單-雙孔爆炸荷載作用下應變測試試驗*

楊仁樹曹文俊，2陳 程高祥濤

（1.中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院，北京市海淀區，100083；2.北京京煤化工有限公司，北京市房山區，102471）

單-雙孔爆炸荷載作用下應變測試試驗*

楊仁樹1曹文俊1，2陳 程1高祥濤1

（1.中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院，北京市海淀區，100083；2.北京京煤化工有限公司，北京市房山區，102471）

預裂效果是低滲透高瓦斯煤層深孔爆破增透技術的關鍵。采用超動態應變測試系統，實測了單孔起爆和雙孔同時起爆作用下有機玻璃板中爆炸產生的應變波，對測試得到的軸向和切向爆炸應變波信號進行了分析。結果表明：單孔起爆產生的裂紋長度有限，雙孔起爆由于應力波疊加作用產生的主裂紋長度擴展效果明顯；應變波波形包括兩個部分，首先以壓縮為主的應變作用使裂紋產生，然后以拉伸為主的應變作用使裂紋長度擴展，且拉伸應變峰值是導致裂紋長度擴展的主要原因；雙孔同時起爆爆炸拉伸應變峰值是單孔起爆的3～6倍，說明多點爆炸荷載對介質的作用并不是單純的數值疊加。研究結果為進一步認識爆破破巖機理和爆破預裂技術提供新的試驗依據。

單孔爆炸 雙孔爆炸 爆炸效應 應變測試 動力學響應

我國95%以上的高瓦斯和突出礦井所開采的煤層屬于低透氣性煤層，煤層的難抽采性成為了絕大部分礦井的煤層特征。目前，在低透氣性高瓦斯煤層開采過程中，傳統預裂爆破增透技術得到廣泛應用，液態CO2相變致裂爆破新技術也開始嘗試試驗。預裂效果是低滲透高瓦斯煤層深孔爆破增透技術的關鍵，爆炸荷載下固體介質中爆炸應力波傳播的應變測試技術是考察爆破預裂效果的重要試驗方法。

由于單-雙孔爆炸荷載作用下介質應變規律研究是爆破破巖機理和預裂爆破致裂技術的基礎，學者們對于單-雙孔爆破效應進行了大量的研究。近年來高應變率的爆炸應變直接測試成為可能。高祥濤研究了利用超動態應變儀實測了條形藥包在水泥砂漿試件中爆炸產生的應變波，認為該應變波形具有初始以壓應變為主、持續的壓拉應變交替出現的特征；岳中文等開展了切縫藥包空氣間隔裝藥爆破的動態應變測試，認為切縫方向應變衰減速度較快；梁冰等以漳村煤礦3#煤層為基礎分析了雙孔連續爆破應力波的傳播過程及對煤層影響的范圍。由于煤巖材質的各向異性，直接在煤、巖介質水泥砂漿試樣中進行爆炸應變測試很難直觀獲得應力波疊加效果，本文采用有機玻璃材料和超動態應變測試系統深入研究單-雙孔爆炸荷載作用下應變波傳播和裂隙擴展規律，為進一步認識爆破破巖機理和爆破預裂技術提供新的試驗依據。

1　試驗設備及材料

1.1超動態應變測試系統

試驗測試系統由電阻應變片、有機玻璃板、屏蔽線、電橋盒、SDY2107型超動態應變測試儀、TST3406C動態數據采集系統及臺式計算機組成。使用的應變片為BX120-2BA直角應變花，其敏感柵尺寸為2 mm×1 mm，基底尺寸為6.5 mm× 6.5 mm，電阻為120Ω。SDY2107型超動態應變測試儀頻率響應為2.5 MHz，輸入阻抗大于100 MΩ，靈敏度（橋壓2 V）為0.1 V/100με。TST3406C動態數據采集系統最高采樣速率為40×107次/s，滿足試驗測試要求。

1.2試驗材料及測點布置

試驗材料為有機玻璃（PMMA），有機玻璃尺寸為400 mm×300 mm×5 mm，兩炮孔位于試件中央，間隔120 mm。采用微激光精確定位切割。有機玻璃動態力學參數分別為縱波波速2.32× 103m/s，橫波波速1.26×103m/s，動態彈性模量6.1 GN/m2，動態泊松比0.31。試驗中測點布置如圖1所示，炮孔A、B直徑為6 mm，單孔裝藥量為140 mg疊氮化鉛炸藥；沿垂直于兩炮孔連線中心布置4個測點，每個測點布置一個應變花，每個應變花有兩個應變片組成相互垂直，用于測試測點處的橫向應變和縱向應變，測點連線距離為80 mm、80 mm、80 mm。

圖1　有機玻璃、應變片和炮孔

2　試驗結果及分析

2.1爆破效果

為了考察單-雙孔爆炸荷載下應力分布情況，試驗分兩組開展，第一組起爆單孔A，第二組同時起爆炮孔A和炮孔B。爆破作用后效果見圖2。

由圖2（a）可以看出，在單孔起爆作用下，爆生裂紋主要集中在炮孔周圍，水平方向主裂紋擴展距離沒有達到兩炮孔水平距離的一半；而由圖2（b）可以看出，在雙孔同時起爆情況下，裂紋的擴展非常明顯，單個炮孔水平方向主裂紋擴展都超過了兩炮孔水平距離的一半。由此可見，單孔起爆產生的裂紋長度有限，雙孔起爆由于應力波疊加作用產生的主裂紋長度擴展效果明顯。

圖2　爆破作用后效果

2.2動態應變測試結果

起爆后超動態應變儀會瞬間采集炮孔周邊應變信號，兩組信號應變持續時間在10μs以內。圖3為單孔爆破應變測試波形（炮孔A起爆）和雙孔同時起爆應變測試波形（炮孔A、B同時起爆）。

圖3　單、雙孔起爆應變測試波形

由圖3可見，無論是單孔起爆還是雙孔同時起爆，應變片傳感器先后形成兩個明顯的作用區域（如圖中虛線區域）。在第一個作用區域中，各測點表現出應變情況有所不同，應變值有正有負，說明不同測點受到的拉伸、壓縮應變不同，但以壓縮為主；而在第二個作用區域中，各個測點都呈現出統一的變化趨勢，先壓縮再拉伸，整體作用以拉伸為主，僅峰值大小不同。前者是由于壓縮應力波引起，后者是由于應力波疊加和膨脹氣體準靜壓造成，與文獻中水泥砂漿單孔爆破應變試驗測試結果一致。因此，爆炸在材料中產生的應變波形首先以壓縮為主的應變作用使材料產生裂紋，然后以拉伸為主的應變作用使裂紋長度擴展。

雙孔同時起爆相對于單孔爆破測點處的應變峰值明顯升高，除藥量增加一倍以外，兩炮孔產生的應力波相互疊加起到了重要的作用，特別是第二個作用區域中的拉伸應變峰值是導致裂紋長度擴展的主要原因。4個測點應變波形中第二個作用區域中拉伸應變的橫縱向應變測試結果如表1所示。

由表1可見，單孔起爆作用下，橫向測點應變峰值最大值為48.2×103με，縱向測點應變峰值最大值為38.4×103με；雙孔同時起爆作用下，橫向測點應變峰值最大值為195.3×103με，縱向測點應變峰值最大值為252×103με。雙孔起爆橫縱應變峰值明顯大于單孔爆破數值，雙孔同時起爆作用下的橫向測點應變峰值以及縱向測點應變峰值是相應單孔起爆條件下相應峰值的3～6倍，說明多點爆炸荷載對介質的作用并不是單純的數值疊加。

表1　測點橫縱應變片拉伸應變峰值　103με

3　結論

（1）單、雙爆破裂紋宏觀上觀察可見，單孔起爆產生的裂紋長度有限，雙孔起爆由于應力波疊加作用產生的主裂紋長度擴展效果明顯。

（2）在應變波曲線上，無論是單孔起爆還是雙孔同時起爆，爆炸荷載對介質的作用形式都是一致的，應變波形包括兩個主要作用區域，首先以壓縮為主的應變作用使裂紋產生，然后以拉伸為主的應變作用使裂紋長度擴展，且拉伸應變峰值是導致裂紋長度擴展的主要原因。

（3）雙孔起爆拉伸應變區域橫縱應變峰值明顯大于單孔爆破數值，雙孔同時起爆作用下的橫向測點應變峰值以及縱向測點應變峰值是相應單孔起爆條件下相應峰值的3～6倍，說明多點爆炸荷載對介質的作用，并不是單純的數值疊加。

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Research on strain test under blast load of single-hole or double-hole

Yang Renshu1，Cao Wenjun1，2，Chen Cheng1，Gao Xiangtao1
（1.School of Mechanics&Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Beijing Jingmei Chemical Industry Co.，Ltd.，Fangshan，Beijing 102471，China）

The presplitting effect was the key of anti-reflection technique in deep hole blasting in the coal seam with low permeability and high gas.Taking the super dynamic strain test system，the explosion strain waves produced by single-hole detonating or double-hole detonating in perspex sheets were measured，and the axial and tangential strain wave signals were analyzed. The results showed that the crack length caused by single-hole detonating was limited，while the extension effect of main crack length caused by double-hole detonating was obvious because of the additive effects of stress waves.The waveform of strain wave included two parts，first part was the crack formation primarily caused by compression strain effect，and the second part was crack length extension primarily caused by tensile strain effect，and the peak of tensile strain was the main reason of crack length extension.The tensile strain peak of double-hole detonating was 3～6 times as big as the peak of single-hole detonating，which explained that the effect of multi-point explosion load on medium was not a simple numeral superposition.The research results provided a new test basis to explore the rock breaking mechanism and presplitting blast technology.

single-hole blasting，double-hole blasting，explosion effect，strain test，dynamic response

TD235

A

楊仁樹（1963-），男，安徽和縣人，教授，博士生導師。

（責任編輯 張毅玲）

國家自然科學基金重點項目（51134025），高等學校博士學科點專項科研基金（20110023110018）