围压作用对爆破裂纹空间形态影响的试验研究*
时间：2022-12-07 15:25:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
赵海洋，陈大勇，刘志远，黄炳香，金 峰，黄燕飞，赵兴龙，邢岳堃，焦雪杰
(1.中国石化西北油田分公司 石油工程技术研究院，乌鲁木齐 830011；
2.中国石化缝洞型油藏提高采收率重点实验室，乌鲁木齐 830011；
3.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，徐州 221116)
依靠炸药爆炸作用促使矿体裂纹的产生，是资源、能源开采过程中一个非常重要的环节，以此达到矿石的破碎、强度弱化、渗透率提高、应力转移等目的。超深孔爆破在此环节中得到了广泛的应用如在油气开采过程中储层的致裂、煤矿超前工作面实施的厚硬顶板超深孔爆破，金属矿超深孔爆破等。这些爆破类型的共同之处是炮孔(或其作用的介质)处在围压作用之中，无爆破自由面。核心共性问题是此约束条件下的爆破裂纹的空间形态，此问题的解决是爆破参数设计的理论基础。
围压条件下的爆破问题已经引起国内外的学者关注，并进行了一些研究。黄文尧[1]、Tao Jian研究发现在围压条件下[2]，爆破裂纹的宽度较细、数目较少，并且得出围压对裂纹的发展具有明显的导向作用，随着初始地应力的增大，裂隙区半径减小；
理论分析认为爆破裂纹主要是由压缩波和卸载波共同作用形成的[3]，前期裂纹扩展主要由塑性剪切造成，后期裂纹由压缩波和卸载波复合作用形成，地应力对裂纹的发展具有抑制作用；
岳万友研究发现[4]，在各向等压地应力场爆破开采环境下，随着围压增加环向拉应力逐渐降低而压应力并未得到显著提升；
郭双[5]、Zhao Jian-Jian研究发现侧压力系数对爆破裂纹的扩展有直接影响[6]，爆破裂纹区呈扁平形，裂纹主要朝较大压应力方向扩展。王长柏[7]、汪海波[8]、白羽[9]、范光华[10]、崔建斌[11]、尤元元等人也获得了基本类似的结论[12]。赵建平研究发现地应力的大小对岩体爆破效果并无线性关系[13]。
在深部岩巷掘进方面，戴俊指出原岩应力的有利于光面爆破炮孔间贯通裂纹的形成，不利于预裂爆破炮孔间贯通裂纹的形成[14-16]，分析得出地应力的作用相当于增大了岩石的抗拉强度。卢文波在进行地下水电站硐室爆破施工过程同样发现[17]，原岩应力是影响周边爆破的一个重要参数，当原岩应力大于10～12 MPa时，首先采用预裂爆破是不合适的，需要首先进行掏槽孔爆破，而后采取预裂爆破或光面爆破，并且发现当地应力超过32 MPa时，掏槽孔爆破会出现炮孔之间的裂纹难以连通[18]。Han Hao-yu研究提出[19]，减小周边孔齐发爆破时的起爆误差，有利于光滑壁面的形成。陈明研究发现初始地应力对爆生裂隙范围有显著影响[20]，在压剪破坏模式下，爆生裂隙区比例半径随地应力的增大而减小。李启月研究发现在炸药爆炸前期和中期[21]，初始地应力场对爆破效果影响较小，主要是掏槽孔爆炸应力场起主导作用，在爆炸后期，初始地应力场对爆破后裂纹的扩展具有导向作用，裂纹扩展主方向趋向于最大初始地应力方向；
李新平[22]、谢亮波[23]、曾庆田认为初始地应力的加制作用对掏槽爆破有明显的抑制作用[24]，在爆破设计时需充分考虑地应力的影响；
杨建华研究发现[25]，垂直于炮孔连线方向传播的爆生裂纹更易受到地应力的抑制，沿最大主应力方向布置炮孔、缩短炮孔间距有利于炮孔间裂纹的连接贯通，形成良好的爆破开挖面。Chang-ping Yi[26]、Li Xiao-han也得出类似的结论[27]。
在实验室物理模拟实验方面，刘殿书[28]、肖正学[29]、高全臣以激光动光弹为实验手段[30]，结果表明较低的静应力可以隐没在动应力场中，而较高的静应力可以影响甚至改变动应力场的传播过程，初始应力场的存在不仅改变了爆轰波的传播规律并且对裂纹发展起着导向作用，在高应力岩巷实施控制爆破时，炮孔间的应力夹制作用较强，爆炸载荷在炮孔间的相互反射作用减弱。
上述研究对于无爆破自由面围压条件下的爆破裂纹扩展提供了重要参考，但是这些研究多是针对双向应力二维试块条件下进行的研究，三向条件下三维试块的某些关键爆破裂纹形态不能完全展现，基于此，我们采用300 mm×300 mm×300 mm水泥砂浆试块和4000 kN真三轴加载设备着重研究围压条件下爆破裂纹空间形态。
1.1 试块制作
试块尺寸定为300 mm×300 mm×300 mm，选定425#硅酸盐水泥、细河沙和水为基础材料，用来浇筑试块，质量配比为水泥∶砂子∶水=1∶1.66∶0.41，试块浇筑后，养护28 d。浇筑试块时，同时浇筑标准试块(50×50×100 mm3)，养护28 d之后，所测试的基本力学参数列于表1。
表 1 试块的基本力学参数
1.2 加载系统
实验系统采用自主研制的真三轴水压致裂实验系统[31]。该系统由实验台框架、加载系统和监控系统组成。可实现300×300×300 mm3或500×500×500 mm3立方体试样的真三轴加载以模拟地应力，且三个方向加载的压力均能达到4000 kN。当试块尺寸为300×300×300 mm3时，所能模拟的地应力最大为44.4 MPa，当试块尺寸为500×500×500 mm3时，所能模拟的地应力最大为16.0 MPa，为了体现出地应力对爆破裂纹扩展的影响，本项目选用的试块尺寸为300×300×300 mm3。
1.3 封孔器
封孔器可以密封试验过程的爆炸作用以及模拟真实井筒中射孔条件。为提高靶向方向的成缝效果，拟在封孔器上三个位置处钻孔，每个位置钻平均分布四个孔(相位角90°)，孔半径5 mm，共12个孔。采用钢管(封孔器)径向钻孔加射孔模拟部件的组合方式，(射孔模拟部件采用圆珠笔下端，用热熔胶将其与钢管钻孔粘连)，以达到在钻孔方向上产生能量集中，成缝效果好。见图1。
图 1 封孔器
1.4 药包制作
试验采用导爆索(规格：10 g/m)提供爆炸能量，所用炸药量3 g，所需导爆索的长度为30 cm，1发8#电雷管起爆。将导爆索切割成10 cm每段，将3段10 cm的导爆索和1发电雷管用电工胶带捆绑好，制作成图2所示药包。
2.1 有爆破自由面条件下的爆破效果
首先试验了四周拥有爆破自由面的条件下，试块爆破前后的爆破效果如图3所示。
图 2 药包实物图
从图3中可以直观看出，试块处于自由状态时，在爆破作用下变为碎块。经块度分析，如表2和图4，在块度尺寸L<100 mm和100 mm≤L<200 mm范围内的破碎块度质量分别占试块总质量的30%和70%，其中在150 mm≤L<200 mm范围内的破碎块度质量达到了试块总质量55.32%；
质量小的破碎块度数量多，质量大的碎块数量少；
150 mm≤L<200 mm范围内的破碎块度基本都在试块的表面产生，这从试块表面上画的网格线可以看出，这也证明了在实际的爆破工程中，在远离炮孔的位置容易产生大块，在炮孔周边容易导致过度粉碎，这分别是远离炮孔的位置爆炸能量不足和炮孔附近的爆炸能量过剩引起的。
图 3 自由状态下爆破效果图
表 2 爆破块度质量分布
2.2 围压条件的爆破效果
试块的三向加载压力为σ1=8.50 MPa，σ2=7.00 MPa，σ3=5.75 MPa，其中σ1为封孔器轴向方向，对应试块1-6面；
σ2、σ3如试块上标识，其中σ2对应试块2-5面，σ3方向对应试块3-4面。真三轴加载压力以0.01 MPa/s速率加载，加载结束后，至少稳压5 min后起爆。试块起爆后裂纹形态如图5～12所示。
从图5中可以看出，围压条件下试块起爆后，在垂直于第二主应力方向产生了一条宽度较大的宏观裂纹，该裂纹以封孔器为中心，呈对称关系。
从图6～图11可以看出，面1产生的宏观主裂纹的扩展，沟通了面3和面4，在第二主应力方向形成了开裂面，并可以沿此开裂面轻易将试块分成两半；
在面6产生了4条宏观裂纹，裂纹1、2、3呈现平行关系，裂纹4垂直于裂纹3、4，但是并没有从裂纹3、4穿过。从图12可以看出，在炮孔壁部产生微裂纹，在1面上产生了较垂直于第二主应力相对宽度较窄的裂纹。在围压爆破试验中，发现在预先射孔方向的孔壁处产生明显的裂纹，这是由于预先射孔在孔壁处产生应力集中造成的。
图 4 爆破块度
图 5 围压条件下爆破效果图
图 6 试块爆破后1面
图 7 试块爆破后2面
图 8 试块爆破后3面
图 9 试块爆破后4面
一些学者通过数值模拟手段，研究得出了二维条件下的爆破主裂纹一般垂直于最小主应力，如郭双通过DDA模拟[5]，得出了裂纹扩展方向从等值时的以炮孔为中心向四周呈放射状分布，转化为主要朝最大初始地应力方向扩展，最大压应力方向成为破岩的主导方向，如图13所示。
图 10 试块爆破后5面
图 11 试块爆破后6面
图 12 试块剖开整体图
图 13 不等值初始地应力作用下的模拟结果[5]
而在围压条件爆破试验中，面1产生的主裂纹为什么并未垂直于最小主应力，或许是由于第二、第三主应力数值差别较小，并且由于所浇筑试块具有一定的非均质性，在爆破过程中，爆破主裂纹产生的方向取决于第二、第三主应力的相近程度，若二者差别不大，则产生的主裂纹极有可能垂直于第二主应力。
(1)通过试块自由状态和围压状态爆破试验对比可知，围压对爆破效果影响非常大，在工程实践及爆破参数设计中，一定要着重考虑围压的影响。
(2)在围压条件下爆破试验中，会产生1条垂直于非最大主应力的宏观裂纹(若第二、第三主应力相近，则主裂纹可能垂直于第二主应力)，此宏观裂纹的长度和宽度均较大。
(3)在围压爆破中，除产生受应力控制的宏观裂纹外，还产生一些相对较小爆破裂纹。
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