆方式的影响，爆破后煤层瓦 斯体积分数及纯流量的变化 斯抽采效果存在一定的差异：在双孔齐爆条件下， (a) D41D1D21D1D2D2 DD. 爆破后各个考察孔内平均瓦斯体系分数及纯流量 增幅均大于单孔爆破，随着远离爆破孔，双孔爆破 和单孔爆破对应的各个考察孔内平均瓦斯体积分 数及纯流量增幅的差值（净增长量）均呈先增大、 Blasthole O Test hole 后减小的趋势.相比于距离爆破孔更近的D1考察 孔，D2、D3考察孔受距离较近爆破孔的影响相对 (b)Da D3 D21D1 DD, 较小，裂隙发育程度相对较低，当距离较远爆破孔 的爆炸应力波传播至此处时，应力波叠加效应对 裂隙扩展的促进作用更明显. 综上可知，双孔爆破能够有效地促进两爆破 ●Blasthole O Test hole 孔外侧煤层裂隙的发育扩展，提高爆破增透效果 (c) 随着远离爆破孔，双孔爆破叠加效应对裂隙扩展 的促进作用呈先增加后减小的趋势 为研究双孔爆破应力叠加效应对两孔之间煤 1.5151.1.31.1.1.51.5151.1 层裂隙扩展的影响，开展了如图I1(c)所示的煤层 ●Blasthole o Test hole 深孔聚能爆破双孔同时起爆试验，分析了试验期 困11煤层深孔聚能爆破试验钻孔布置示意图（单位：m).(a)单孔爆 间各个考察孔内瓦斯抽采参数的变化特征，绘制 破：(b)双孔间隔5m齐爆：(c)双孔间隔9m齐爆 了如图13所示的爆破孔两侧相同距离的D,和 Fig.11 Trial borehole layout of deep-hole cumulative blasting (unit:m): (a)single-hole blasting,(b)simultaneous explosion of two blastholes at D,、D2和D6考察孔内瓦斯体积分数及纯流量的 5-m intervals;(c)simultaneous explosion of two blastholes at 9-m 对比图 intervals 由图13可知，针对D1和D,考察孔，聚能爆破 33试验效果分析 前后瓦斯体积分数及纯流量变化规律均基本一 根据试验期间各个考察孔内瓦斯体积分数及 致，聚能爆破后D1和D,考察孔内平均瓦斯体积 纯流量监测结果，对比分析了单孔起爆和间隔为5m 分数增幅分别为163.9%和163.5%，平均瓦斯纯流 的双孔同时起爆对煤层瓦斯抽采效果的影响，绘 量增幅分别为177.1%和177.9%.针对D2和D6考
3.2 试验钻孔设计 根据试验区瓦斯地质条件，设计了如图 11 所 示的试验钻孔布置方案，分别考察单孔爆破和双 孔齐爆条件下的煤层致裂增透效果. 其中，双孔齐 爆的爆破孔间隔分为 5 和 9 m 2 种. 试验过程中先 施工考察孔，并将各个考察孔连接到矿井瓦斯抽 采系统，待考察孔内瓦斯体积分数稳定后连续监 测记录爆破前煤层瓦斯抽采效果，一周后开始施 工爆破孔，爆破后继续监测记录各个考察孔内瓦 斯体积分数及纯流量的变化. (a) Blasthole Test hole D11 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 Coal seam D41 D31 D21 D12 D22 D32 D42 Blasthole Test hole (b) Coal seam D5 D6 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 2.0 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 D41 D31 D21 D11 D12 D22 D32 D42 D21 D11 D71 D61 D5 D62 D72 D12 D22 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 Blasthole Test hole Coal seam (c) 图 11 煤层深孔聚能爆破试验钻孔布置示意图（单位：m）. （a）单孔爆 破；（b）双孔间隔 5 m 齐爆；（c）双孔间隔 9 m 齐爆 Fig.11 Trial borehole layout of deep-hole cumulative blasting (unit: m): (a) single-hole blasting; (b) simultaneous explosion of two blastholes at 5-m intervals; (c) simultaneous explosion of two blastholes at 9-m intervals 3.3 试验效果分析 根据试验期间各个考察孔内瓦斯体积分数及 纯流量监测结果，对比分析了单孔起爆和间隔为 5 m 的双孔同时起爆对煤层瓦斯抽采效果的影响，绘 制了聚能爆破前后各个考察孔内瓦斯体积分数及 纯流量变化特征图（见图 12）. 其中，Di 表征 Di1 和 Di2 的合体，Di1 和 Di2 两个考察孔在同一时刻瓦斯 体积分数（瓦斯纯流量）的平均值为 Vi（Fi）（i=1, 2, 3, 4）. 由图 12 可知，爆破后煤层瓦斯抽采效果得到 明显的提高，爆破后各个考察孔内瓦斯体积分数、 纯流量较爆破前增幅明显，且距离爆破孔越近，增 幅越大. 但是，受起爆方式的影响，爆破后煤层瓦 斯抽采效果存在一定的差异：在双孔齐爆条件下， 爆破后各个考察孔内平均瓦斯体系分数及纯流量 增幅均大于单孔爆破，随着远离爆破孔，双孔爆破 和单孔爆破对应的各个考察孔内平均瓦斯体积分 数及纯流量增幅的差值（净增长量）均呈先增大、 后减小的趋势. 相比于距离爆破孔更近的 D1 考察 孔，D2、D3 考察孔受距离较近爆破孔的影响相对 较小，裂隙发育程度相对较低，当距离较远爆破孔 的爆炸应力波传播至此处时，应力波叠加效应对 裂隙扩展的促进作用更明显. 综上可知，双孔爆破能够有效地促进两爆破 孔外侧煤层裂隙的发育扩展，提高爆破增透效果. 随着远离爆破孔，双孔爆破叠加效应对裂隙扩展 的促进作用呈先增加后减小的趋势. 为研究双孔爆破应力叠加效应对两孔之间煤 层裂隙扩展的影响，开展了如图 11（c）所示的煤层 深孔聚能爆破双孔同时起爆试验，分析了试验期 间各个考察孔内瓦斯抽采参数的变化特征，绘制 了如图 13 所示的爆破孔两侧相同距离的 D1 和 D7、D2 和 D6 考察孔内瓦斯体积分数及纯流量的 对比图. 由图 13 可知，针对 D1 和 D7 考察孔，聚能爆破 前后瓦斯体积分数及纯流量变化规律均基本一 致，聚能爆破后 D1 和 D7 考察孔内平均瓦斯体积 分数增幅分别为 163.9% 和 163.5%，平均瓦斯纯流 量增幅分别为 177.1% 和 177.9%. 针对 D2 和 D6 考 (a) (b) (c) 图 10 煤层深孔聚能爆破相邻两孔同时起爆过程中应力波对两爆破孔左侧和右侧的裂隙扩展影响. （a）t=3085 μs；（b）t=4355 μs；（c）t=5630 μs Fig.10 Effect of the stress wave on crack propagation on the left and right side of two blastholes during the simultaneous detonation of two blastholes: (a) t=3085 μs; (b) t=4355 μs; (c) t=5630 μs 郭德勇等： 双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理 · 1619 ·
1620 工程科学学报，第42卷，第12期 100 Before blasting After blasting 0.018 Before blasting！ After blasting 90 (a) (b) 一V 0.05 一F1 7 ◆F 0.012 62 一F3 0.01171 38.0 F 001606 0.009 00832 4 0.006 20 0.003 10 14 16 18 10 12 14 16 Tme/d Time/d 100 After blasting 0.020 Before blasting After blasting 9 0.018 (d) 78.1 0.016 F 00 693 0.014 0.0130 0.012 001203 5 0.010 001013 0.00881 0.008 28.0 274 0.006 -000441 0.004 ---0.00407 0.002 10 12 14 16 18 10 12 141618 Time/d Time/d 185 (e) Double hole 70 220 8 40 (① Single hole 34 Double hole 60 ☑Net increase Single hole 48 ☑Net increase 30 8 44.4 50 165 25 389 33 5 17 20 30 110 74 10 0 55 D: D, D D, D Number of test hole Number of test hole 图12煤层深孔聚能爆破前后各个考察孔内瓦斯体积分数及纯流量变化规律.(a~b)单孔爆破：(c~d)双孔爆破：(e~)单/双孔对比 Fig.12 Variations in gas volume fraction and gas pure flow in each test hole before and after cumulative blasting:(a-b)single-hole blasting;(c-d) double-hole blasting:(e-f)single-/double-hole blasting comparison 100 0.018 Before blasting After blasting Before blasting After blasting 90 (a) (b) 0.015 80 一F, 0.012 F 002 66.9 6 -V3 0.01035 0.00 F 4 0.006 -==0.0048 ==0.0047 30 0.003 20 : 10 10 12 16 10 12 1416 18 Time/d Time/d 图13 煤层深孔聚能爆破后各个考察孔内瓦斯体积分数()及纯流量(b)对比图 Fig.13 Comparison of gas volume fraction (a)and gas pure flow(b)in each test hole
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Gas volume fraction/ % Time/d 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Gas volume fraction/ % Time/d Time/d 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 0.003 0.006 0.009 0.012 0.015 0.018 Pure gas flow/(m3·min−1 ) Time/d 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020 Gas pure flow/(m3·min−1 ) 37 74 111 148 185 D2 D3 D4 Double hole Single hole Average increase in gas volume fraction// % Number of test hole D1 D2 D3 D4 Number of test hole D1 0 10 20 30 40 50 60 70 Net increase Double hole Single hole Net increase Net increase/ % 55 110 165 220 Average increase in pure gas flow/ % 0 10 20 30 40 Net increase/ % V1 V2 V3 V4 Before blasting After blasting 28.5 28.0 27.7 26.2 66.2 58.0 47.5 45.0 (a) F1 F2 F3 F4 0.00398 0.00406 0.00455 0.00465 0.00782 0.00839 0.01006 Before blasting After blasting 0.01171 (b) V1 V2 V3 V4 Before blasting After blasting 78.1 69.3 57.1 50.9 28.0 27.4 26.6 25.3 F1 F2 F3 F4 0.00407 0.00441 0.00466 0.00481 0.00882 0.01013 0.01203 Before blasting After blasting 0.01380 (d) 38.9 45.8 44.4 33.5 (e) 25 34 38 17 (f) (c) 图 12 煤层深孔聚能爆破前后各个考察孔内瓦斯体积分数及纯流量变化规律. （a～b）单孔爆破；（c～d）双孔爆破；（e～f）单/双孔对比 Fig.12 Variations in gas volume fraction and gas pure flow in each test hole before and after cumulative blasting: (a−b) single-hole blasting; (c−d) double-hole blasting; (e−f) single-/double-hole blasting comparison 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Time/d 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Time/d V7 V1 V6 V2 F7 F1 F6 F2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Gas volume fraction/ % Before blasting After blasting 0 0.003 0.006 0.009 0.012 0.015 0.018 0.01306 0.01236 0.01167 0.01035 Gas pure flow/(m3·min−1 ) Before blasting After blasting 0.00440 0.00446 0.00470 0.00482 73.8 71.0 66.9 60.7 28.6 28.0 27.2 26.9 (a) (b) 图 13 煤层深孔聚能爆破后各个考察孔内瓦斯体积分数（a）及纯流量（b）对比图 Fig.13 Comparison of gas volume fraction (a) and gas pure flow (b) in each test hole · 1620 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期
郭德勇等：双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理 ·1621 察孔，聚能爆破前后瓦斯体积分数及纯流量变化 差异：自考察孔D1至考察孔D2,各个考察孔内 表现出一定的差异性：聚能爆破后D2和D6考察 平均瓦斯体积分数及纯流量均呈规律性波动.位 孔内平均瓦斯体积分数增幅分别为133.9%、123.2%， 于两爆破孔中间位置的D5考察孔，比D61和D62 平均瓦斯纯流量增幅分别为142.1%和135.2%，两 考察孔离爆破孔更远，但D考察孔内平均瓦斯体 爆破孔外侧相同距离处考察孔内瓦斯体积分数及 积分数或瓦斯纯流量明显高于D61和D62考察孔 纯流量的增幅均更大.爆生裂隙（定向裂隙除外） 在两爆破孔中心连线上，来自另一个爆破孔的爆 扩展过程中，来自另一个爆破孔的爆炸应力波促 炸应力波非但没有抑制裂隙的扩展，还将促进该 使爆生裂隙的扩展方向发生转变，导致该区域煤 方向上裂隙的扩展与分叉，当两爆破孔引起的煤 体裂隙的扩展受到抑制，制约了该区域煤层瓦斯 体裂隙在该方向上贯通后，高压爆生气体在贯通 抽采效果的提高 区（通常为两爆破孔中间位置）相互作用促进了贯 图14为两爆破孔之间D1~Dn考察孔内瓦 通区煤体裂隙的扩展，提高了该区域煤层的透气 斯体积分数及纯流量波动曲线.爆破前各个考察 性：同时也在一定程度上弱化了双孔同时起爆过 孔内平均瓦斯体积分数、纯流量均相差不多，而爆 程中爆炸应力波相互叠加对部分区域煤体裂隙扩 破后各个考察孔内平均瓦斯体积分数存在一定的 展的抑制作用 100 Before blasting After blasting 0.018 Before blasting After blasting 90 (a) (b) 0015 -D1 一F 饼 70 D61 F61 0.012 F 8818 60 T—D62 0.009 -F62 30 ◆D % 0.008 274 0.003 : 0.0020 10 810 12 14 16 18 810 1214 1618 Time/d Time/d 图14煤层深孔聚能爆破后两爆破孔之间各个考察孔内瓦斯体积分数()及纯流量(b)对比图 Fig.14 Comparison of gas volume fractions (a)and gas pure flow (b)in each observation hole between two blastholes 综上所述，煤层深孔聚能爆破双孔齐爆过程 爆破孔之间部分区域形成裂隙空白带的关键 中，两爆破孔之间爆生裂隙的扩展方向在相邻爆 因素 破孔的爆炸应力波作用下发生转变，致使部分区 (2)聚能爆破定向积聚爆轰能量致裂煤体形 域煤体裂隙扩展受限.然而，来自相邻爆破孔的爆 成定向裂隙，两爆破孔的定向裂隙相互贯通后为 炸应力波非但没有抑制两爆破孔中心连线上爆生 爆生气体提供运移通道，爆生气体相互作用致使 裂隙的扩展，还将促进该方向上裂隙的扩展与分 贯通区煤体进一步破裂形成垂直方向裂隙，垂直 叉，在两爆破孔的裂隙贯通区，爆生气体相互碰撞 方向裂隙的不断发育扩展，最终贯穿裂隙空白带， 进一步促进了该区域裂隙的发育与扩展，大幅提 避免了两爆破孔之间煤体的过度破碎，提高了爆 高了煤层透气性，从而使两爆破孔之间不同考察 破致裂效果 孔内平均瓦斯体积分数及纯流量的增幅呈规律性 (3)聚能爆破致裂增透工程试验发现，双孔齐 波动. 爆条件下不同位置处应力波叠加效应对裂隙扩展 的影响存在一定差异：在两爆破孔外侧，应力波叠 4结论 加效应将促进裂隙的扩展，且该作用随着远离爆 (1)相邻两爆破孔同时起爆时爆炸应力波的 破孔呈先增加、后减小的趋势；而在两爆破孔之 叠加效应致使两爆破孔中间截面上部分区域 间，应力波叠加效应对裂隙扩展具有一定的抑制 及其邻域内形成均压区，迫使两爆破孔之间径 作用，降低了部分区域煤层增透的效果，致使不同 向裂隙（定向裂隙除外）的扩展方向发生转变 考察孔内平均瓦斯体积分数及纯流量的增幅呈规 难以朝着初始方向继续扩展贯通，这是导致两 律性波动
察孔，聚能爆破前后瓦斯体积分数及纯流量变化 表现出一定的差异性：聚能爆破后 D2 和 D6 考察 孔内平均瓦斯体积分数增幅分别为 133.9%、123.2%， 平均瓦斯纯流量增幅分别为 142.1% 和 135.2%，两 爆破孔外侧相同距离处考察孔内瓦斯体积分数及 纯流量的增幅均更大. 爆生裂隙（定向裂隙除外） 扩展过程中，来自另一个爆破孔的爆炸应力波促 使爆生裂隙的扩展方向发生转变，导致该区域煤 体裂隙的扩展受到抑制，制约了该区域煤层瓦斯 抽采效果的提高. 图 14 为两爆破孔之间 D71～D72 考察孔内瓦 斯体积分数及纯流量波动曲线. 爆破前各个考察 孔内平均瓦斯体积分数、纯流量均相差不多，而爆 破后各个考察孔内平均瓦斯体积分数存在一定的 差异：自考察孔 D71 至考察孔 D72，各个考察孔内 平均瓦斯体积分数及纯流量均呈规律性波动. 位 于两爆破孔中间位置的 D5 考察孔，比 D61 和 D62 考察孔离爆破孔更远，但 D5 考察孔内平均瓦斯体 积分数或瓦斯纯流量明显高于 D61 和 D62 考察孔. 在两爆破孔中心连线上，来自另一个爆破孔的爆 炸应力波非但没有抑制裂隙的扩展，还将促进该 方向上裂隙的扩展与分叉，当两爆破孔引起的煤 体裂隙在该方向上贯通后，高压爆生气体在贯通 区（通常为两爆破孔中间位置）相互作用促进了贯 通区煤体裂隙的扩展，提高了该区域煤层的透气 性；同时也在一定程度上弱化了双孔同时起爆过 程中爆炸应力波相互叠加对部分区域煤体裂隙扩 展的抑制作用. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Time/d 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Time/d Gas volume fraction/ % Gas pure flow/(m3·min−1 ) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Before blasting After blasting D71 D61 D5 D62 D72 28.6 28.1 27.4 26.3 26.0 74.2 73.4 70.6 60.3 61.1 0 0.003 0.006 0.009 0.012 0.015 0.018 0.00420 0.00455 0.00456 0.00481 0.00502 0.01069 0.01083 0.01211 0.01277 0.01294 F71 F61 F5 F62 F72 Before blasting After blasting (a) (b) 图 14 煤层深孔聚能爆破后两爆破孔之间各个考察孔内瓦斯体积分数（a）及纯流量（b）对比图 Fig.14 Comparison of gas volume fractions (a) and gas pure flow (b) in each observation hole between two blastholes 综上所述，煤层深孔聚能爆破双孔齐爆过程 中，两爆破孔之间爆生裂隙的扩展方向在相邻爆 破孔的爆炸应力波作用下发生转变，致使部分区 域煤体裂隙扩展受限. 然而，来自相邻爆破孔的爆 炸应力波非但没有抑制两爆破孔中心连线上爆生 裂隙的扩展，还将促进该方向上裂隙的扩展与分 叉，在两爆破孔的裂隙贯通区，爆生气体相互碰撞 进一步促进了该区域裂隙的发育与扩展，大幅提 高了煤层透气性，从而使两爆破孔之间不同考察 孔内平均瓦斯体积分数及纯流量的增幅呈规律性 波动. 4 结论 （1）相邻两爆破孔同时起爆时爆炸应力波的 叠加效应致使两爆破孔中间截面上部分区域 及其邻域内形成均压区，迫使两爆破孔之间径 向裂隙（定向裂隙除外）的扩展方向发生转变， 难以朝着初始方向继续扩展贯通，这是导致两 爆破孔之间部分区域形成裂隙空白带的关键 因素. （2）聚能爆破定向积聚爆轰能量致裂煤体形 成定向裂隙，两爆破孔的定向裂隙相互贯通后为 爆生气体提供运移通道，爆生气体相互作用致使 贯通区煤体进一步破裂形成垂直方向裂隙，垂直 方向裂隙的不断发育扩展，最终贯穿裂隙空白带， 避免了两爆破孔之间煤体的过度破碎，提高了爆 破致裂效果. （3）聚能爆破致裂增透工程试验发现，双孔齐 爆条件下不同位置处应力波叠加效应对裂隙扩展 的影响存在一定差异：在两爆破孔外侧，应力波叠 加效应将促进裂隙的扩展，且该作用随着远离爆 破孔呈先增加、后减小的趋势；而在两爆破孔之 间，应力波叠加效应对裂隙扩展具有一定的抑制 作用，降低了部分区域煤层增透的效果，致使不同 考察孔内平均瓦斯体积分数及纯流量的增幅呈规 律性波动. 郭德勇等： 双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理 · 1621 ·