復(fù)雜應(yīng)力對卸壓鉆孔的破壞規(guī)律的研究

楊相民 趙祥順

（陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司，陜西咸陽 713600）

復(fù)雜應(yīng)力對卸壓鉆孔的破壞規(guī)律的研究

楊相民 趙祥順

（陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司，陜西咸陽 713600）

本文基于煤體受載過程的聲發(fā)射試驗(yàn)進(jìn)行了宏觀力學(xué)的分析，探討了煤體破壞過程中的聲發(fā)射非線性特征，進(jìn)行了煤巖常規(guī)試件的宏觀力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，三軸含瓦斯煤巖的聲發(fā)射試驗(yàn)，選取具有代表性的聲發(fā)射參數(shù)，對不同受力狀態(tài)下煤樣破壞全過程的聲發(fā)射特征和試樣變形規(guī)律進(jìn)行研究。利用COMSOL數(shù)值模擬系統(tǒng)分別對大直徑卸壓鉆孔煤巖的變形破壞過程、破裂過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

聲發(fā)射 煤巖破裂 數(shù)值模擬

1 問題的提出

在能源問題日益突出的今天，隨著淺部資源的開采殆盡，深部開采現(xiàn)已成為我國大部分煤礦所面臨的趨勢。因此，如何有效地防治沖擊地壓成為了影響回收地下資源、安全開采的重要因素［1］。目前世界范圍內(nèi)解決沖擊地壓的主要手段是大直徑鉆孔卸壓、深孔欲裂爆破等。但是在生產(chǎn)實(shí)踐中，鉆孔的“塌孔”，打鉆過程中的“卡鉆”是遇到的最實(shí)際的問題，已經(jīng)嚴(yán)重影響了沖擊地壓解危技術(shù)的實(shí)施。

2 煤體的變形與聲發(fā)射對比分析

含瓦斯煤樣三軸壓縮條件下的變形與聲發(fā)射特征，利使用TAW-2000KN巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和PCI-2全數(shù)字化聲發(fā)射系統(tǒng)，進(jìn)行了突出煤樣在三軸下的聲發(fā)射特性試驗(yàn)。根據(jù)不同的聲發(fā)射特性試驗(yàn)圍壓煤樣監(jiān)測系統(tǒng)。圍壓分為以下兩個等級：2MPa和4MPa。在實(shí)驗(yàn)時，加載順序是先圍后軸。圖1為試驗(yàn)得到不同圍壓下煤樣的應(yīng)力應(yīng)變和聲發(fā)射特征圖。

圖1不同圍壓下突出煤樣的應(yīng)力應(yīng)變和聲發(fā)射特征

從圖1可以看出，含瓦斯不同圍壓的煤體有相似的AE表征。他們的共同點(diǎn)是：彈性階段的聲發(fā)射頻率及能量都比較低；彈塑性階段，聲發(fā)射頻率和能量與軸向應(yīng)力成正比。聲發(fā)射信號最高值對應(yīng)著煤樣應(yīng)力的突然釋放；在宏觀上，煤樣的破壞都屬于是剪切破壞。［2］

同時，他們也有一些差異：含瓦斯煤由于圍壓和氣壓的存在，致使在加載前便有一定的初始壓力值，壓力曲線開始點(diǎn)不為零［3］。含瓦斯煤表現(xiàn)出塑性的特征，具有明顯的初始加載階段。在無瓦斯煤樣發(fā)生破壞的軸向應(yīng)變值在0.009-0.01之間，相對的，含瓦斯煤樣的值為0.016-0.018?？梢?，在有瓦斯存在的情況下煤的應(yīng)力應(yīng)變情況發(fā)生變化，表現(xiàn)出更多的塑性。

本次進(jìn)行了突出煤巖三軸的聲發(fā)射試驗(yàn)以及常規(guī)試件的宏觀力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：圍壓作用下煤樣的聲發(fā)射參數(shù)變化在彈性階段的信號減少明顯，相對平靜期現(xiàn)象不明顯；在細(xì)觀上，煤體受圍壓時表現(xiàn)出一定的相對塑性特征，其內(nèi)部的瓦斯壓力改變了其骨架上的有效應(yīng)力在宏觀上，宏觀上的表現(xiàn)為塑性的增加。

3 數(shù)值模擬模擬結(jié)果

從圖2可以看出，煤巖在三軸含瓦斯的復(fù)雜應(yīng)力下的受力情況，在鉆孔周圍屬于應(yīng)力集中區(qū)，選取單元點(diǎn)的強(qiáng)度與鉆孔距離成正比。

圖3為數(shù)值模擬的試樣破壞過程，體現(xiàn)出載荷長時作用在煤巖，致使煤巖變形破裂的過程，由于試件內(nèi)部細(xì)觀單元損傷的加劇導(dǎo)致煤巖的變形破壞。第一幅圖為彈性階段，第二、三副圖為彈塑性階段，第四幅圖為峰后破壞階段，第五、六幅圖為殘余塑性階段。

圖2 中心刨面圖拉伸

圖3 數(shù)值模擬的試樣破壞過程

在線性變形階段，透氣系數(shù)是在逐漸減小的，而在試樣失穩(wěn)破壞后透氣系數(shù)出現(xiàn)大的階躍。可發(fā)現(xiàn)透氣系數(shù)發(fā)生突跳的時候就與之相對應(yīng)有一個明顯的應(yīng)力降和聲發(fā)射的劇增。由于模型是采用位移加載方式，突然的破裂將導(dǎo)致強(qiáng)烈的聲發(fā)射現(xiàn)象和突然的應(yīng)力降［4］。因此我們可以得出結(jié)論，試件損傷（微破裂）的發(fā)展引起透氣系數(shù)的變化，很明顯透氣系數(shù)的變化和試樣的損傷是一致的。

4 結(jié)語

（1）圍壓作用下煤樣的聲發(fā)射參數(shù)變化具有明顯的趨勢性，彈性階段的聲發(fā)射信號顯著減少，破壞前無明顯聲發(fā)射相對平靜期現(xiàn)象；含瓦斯煤在三軸壓縮條件下呈現(xiàn)一定的相對塑性特征，煤體內(nèi)一定壓力的瓦斯使作用在煤體骨架上有效應(yīng)力發(fā)生了變化，宏觀上表現(xiàn)為塑性的增加。

（2）利用COMSOL軟件做相應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)，佐證了本文建立的固氣滲流-應(yīng)力耦合模型對體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室所得結(jié)果的統(tǒng)一性。COMSOL模擬得出的應(yīng)力、應(yīng)變圖形象的演示了鉆孔破壞的形態(tài)。

［1］馮右前.數(shù)值分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.70-73.

［2］趙陽升.煤體-瓦斯耦合數(shù)學(xué)模型與數(shù)值解法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1994，（3）：229-239.

［3］徐濤，郝天軒，唐春安，楊天鴻.含瓦斯煤巖突出過程數(shù)值模擬［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2005，15（1）：106-110.

［4］段立群.含瓦斯煤巖破裂規(guī)律研究.黑龍江科技學(xué)院碩士論文，2010.04-01.