·586· 工程科学学报，第41卷，第5期 满足P.≥P(或P.≤Pm)时，煤体将破裂失 其应力强度已小于煤体的动态抗压强度，难以直接压 效2).其中，P和P分别为煤体破坏的最大抗 碎煤体，煤体裂隙在拉、压应力的耦合作用下开始发 压强度和最小抗拉强度（拉应力取负值）. 育与扩展.在聚能射流的侵彻影响下，沿聚能罩开口 2.2聚能爆破致裂过程与裂隙分布特征 方向煤体裂隙发育最快，扩展长度最长.在裂隙扩展 聚能爆破载荷下煤体裂隙的扩展过程如图3所 初期，各个方向上煤体裂隙发育和扩展速度相差不多 示.聚能药卷爆炸初期，炮孔附近煤体在爆炸冲击 (图3(b),随着裂隙的扩展，压缩应力波逐渐衰减， 波作用下破碎并形成压碎区，但压碎区形状与常规 受装药结构的影响，非聚能区域煤体裂隙最先止裂， 装药爆破形成的压碎区形状之间存在一定的差 裂隙扩展长度较短（图3(c),(d)).但相比于非聚能 异[6,17】.在炸药起爆后时间t=110us时，与常规装 区域的其他方向，沿垂直于聚能罩开口方向的煤体裂 药爆破相比，聚能爆破压碎区在不同方向的范围差 隙扩展长度较长，分析认为，炸药起爆时经两个对称 别较大（图3(a)). 金属罩反射回的爆轰波相互碰撞，强化了该方向上的 压碎区形成后，爆炸冲击波衰减成压缩应力波， 爆轰能量，促进了裂隙的发育与扩展 (a) 西 图3聚能爆破载荷下煤体裂隙扩展过程.(a)t=110μs;(b)t=328μs:(c)‘=2694μs:(d)‘=4000μs Fig.3 Coal crack propagation under cumulative blasting:(a)t=110 us;(b)t=328 us;(c)t=2694 us;(d)1=4000 us 为进一步研究聚能爆破煤体裂隙的扩展规 3聚能爆破有效致裂范围讨论 律，基于聚能爆破后各个方向煤体破坏特征及径 向裂隙扩展长度，绘制了如图4所示的煤体聚能 综合理论分析和数值模拟结果可得出如图5所 爆破裂隙扩展特征图.根据裂隙类型及裂隙数目 示的聚能爆破煤体裂隙扩展特征图.聚能爆破载荷 的差异，可将裂隙区分为裂隙密集区和主裂隙扩 下煤体变形破坏，随着远离炮孔依次形成压碎区、裂 展区.主裂隙扩展区内主要包括沿聚能罩开口方向 隙密集区、主裂隙扩展区和弹性变形区 的主裂隙和非聚能区域内沿垂直于聚能罩开口方向 在压碎区形成阶段，由于聚能射流侵彻作用面 的主裂隙.在裂隙密集区聚能罩开口方向的致裂半 较小，减小了聚能罩开口方向煤体的压碎范围.而 径R,=251cm,而垂直于聚能罩开口方向的致裂半 在其他方向上，爆轰波传播过程中受聚能装药结构 径R。=175cm,前者是后者的1.43倍：在主裂隙扩 影响较小，可视为爆轰波均布在孔壁上致使压碎范 展区聚能罩开口方向的致裂半径R1=437cm,而垂 围较大.这是导致聚能爆破载荷下煤体压碎区范围 直于聚能罩开口方向的致裂半径R.,=350cm,前者 呈聚能罩开口方向小而其他方向大的类椭圆状的关 是后者的1.25倍. 键因素工程科学学报,第 41 卷,第 5 期 满足 Pc 逸 Pmax ( 或 Ps 臆 Pmin ) 时, 煤 体 将 破 裂 失 效[26] . 其中,Pmax和 Pmin分别为煤体破坏的最大抗 压强度和最小抗拉强度(拉应力取负值). 2郾 2 聚能爆破致裂过程与裂隙分布特征 聚能爆破载荷下煤体裂隙的扩展过程如图 3 所 示. 聚能药卷爆炸初期,炮孔附近煤体在爆炸冲击 波作用下破碎并形成压碎区,但压碎区形状与常规 装药爆破形成的压碎区形状之间存在一定的差 异[6,17] . 在炸药起爆后时间 t = 110 滋s 时,与常规装 药爆破相比,聚能爆破压碎区在不同方向的范围差 别较大(图 3(a)). 压碎区形成后,爆炸冲击波衰减成压缩应力波, 其应力强度已小于煤体的动态抗压强度,难以直接压 碎煤体,煤体裂隙在拉、压应力的耦合作用下开始发 育与扩展. 在聚能射流的侵彻影响下,沿聚能罩开口 方向煤体裂隙发育最快,扩展长度最长. 在裂隙扩展 初期,各个方向上煤体裂隙发育和扩展速度相差不多 (图 3(b)),随着裂隙的扩展,压缩应力波逐渐衰减, 受装药结构的影响,非聚能区域煤体裂隙最先止裂, 裂隙扩展长度较短(图 3(c),(d)). 但相比于非聚能 区域的其他方向,沿垂直于聚能罩开口方向的煤体裂 隙扩展长度较长,分析认为,炸药起爆时经两个对称 金属罩反射回的爆轰波相互碰撞,强化了该方向上的 爆轰能量,促进了裂隙的发育与扩展. 图 3 聚能爆破载荷下煤体裂隙扩展过程. (a) t = 110 滋s; (b) t = 328 滋s; (c) t = 2694 滋s; (d) t = 4000 滋s Fig. 3 Coal crack propagation under cumulative blasting: (a) t = 110 滋s; (b) t = 328 滋s; (c) t = 2694 滋s; (d) t = 4000 滋s 为进一步研究聚能爆破煤体裂隙的扩展规 律,基于聚能爆破后各个方向煤体破坏特征及径 向裂隙扩展长度,绘制了如图 4 所示的煤体聚能 爆破裂隙扩展特征图. 根据裂隙类型及裂隙数目 的差异,可将裂隙区分为裂隙密集区和主裂隙扩 展区. 主裂隙扩展区内主要包括沿聚能罩开口方向 的主裂隙和非聚能区域内沿垂直于聚能罩开口方向 的主裂隙. 在裂隙密集区聚能罩开口方向的致裂半 径 Rb2 = 251 cm,而垂直于聚能罩开口方向的致裂半 径 Ra2 = 175 cm,前者是后者的 1郾 43 倍;在主裂隙扩 展区聚能罩开口方向的致裂半径 Rb1 = 437 cm,而垂 直于聚能罩开口方向的致裂半径 Ra1 = 350 cm,前者 是后者的 1郾 25 倍. 3 聚能爆破有效致裂范围讨论 综合理论分析和数值模拟结果可得出如图 5 所 示的聚能爆破煤体裂隙扩展特征图. 聚能爆破载荷 下煤体变形破坏,随着远离炮孔依次形成压碎区、裂 隙密集区、主裂隙扩展区和弹性变形区. 在压碎区形成阶段,由于聚能射流侵彻作用面 较小,减小了聚能罩开口方向煤体的压碎范围. 而 在其他方向上,爆轰波传播过程中受聚能装药结构 影响较小,可视为爆轰波均布在孔壁上致使压碎范 围较大. 这是导致聚能爆破载荷下煤体压碎区范围 呈聚能罩开口方向小而其他方向大的类椭圆状的关 键因素. ·586·