郭德勇等：装药结构对煤层深孔聚能爆破增透的影响 ·1491· 上式分别表示在y轴方向上（图1），爆破孔壁 在y轴正负方向上裂隙发育区半径r21、T2分 上沿和下沿所受爆炸载荷大小.根据爆源近区冲击 别为： 波压力随距爆源中心距离衰减规律，径向应力峰值 Sed 大于煤体动态抗压强度时煤体破碎，当满足如下条 ra=1-d1-uaSu+o. 件时： (16) P=0:=S (10) 在y轴正负方向上粉碎区半径112分别为： r=1-d1-ua(Su +ox 在x轴方向上引入裂隙发展区聚能影响系数 7=R k2,x轴方向裂隙发育区半径ra为： (11) h2r13 I Sed 瑞 =R PoDo16 (17) 8R-6n3w） ra=1-dl(Su+o:) 2.4聚能爆破裂隙扩展区 式中，σ为爆破在煤岩体中产生的径向应力，S为 聚能爆破前期煤岩体主要受到爆炸应力波作 爆源近区煤岩体的动态抗压强度 用，后期主要受到爆生气体静压作用，前期作用时间 在x轴方向上（图1）引入粉碎区聚能影响系数 较短，后期作用时间较长.在爆破孔周边煤岩体在 k1,x轴方向的粉碎区半径r13为： 应力波作用下已经形成一定范围的粉碎区和裂隙发 育区，爆生气体逐渐进入裂隙内，进一步改变煤岩体 T13=R1 8S (N 12) 受力状态 2.3聚能爆破裂隙发育区 假设在爆生气体进入裂隙中时，裂隙面受到气 聚能爆破裂隙发育区主要由拉伸破坏形成，随 体压力与爆破孔内气体压力相同，且考虑气体从裂 着爆炸应力波传播距离的不断增大，煤岩体单位面 隙中泄露的影响，得到裂纹扩展到长度L时，孔壁压 积上的能量密度下降，导致应力波急剧衰减，粉碎区 力表达式[2)为： 外围的压缩应力波已不能直接引起岩体的压缩破 (18) 坏，但径向压缩作用伴生的切向拉应力产生拉伸破 B=B(伦) 坏而形成径向裂隙，同时应变能释放产生径向拉应 其中，P。为作用在爆破孔壁处的初始静压，近似以冲 力，使岩体破坏产生环向裂隙，径向和环向裂隙交错 击压力峰值P,代替，裂纹尖端的应力强度因子] 形成裂隙发育区 为： 煤岩体环向拉应力σ。与径向压应力σ，的关系 P1-0 如下： (19) 0。二1-a (13) 式中，为裂隙长度：x为裂隙扩展方向的坐标；σ为 在爆破粉碎区与爆破裂隙区的界面上，存在如 垂直裂隙面的地应力. 下关系： 由上述聚能爆破裂隙范围计算公式可得，随着 0.=Sa (14) 地应力增大，相应的爆破裂隙范围会随之减小，表明 在爆破粉碎区外，爆炸冲击波衰减为爆炸应力 地应力会影响煤层深孔聚能爆破增透致裂过程，随 波继续传播，当煤岩体所受环向应力峰值大于煤岩 着爆炸应力波向四周传播，应力幅值逐渐衰减，地应 体动态抗拉强度S时，将产生径向裂隙 力对爆破裂隙扩展影响程度逐渐增大，随着垂直于 由式(7)可知，在y轴方向上（图1），随着距钻 裂隙扩展方向的地应力增大，爆破裂隙扩展范围逐 孔中心距离r增加，σ0会趋近于σ，为简化计算，令 渐减小 σ赋值为σ煤岩体通常不是均质完整的，其中含 以平煤十矿己组煤层为例，试验工作面垂直地 有大量的断层、节理、裂隙等结构面，所以煤体可认 应力o:=12.85MPa,水平地应力o,=28.38MPa, 为是存在损伤的岩体，因此引入损伤因子d.结合式 煤体单轴抗压强度4.94MPa,单轴抗拉强度0.37 (4)、式(7)、式(9)、式(13)和式(14)，当满足如下 MPa,泊松比0.4，爆破采用三级煤矿许用炸药，药卷 条件时： 半径25mm,密度1140kg·m-3,爆速3200ms1.可 Oe=S+o (15) 得到聚能爆破范围如表1所示.郭德勇等: 装药结构对煤层深孔聚能爆破增透的影响 上式分别表示在 y 轴方向上(图 1),爆破孔壁 上沿和下沿所受爆炸载荷大小. 根据爆源近区冲击 波压力随距爆源中心距离衰减规律,径向应力峰值 大于煤体动态抗压强度时煤体破碎,当满足如下条 件时: Pt = 滓r = Scd (10) 在 y 轴正负方向上粉碎区半径 r11 、r12分别为: r11 = R ( 籽0D 2 8S ( cd r0 R + ) h 6 浊 - 3N ) 1 - 滋d 2 - 滋d r12 = R ( 籽0D 2 8S ( cd r0 R - ) h 6 浊 - 3N ) 1 - 滋d 2 - 滋 ì î í ï ï ï ï d (11) 式中,滓r为爆破在煤岩体中产生的径向应力,Scd为 爆源近区煤岩体的动态抗压强度. 在 x 轴方向上(图 1)引入粉碎区聚能影响系数 k1 ,x 轴方向的粉碎区半径 r13为: r13 = Rk1 ( 籽0D 2 8Scd r 6 0 (R 2 - h 2 ) 3浊 - 3N ) 1 - 滋d 2 - 滋d (12) 2郾 3 聚能爆破裂隙发育区 聚能爆破裂隙发育区主要由拉伸破坏形成,随 着爆炸应力波传播距离的不断增大,煤岩体单位面 积上的能量密度下降,导致应力波急剧衰减,粉碎区 外围的压缩应力波已不能直接引起岩体的压缩破 坏,但径向压缩作用伴生的切向拉应力产生拉伸破 坏而形成径向裂隙,同时应变能释放产生径向拉应 力,使岩体破坏产生环向裂隙,径向和环向裂隙交错 形成裂隙发育区. 煤岩体环向拉应力 滓兹与径向压应力 滓r的关系 如下: 滓兹 = 滋d 1 - 滋d 滓r (13) 在爆破粉碎区与爆破裂隙区的界面上,存在如 下关系: 滓r = Scd (14) 在爆破粉碎区外,爆炸冲击波衰减为爆炸应力 波继续传播,当煤岩体所受环向应力峰值大于煤岩 体动态抗拉强度 Std时,将产生径向裂隙. 由式(7)可知,在 y 轴方向上(图 1),随着距钻 孔中心距离 r 增加,滓兹0会趋近于 滓x,为简化计算,令 滓兹0赋值为 滓x . 煤岩体通常不是均质完整的,其中含 有大量的断层、节理、裂隙等结构面,所以煤体可认 为是存在损伤的岩体,因此引入损伤因子 d. 结合式 (4)、式(7)、式(9)、式(13)和式(14),当满足如下 条件时: 滓兹 = Std + 滓x (15) 在 y 轴正负方向上裂隙发育区半径 r21 、r22 分 别为: r21 = r11 1 - d 滋d 1 - 滋 ( d Scd Std + 滓 ) x 1 - 滋d 2 - 3滋d r22 = r12 1 - d 滋d 1 - 滋 ( d Scd Std + 滓 ) x 1 - 滋d 2 - 3滋 ì î í ï ï ï ï d (16) 在 x 轴方向上引入裂隙发展区聚能影响系数 k2 ,x 轴方向裂隙发育区半径 r23为: r23 = k2 r13 1 - [ d Scd (Std + 滓z ] ) 1 - 滋d 2 - 3滋d (17) 2郾 4 聚能爆破裂隙扩展区 聚能爆破前期煤岩体主要受到爆炸应力波作 用,后期主要受到爆生气体静压作用,前期作用时间 较短,后期作用时间较长. 在爆破孔周边煤岩体在 应力波作用下已经形成一定范围的粉碎区和裂隙发 育区,爆生气体逐渐进入裂隙内,进一步改变煤岩体 受力状态. 假设在爆生气体进入裂隙中时,裂隙面受到气 体压力与爆破孔内气体压力相同,且考虑气体从裂 隙中泄露的影响,得到裂纹扩展到长度 L 时,孔壁压 力表达式[21]为: PI = P0 ( R ) L 1郾 5 (18) 其中,P0为作用在爆破孔壁处的初始静压,近似以冲 击压力峰值 Pt 代替,裂纹尖端的应力强度因子[22] 为: KI = 2 [ L + R 仔(1 - d ] ) 1 / 2 乙 L+R 0 PI - 滓 [(L + R) 2 - x 2 ] 1 / 2 dx (19) 式中,L 为裂隙长度;x 为裂隙扩展方向的坐标;滓 为 垂直裂隙面的地应力. 由上述聚能爆破裂隙范围计算公式可得,随着 地应力增大,相应的爆破裂隙范围会随之减小,表明 地应力会影响煤层深孔聚能爆破增透致裂过程,随 着爆炸应力波向四周传播,应力幅值逐渐衰减,地应 力对爆破裂隙扩展影响程度逐渐增大,随着垂直于 裂隙扩展方向的地应力增大,爆破裂隙扩展范围逐 渐减小. 以平煤十矿己组煤层为例,试验工作面垂直地 应力 滓z = 12郾 85 MPa,水平地应力 滓x = 28郾 38 MPa, 煤体单轴抗压强度 4郾 94 MPa,单轴抗拉强度 0郾 37 MPa,泊松比 0郾 4,爆破采用三级煤矿许用炸药,药卷 半径 25 mm,密度 1140 kg·m - 3 ,爆速 3200 m·s - 1 . 可 得到聚能爆破范围如表 1 所示. ·1491·