不同耦合系數(shù)及孔間距對煤層爆生裂隙擴(kuò)展影響的試驗研究摘要本試驗通過構(gòu)建相似材料模擬煤層環(huán)境，系統(tǒng)研究不同耦合系數(shù)及孔間距條件下煤層爆生裂隙的擴(kuò)展規(guī)律。采用高速攝影、聲波檢測等手段獲取裂隙擴(kuò)展數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值模擬分析，揭示了耦合系數(shù)和孔間距對爆生裂隙長度、寬度、分形維數(shù)等參數(shù)的影響機(jī)制。研究結(jié)果為煤層爆破增透、瓦斯抽采等工程實(shí)踐提供了理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)，對優(yōu)化爆破參數(shù)、提高煤層開采效率具有重要意義。關(guān)鍵詞耦合系數(shù)；孔間距；煤層；爆生裂隙；擴(kuò)展規(guī)律一、引言隨著煤炭資源開采深度的增加，煤層瓦斯含量高、透氣性低等問題日益突出，嚴(yán)重制約了煤礦安全生產(chǎn)與高效開采。爆破技術(shù)作為一種有效的煤層增透手段，通過在煤層中產(chǎn)生爆生裂隙，改善煤層透氣性，從而提高瓦斯抽采效率。在爆破過程中，耦合系數(shù)和孔間距是影響爆生裂隙擴(kuò)展的關(guān)鍵參數(shù)，合理的耦合系數(shù)與孔間距能夠優(yōu)化爆生裂隙網(wǎng)絡(luò)，提升爆破增透效果。然而，目前關(guān)于耦合系數(shù)及孔間距對煤層爆生裂隙擴(kuò)展影響的研究仍存在不足，二者的作用機(jī)制尚未完全明確。因此，開展不同耦合系數(shù)及孔間距對煤層爆生裂隙擴(kuò)展影響的試驗研究，對推動煤層爆破增透技術(shù)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。二、試驗方案設(shè)計（一）相似材料制備為真實(shí)模擬煤層特性，根據(jù)相似理論，選用河砂、石膏、淀粉、水等材料按照一定比例混合制備相似材料。通過改變材料配比，調(diào)整相似材料的物理力學(xué)參數(shù)，使其與實(shí)際煤層的彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等參數(shù)滿足相似關(guān)系。經(jīng)多次試驗優(yōu)化，確定最終的相似材料配比，制備出符合試驗要求的模擬煤層試件。（二）試驗裝置與儀器試驗采用自主搭建的煤層爆破試驗平臺，該平臺包括爆破加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和觀測系統(tǒng)。爆破加載系統(tǒng)由炸藥、炮孔裝置組成，可實(shí)現(xiàn)不同耦合系數(shù)和孔間距的設(shè)置；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用高速攝像機(jī)、聲波檢測儀等設(shè)備，用于記錄爆生裂隙擴(kuò)展過程和監(jiān)測巖體內(nèi)部波速變化；觀測系統(tǒng)包括光學(xué)顯微鏡、體視顯微鏡等，用于對試件表面和內(nèi)部裂隙進(jìn)行微觀分析。（三）試驗工況設(shè)置設(shè)計不同耦合系數(shù)（0.2、0.4、0.6、0.8）和孔間距（20cm、30cm、40cm、50cm）的組合工況，共16組試驗。每組試驗采用相同的炸藥類型（乳化炸藥）和裝藥量（50g），以確保試驗結(jié)果的可比性。在試件中按照設(shè)計工況鉆設(shè)炮孔，將炸藥裝入炮孔后，采用不同的堵塞材料和堵塞方式實(shí)現(xiàn)不同的耦合系數(shù)。三、試驗過程與數(shù)據(jù)采集（一）試驗過程將制備好的模擬煤層試件固定在試驗平臺上，安裝好爆破加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和觀測系統(tǒng)。檢查各系統(tǒng)運(yùn)行正常后，進(jìn)行爆破試驗。在爆破瞬間，高速攝像機(jī)以10000幀/秒的速度記錄爆生裂隙的擴(kuò)展過程，聲波檢測儀實(shí)時監(jiān)測巖體內(nèi)部波速變化，獲取裂隙擴(kuò)展過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)。（二）數(shù)據(jù)采集與處理爆破試驗結(jié)束后，對高速攝像機(jī)記錄的圖像進(jìn)行逐幀分析，提取爆生裂隙的長度、寬度、擴(kuò)展角度等參數(shù)；對聲波檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算巖體波速變化率，分析裂隙發(fā)育程度與波速變化的關(guān)系；利用圖像處理軟件對試件表面和內(nèi)部裂隙進(jìn)行二值化處理，計算裂隙分形維數(shù)，定量描述裂隙網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度。四、試驗結(jié)果分析（一）耦合系數(shù)對爆生裂隙擴(kuò)展的影響裂隙長度：隨著耦合系數(shù)的增大，爆生裂隙長度逐漸增加。當(dāng)耦合系數(shù)為0.2時，裂隙長度較短；當(dāng)耦合系數(shù)增大到0.8時，裂隙長度顯著增長。這是因為耦合系數(shù)增大，炸藥爆炸能量能夠更有效地傳遞到巖體中，使巖體受到的應(yīng)力波作用增強(qiáng)，從而促進(jìn)裂隙的擴(kuò)展。裂隙寬度：耦合系數(shù)對裂隙寬度也有明顯影響。在低耦合系數(shù)下，裂隙寬度較??；隨著耦合系數(shù)的增加，裂隙寬度逐漸增大。這是由于高耦合系數(shù)條件下，炸藥爆炸產(chǎn)生的高壓氣體能夠更好地作用于裂隙壁，使裂隙進(jìn)一步張開。裂隙分形維數(shù)：耦合系數(shù)與裂隙分形維數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。高耦合系數(shù)下，爆生裂隙網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜，分形維數(shù)較大；低耦合系數(shù)時，裂隙網(wǎng)絡(luò)相對簡單，分形維數(shù)較小。這表明高耦合系數(shù)有助于形成更發(fā)達(dá)的裂隙網(wǎng)絡(luò)，提高煤層透氣性。（二）孔間距對爆生裂隙擴(kuò)展的影響裂隙貫通情況：孔間距對相鄰炮孔間裂隙的貫通程度影響顯著。當(dāng)孔間距較小時（20cm），相鄰炮孔間裂隙能夠迅速貫通，形成連續(xù)的裂隙帶；隨著孔間距的增大，裂隙貫通難度增加，當(dāng)孔間距達(dá)到50cm時，相鄰炮孔間裂隙難以貫通，裂隙網(wǎng)絡(luò)的連通性變差。裂隙擴(kuò)展范圍：隨著孔間距的增大，單個炮孔的裂隙擴(kuò)展范圍逐漸減小。這是因為孔間距過大，炸藥爆炸能量在傳播過程中衰減較快，無法對遠(yuǎn)處巖體產(chǎn)生足夠的破壞作用，導(dǎo)致裂隙擴(kuò)展受限。裂隙分形維數(shù)：孔間距與裂隙分形維數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。較小的孔間距有利于形成復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)，分形維數(shù)較大；而較大的孔間距使裂隙網(wǎng)絡(luò)相對簡單，分形維數(shù)較小。（三）耦合系數(shù)與孔間距的交互作用進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，耦合系數(shù)和孔間距對爆生裂隙擴(kuò)展存在交互作用。在小耦合系數(shù)和小孔間距工況下，裂隙擴(kuò)展以局部破碎為主，裂隙網(wǎng)絡(luò)較為密集但長度較短；在高耦合系數(shù)和大孔間距工況下，裂隙能夠向遠(yuǎn)處擴(kuò)展，但裂隙網(wǎng)絡(luò)的連通性較差；只有在合適的耦合系數(shù)和孔間距組合下，才能形成長度較長、寬度適中且連通性良好的裂隙網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)最佳的爆破增透效果。五、數(shù)值模擬驗證為進(jìn)一步驗證試驗結(jié)果的可靠性，采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對不同耦合系數(shù)及孔間距條件下的煤層爆破過程進(jìn)行數(shù)值模擬。建立與試驗?zāi)Ｐ拖嗨频臄?shù)值計算模型，輸入試驗測定的材料參數(shù)和爆破工況，模擬炸藥爆炸后應(yīng)力波的傳播和裂隙的擴(kuò)展過程。將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)二者在裂隙擴(kuò)展形態(tài)、長度、寬度等參數(shù)上具有較好的一致性，驗證了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。六、結(jié)論與建議（一）結(jié)論耦合系數(shù)對煤層爆生裂隙的長度、寬度和分形維數(shù)具有顯著影響，增大耦合系數(shù)有利于促進(jìn)裂隙的擴(kuò)展和發(fā)育，形成更復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)。孔間距對相鄰炮孔間裂隙貫通、單個炮孔裂隙擴(kuò)展范圍和裂隙分形維數(shù)影響明顯，較小的孔間距有助于提高裂隙網(wǎng)絡(luò)的連通性和復(fù)雜性。耦合系數(shù)和孔間距對爆生裂隙擴(kuò)展存在交互作用，合理的耦合系數(shù)與孔間距組合能夠優(yōu)化裂隙網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)最佳的爆破增透效果。（二）建議在實(shí)際煤層爆破工程中，應(yīng)根據(jù)煤層的物理力學(xué)性質(zhì)和工程需求，綜合考慮耦合系數(shù)和孔間距的影響，合理選擇爆破參數(shù)，以提高爆破增透效果。進(jìn)一步開展不同地質(zhì)條件下耦合系數(shù)和孔間距對煤層爆生裂隙擴(kuò)展影響的研究，完善相關(guān)理論和技