双孔聚能爆破煤层裂隙扩展贯通机理

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/LS￾DYNA 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