Page 144 - 《爆炸与冲击》2026年第8期

第 46 卷 王雁冰，等： 不同外壳材料对高能产气剂孔壁压力的影响 第 8 期

尽管已有研究在高能气体压裂技术应用方面取得了显著进展，但现有技术仍存在诸多不足，例如，
高能气体压裂技术在孔壁压力控制和裂隙扩展方向上存在不确定性 [21] 。为了解决这个痛点，本文拟通

过外壳材料（PVC（polyvinyl chloride）透明、PVC 白色及牛皮纸管）的物理性质差异调控高能产气剂作用
下孔壁应力梯度与作用时长，以降低压力峰值并引导裂隙走向，系统研究 3 种外壳材料对孔壁压力-时程
演化规律的影响机制，以期为高能产气剂设计、深部高瓦斯矿井安全高效破岩提供优化依据。

1 试验设计与方法

1.1 试验材料与装置

高能产气剂主要由两部分组成，包括启动 Shell
Gas-producing medicine
剂和主药剂，如图 1 所示。使用时，将启动剂放 Central tube End cap
入主药剂的中心管，通过电火头激发点火药引燃
启动剂，产生高温；在此条件下，启动剂与主药剂
反应产生大量高温高压气体，楔入煤岩原生裂 (a) Main agent
隙，在煤岩体内部产生剪应力使裂隙扩展 [22] 。高
压气体形成气楔的同时压力持续上升，达到设定
Ignition head
压力后，高能产气剂由燃烧转为爆轰，使裂隙进 Ignition material Sealing head
一步发育，并将裂隙间包裹的岩煤岩体进行网络 (b) Initiating agent
型压裂。 图 1 高能产气剂
本试验采用的产气药为 D 型药粉，这种药 Fig. 1 High-energy gas generators
粉具有良好的产气性能和化学稳定性，满足高
能产气剂在工作过程中对气体产生量和反应速率的要求。外壳材料的尺寸为 20 mm×18 mm×50 mm
（外径×内径×长），中心管的尺寸为 12 mm×13 mm×50 mm，启动剂的尺寸为 10 mm×40 mm，装药量为
5.0 g。
本试验的变量为主药剂的外壳材料，分别为 PVC 透明、PVC 白色和牛皮纸管，这 3 种材料在物理性
能上存在明显差异，尤其是弹性模量和泊松比这 2 个关键参数。各类材料的弹性模量与泊松比如表 1
所示。本试验将以弹性模量和泊松比为切入点，探究二者与高能产气剂孔壁压力的对应关系，分析外壳
材料的物理性质对破岩效果的影响。采用的信号采集处理仪器为东华测试 DH5960N，它具有高防护性
能、超动态采集能力以及大存储深度的特点，每通道自带 64M 点缓存，20 MHz 瞬态采样速率，频响达
1 MHz，是为冲击、爆破试验专门设计的。采用锦州科信电子有限公司生产的 PVDF（polyvinylidene
∅ 5 mm），动态压电常数为 43.94 pC/(N·cm )，采集频率范围为 0～100 MHz，在测量
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fluoride）压电传感器（
孔壁压力时能满足本试验对灵敏度、响应速度及测量范围的要求。

表 1 材料的物理性质
Table 1 Physical properties of materials
剂壳类型 弹性模量/GPa 泊松比
PVC透明 3.16 0.42
PVC白色 3.63 0.37
牛皮纸管 2.32 0.29

试验装置设计如图 2 所示，装置整体由试验装置布置系统和数据采集与处理系统组成，PVDF 压电
传感器的传输线路和待爆品的同步控制器及起爆器共同从单向阀门留出。当内部压力超过设定的安全
阈值时，泄爆片迅速破裂或打开，释放过高的压力。

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