·1282 北京科技大学学报 第36卷 破理论并结合聚能爆破作用特点和煤体物理力 煤层瓦斯富集，构造煤的存在使煤体塑性特性更加 学性质，可将聚能爆破过程分为四个阶段：聚能 明显，煤体与封孔物之间的摩擦因数也更小，在瓦斯 流侵彻煤体阶段、冲击波作用阶段、应力波作用阶段 压力和爆生气体的膨胀扩张作用下可将封孔物沿炮 以及爆生气体和瓦斯的准静态作用阶段.以抗压、 孔推出，即造成冲孔现象。若构造煤发育显著且瓦 抗拉破坏准则结合爆炸应力波传播规律，爆破煤体 斯压力更大时，爆破裂隙的生成促使赋存在煤体中 在空间上可划分为粉碎区、裂隙区和爆破震动 的瓦斯进一步解吸，在地应力、瓦斯和煤体结构等多 区).在埋深一定的条件下，煤层深孔聚能爆破物 种因素综合作用下会导致煤与瓦斯突出， 理过程、爆炸应力波的传播、爆破煤体变形和破坏机 2.2.2断层通过控制爆破能量传播影响爆破安 制受煤体中发育的节理、裂隙、断层等结构面控制， 全性 称为爆破煤体结构控制原理 断层对爆破能量传播的控制可从两方面来实 现：一是爆炸应力波的反射和透射改变爆破能量分 2断层对煤层增透及爆破安全的影响 布：二是爆生气体的卸压导致爆破能量逸散. 2.1断层对聚能爆破增透效果的影响 炸药起爆后，爆炸应力波自药卷向四周传播，若 煤的裂隙、孔隙结构和地应力是影响煤层透气 爆破影响范围内存在断层，则应力波传播至断层时 性的主要因素，增加煤的裂隙数量和密度是增加煤 会发生反射和透射现象.断层内填充物与炮孔周边 层透气性的主要途径，深孔聚能爆破煤体中的断层 煤体介质波阻抗差别不大时，应力波能量以透射为 通过控制裂隙的生成和发育影响爆破增透效果.断 主；反之，应力波能量以反射为主，假设入射应力波 层对爆破裂隙生成的控制作用表现在两方面：一是 为压缩波，则反射拉伸波与其他拉伸波相互作用，在 断层控制着爆破煤体介质的动态应力场，某点的应 断层附近会形成应力波叠加区（见图1），最终导致 力强度因子大于煤体的断裂韧度时初始裂隙生成， 断层一侧爆破能量大幅增加，若此区域瓦斯富集，瓦 且初始裂隙的开裂和扩展方向与最大主应力有关： 斯与爆生气体耦合作用下有可能造成冲孔，甚至发 二是断层控制着爆破煤体介质的准静态应力场，爆 生煤与瓦斯突出. 生气体在断层附近发育的次生裂隙中膨胀扩张，造 成次生裂隙的扩展，裂隙扩展的长度与准静态应力 场强度有关.煤体中爆破裂隙的发育受爆破作用方 向和结构面两种因素影响，由于煤层深孔聚能爆破 断层 采用连续装药正向爆破，爆破作用方向是确定的，因 而煤体爆破裂隙主要受结构面的控制.煤层深孔聚 应力波叠加 能爆破的聚能方向与非聚能方向相比，动态应力场 炮孔 应力波叠加区 和准静态应力场分布有很大差异，因而断层的位置 对于裂隙生成和发育影响很大，处于聚能方向的断 层对增透效果的影响更为显著 图1断层对爆炸应力波传播的影响 2.2断层对聚能爆破安全性的影响 Fig.I Impact of fault on blasting waves 2.2.1断层通过控制瓦斯赋存影响爆破安全性 断层对瓦斯赋存的影响有两种方式：一是造成 爆生气体的膨胀能量对爆破裂隙区的形成有 了有利于瓦斯赋存的环境：二是形成了有利于瓦斯 重要作用，其高温高压气体以爆破裂隙为通道向 逸散的通道。由于构造应力场的复杂性，出现有应 爆破远区传播，若在爆破影响区内存在断层与 力集中程度不同的块段，造成了相对高压区和低压 巷道连通（见图2），可将此断层视为自由面，根据 区，压差的存在构成了驱动瓦斯运移的动力，造成了 最小抵抗线爆破作用原理，爆炸能量会更多的作 瓦斯分布的不均衡.不同类型的断层，力学性质和 用在最小抵抗线方向，若断层内有软弱充填物或 封闭情况不同，形成了有利于瓦斯赋存或者瓦斯逸 无充填物，最终可能造成爆生气体能量逸出，影响 散的不同条件 爆破安全， 断层通过控制瓦斯赋存对爆破安全性的影响表 2.2.3断层对煤层深孔聚能爆破安全性的影响 现为冲孔以及诱发煤和瓦斯突出两种方式.断层周 煤层深孔聚能爆破与普通深孔爆破能量分布的 边的应力集中使得构造煤发育且透气性降低而导致 差异导致了断层对深孔聚能爆破能量传播的控制作北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 破理论并结合聚能爆破作用特点［12］和煤体物理力 学性质，可将聚能爆破过程分为四个阶段［5］: 聚能 流侵彻煤体阶段、冲击波作用阶段、应力波作用阶段 以及爆生气体和瓦斯的准静态作用阶段． 以抗压、 抗拉破坏准则结合爆炸应力波传播规律，爆破煤体 在空间上可划分为粉碎区、裂隙区和爆破震动 区［13］． 在埋深一定的条件下，煤层深孔聚能爆破物 理过程、爆炸应力波的传播、爆破煤体变形和破坏机 制受煤体中发育的节理、裂隙、断层等结构面控制， 称为爆破煤体结构控制原理． 2 断层对煤层增透及爆破安全的影响 2. 1 断层对聚能爆破增透效果的影响 煤的裂隙、孔隙结构和地应力是影响煤层透气 性的主要因素，增加煤的裂隙数量和密度是增加煤 层透气性的主要途径，深孔聚能爆破煤体中的断层 通过控制裂隙的生成和发育影响爆破增透效果． 断 层对爆破裂隙生成的控制作用表现在两方面: 一是 断层控制着爆破煤体介质的动态应力场，某点的应 力强度因子大于煤体的断裂韧度时初始裂隙生成， 且初始裂隙的开裂和扩展方向与最大主应力有关; 二是断层控制着爆破煤体介质的准静态应力场，爆 生气体在断层附近发育的次生裂隙中膨胀扩张，造 成次生裂隙的扩展，裂隙扩展的长度与准静态应力 场强度有关． 煤体中爆破裂隙的发育受爆破作用方 向和结构面两种因素影响，由于煤层深孔聚能爆破 采用连续装药正向爆破，爆破作用方向是确定的，因 而煤体爆破裂隙主要受结构面的控制． 煤层深孔聚 能爆破的聚能方向与非聚能方向相比，动态应力场 和准静态应力场分布有很大差异，因而断层的位置 对于裂隙生成和发育影响很大，处于聚能方向的断 层对增透效果的影响更为显著． 2. 2 断层对聚能爆破安全性的影响 2. 2. 1 断层通过控制瓦斯赋存影响爆破安全性 断层对瓦斯赋存的影响有两种方式: 一是造成 了有利于瓦斯赋存的环境; 二是形成了有利于瓦斯 逸散的通道． 由于构造应力场的复杂性，出现有应 力集中程度不同的块段，造成了相对高压区和低压 区，压差的存在构成了驱动瓦斯运移的动力，造成了 瓦斯分布的不均衡． 不同类型的断层，力学性质和 封闭情况不同，形成了有利于瓦斯赋存或者瓦斯逸 散的不同条件． 断层通过控制瓦斯赋存对爆破安全性的影响表 现为冲孔以及诱发煤和瓦斯突出两种方式． 断层周 边的应力集中使得构造煤发育且透气性降低而导致 煤层瓦斯富集，构造煤的存在使煤体塑性特性更加 明显，煤体与封孔物之间的摩擦因数也更小，在瓦斯 压力和爆生气体的膨胀扩张作用下可将封孔物沿炮 孔推出，即造成冲孔现象． 若构造煤发育显著且瓦 斯压力更大时，爆破裂隙的生成促使赋存在煤体中 的瓦斯进一步解吸，在地应力、瓦斯和煤体结构等多 种因素综合作用下会导致煤与瓦斯突出． 2. 2. 2 断层通过控制爆破能量传播影响爆破安 全性 断层对爆破能量传播的控制可从两方面来实 现: 一是爆炸应力波的反射和透射改变爆破能量分 布; 二是爆生气体的卸压导致爆破能量逸散． 炸药起爆后，爆炸应力波自药卷向四周传播，若 爆破影响范围内存在断层，则应力波传播至断层时 会发生反射和透射现象． 断层内填充物与炮孔周边 煤体介质波阻抗差别不大时，应力波能量以透射为 主; 反之，应力波能量以反射为主，假设入射应力波 为压缩波，则反射拉伸波与其他拉伸波相互作用，在 断层附近会形成应力波叠加区( 见图 1) ，最终导致 断层一侧爆破能量大幅增加，若此区域瓦斯富集，瓦 斯与爆生气体耦合作用下有可能造成冲孔，甚至发 生煤与瓦斯突出． 图 1 断层对爆炸应力波传播的影响 Fig． 1 Impact of fault on blasting waves 爆生气体的膨胀能量对爆破裂隙区的形成有 重要作用，其高温高压气体以爆破裂隙为通道向 爆破远区传播［14］，若在爆破影响区内存在断层与 巷道连通( 见图 2) ，可将此断层视为自由面，根据 最小抵抗线爆破作用原理，爆炸能量会更多的作 用在最小抵抗线方向，若断层内有软弱充填物或 无充填物，最终可能造成爆生气体能量逸出，影响 爆破安全． 2. 2. 3 断层对煤层深孔聚能爆破安全性的影响 煤层深孔聚能爆破与普通深孔爆破能量分布的 差异导致了断层对深孔聚能爆破能量传播的控制作 · 2821 ·