基于散斑監(jiān)測(cè)的抽采鉆孔變形破壞特征試驗(yàn)研究

郭明功，雙海清，劉思博

（1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 八礦，河南 平頂山 467000；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

我國(guó)礦井瓦斯災(zāi)害較為嚴(yán)重，目前鉆孔抽采是瓦斯防治的重要手段之一[1]。由于煤層抽采鉆孔易坍塌失穩(wěn)，影響瓦斯抽采效率，使得煤與瓦斯高效共采難以順利實(shí)施[2]。

提高抽采鉆孔的穩(wěn)定性對(duì)于保證瓦斯抽采效率極其重要，眾多學(xué)者針對(duì)鉆孔變形失穩(wěn)進(jìn)行了一系列研究。在理論研究方面：王振等[3]通過分析孔周煤體的變形損傷特征，建立了鉆孔失穩(wěn)的力學(xué)模型；楊滿成等[4]基于蠕變煤層與套管相互作用力學(xué)模型，研究了在非均勻地應(yīng)力下松軟煤層蠕變對(duì)瓦斯成孔穩(wěn)定性的影響；張磊等[5]分析了卸壓鉆孔施工后圍巖應(yīng)力及變形場(chǎng)分布規(guī)律，得到鉆孔圍巖發(fā)生損傷時(shí)的損傷區(qū)半徑的解析式。在鉆孔變形失穩(wěn)的實(shí)驗(yàn)研究方面：趙陽(yáng)升等[6]采用自主研制的三軸試驗(yàn)機(jī)分析了鉆孔變形特征和臨界失穩(wěn)條件；薛偉超等[7]研究了順層長(zhǎng)鉆孔裂縫擴(kuò)展規(guī)律；林海飛等[8]研究了試樣的力學(xué)強(qiáng)度特征、破壞形態(tài)以及試樣表面裂紋演化的鉆孔傾角效應(yīng)影響；侯吉峰等[9]分析了飽和含水條件下煤礦膨脹巖鉆孔圍巖的塑性區(qū)半徑和徑向位移；李樹剛等[10]研究了分級(jí)循環(huán)加卸載條件下鉆孔的變形破壞特征。

單軸壓縮試驗(yàn)具有試樣破裂過程可視化的優(yōu)點(diǎn)，并且煤巖體在單軸壓縮和三軸壓縮下力學(xué)特征相似，單軸試驗(yàn)結(jié)果可以三軸試驗(yàn)提供一定借鑒[11]，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)抽采鉆孔失穩(wěn)防治同樣有一定的指導(dǎo)意義。綜上所述，大部分學(xué)者研究鉆孔變形特征時(shí)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工鉆孔時(shí)煤體處于穩(wěn)壓狀態(tài)這一情況考慮較少。鑒于此，試驗(yàn)過程中在穩(wěn)定壓力的情況下，對(duì)試樣實(shí)施鉆孔，分析了型煤試樣的強(qiáng)度特征，并結(jié)合散斑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究試樣裂紋的演化特征以及破壞形態(tài)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

試驗(yàn)研究考慮到原煤試樣強(qiáng)度離散性較大，鉆孔實(shí)施相對(duì)困難，而且研究重點(diǎn)是鉆孔在軸向載荷作用下的變形破壞特征，因此，選擇型煤試樣作為研究對(duì)象。

根據(jù)前人研究分析可知，單純煤粉壓縮制成的型煤試樣抗壓強(qiáng)度較低，不符合試驗(yàn)測(cè)試需求，為配制強(qiáng)度較高且調(diào)節(jié)范圍較大的型煤試樣，必須添加膠結(jié)劑。王漢鵬等[12]通過大量正交試驗(yàn)比選，最終選擇腐植酸鈉水溶液作為膠結(jié)劑，因?yàn)楦菜徕c本身是煤的提煉物，能夠最大程度還原煤樣性質(zhì)。因此，試驗(yàn)選取粒徑為0.075～0.180 m 的煤粉，加腐植酸鈉、水（質(zhì)量比為8∶2∶1）充分?jǐn)嚢杌旌?，利用高低頻沖擊儀制樣，尺寸為70 m×70 m×70 m。根據(jù)外觀尺寸、質(zhì)量及波速差異選取試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

DYD-10 試驗(yàn)機(jī)主要由負(fù)荷機(jī)架、主箱體、傳動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與位移保護(hù)裝置等組成，可實(shí)現(xiàn)不同加載方式下試樣力學(xué)參數(shù)的測(cè)定，其軸向壓力范圍0～10 kN，載荷精度0.5%。

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（XTDIC）作為一種非接觸式、高精度的光學(xué)測(cè)量手段，廣泛用于邊坡、地下洞室等工程現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)巖石的變形破壞監(jiān)測(cè)研究[13-14]。該系統(tǒng)將光學(xué)監(jiān)測(cè)與數(shù)學(xué)計(jì)算方法相結(jié)合，試樣受載前標(biāo)定圖像作為參考圖像，變形后的圖像作為待匹配圖像，按照一定的搜索方法匹配兩圖像上的測(cè)量點(diǎn)，再通過數(shù)學(xué)計(jì)算對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位移變化，得到試樣變形破壞特征。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)主要對(duì)比完整試樣以及含鉆孔試樣的強(qiáng)度特征、變形破壞特征?？紤]到鉆孔直徑、傾角、加載速率及布孔位置等因素會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，為減小這一誤差影響，鉆孔直徑按與型煤試件尺寸1∶14 的比例，試驗(yàn)選取鉆孔直徑為5 mm，傾角為0°。天然地質(zhì)條件下，煤巖體大多處于靜態(tài)加載水平，因此，設(shè)置低量級(jí)加載能夠真實(shí)模擬鉆孔變形失穩(wěn)[15]。結(jié)合力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)性能，試驗(yàn)加載速率選擇0.3 mm/min。

試驗(yàn)開始前，先對(duì)試樣表面進(jìn)行散斑布點(diǎn)，然后將電子萬能試驗(yàn)機(jī)及散斑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同步開啟，試驗(yàn)結(jié)束后同時(shí)停止。預(yù)設(shè)穩(wěn)壓壓力階段為本試驗(yàn)含鉆孔型煤試件線彈性階段初期應(yīng)力（0.5 kN）[16]，穩(wěn)壓階段采用鉆桿直徑5 mm 的鉆機(jī)在試樣中心實(shí)施貫穿試件傾角為0°鉆孔。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試樣強(qiáng)度特征分析

根據(jù)試驗(yàn)方案開展單軸壓縮試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可得不同條件試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1。

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves

由圖1 可知，與完整試樣相比，含孔試樣單軸抗壓強(qiáng)度由1.19 MPa 減小至0.95 MPa，減小幅度為20.17%。這主要是因?yàn)樵嚇游词┕ゃ@孔時(shí)，整體受力處于相對(duì)平衡狀態(tài)，鉆孔形成后，孔周出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，率先發(fā)生小范圍損傷破壞，此時(shí)試樣還具有一定的承載能力。隨著軸向載荷進(jìn)一步增大，超過試樣承載極限，最終發(fā)生破壞。而完整試樣結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，能夠承載更大應(yīng)力，相同條件下，完整試樣抗壓強(qiáng)度大于含孔試樣抗壓強(qiáng)度。

2.2 完整試樣變形破壞特征分析

2.2.1 完整試樣位移場(chǎng)演化特征

通過對(duì)XTDIC 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析處理，得到的完整試樣觀測(cè)面不同加載時(shí)刻橫向及軸向位移演化云圖如圖2、圖3。

圖2 完整試樣橫向位移演化云圖Fig.2 Cloud diagrams of lateral displacement evolution of complete specimens

圖3 完整試樣軸向位移演化云圖Fig.3 Evolution cloud diagrams of the axial displacement of the complete specimens

由圖2 可知：當(dāng)軸向應(yīng)力為0.08 MPa 時(shí)，整體來看試樣處于非均勻變形階段，雖然此時(shí)試樣承受軸向載荷較小，但由于自身內(nèi)部存在眾多不均勻分布的空隙，導(dǎo)致試樣在加載過程中出現(xiàn)微小局部變形集中現(xiàn)象，位移等值線彎曲程度較高，即非均勻變形程度相對(duì)較大；當(dāng)軸向應(yīng)力為0.32 MPa 時(shí)，試樣處于壓密階段末期，左右兩側(cè)位移等值線逐漸演化為關(guān)于縱軸對(duì)稱，試樣中部橫位移等值線變密，表明裂紋從此處萌生；當(dāng)軸向應(yīng)力為1.02 MPa 時(shí)，位移等值線明顯對(duì)稱，而中部等值線逐漸變疏，這是因?yàn)榇藭r(shí)試樣承受軸向載荷相對(duì)較大，向左右兩側(cè)膨脹變形；當(dāng)試樣軸向應(yīng)力達(dá)到峰值1.19 MPa 時(shí)，試樣表面中部左右均出現(xiàn)明顯的局部變形現(xiàn)象，等值線對(duì)稱性減弱，表明裂紋在此處形成、發(fā)育、擴(kuò)展；最終破壞時(shí)，試樣左下方等值線變密，局部變形集中現(xiàn)象嚴(yán)重，試樣表面宏觀裂紋在此處形成。

由圖3 可知：加載初期，當(dāng)軸向應(yīng)力為0.08 MPa 時(shí)，試樣處于非均勻變形階段，受邊界效應(yīng)影響，試樣左下角、右上角變形較大；當(dāng)軸向應(yīng)力為0.32 MPa 時(shí)，試樣內(nèi)部空隙被壓實(shí)，非均勻性減弱，軸向位移等值線逐漸呈水平方向分層分布；隨著荷載進(jìn)一步增大，軸向位移等值線逐漸演化為關(guān)于橫軸對(duì)稱分布（圖5（c））；試樣觀測(cè)面上端位移值最大，向下逐漸減小，這與荷載施加方向一致，隨著軸向應(yīng)力的增加，軸向位移進(jìn)一步增大；當(dāng)軸向應(yīng)力為最大值1.19 MPa 時(shí)，位移等值線對(duì)稱性減弱，試樣表面出現(xiàn)局部大變形；破壞時(shí)刻試樣左下角軸向位移突增，產(chǎn)生宏觀破壞，左下角有局部脫落現(xiàn)象。

2.2.2 完整試樣裂紋演化特征

在單軸加載下，完整試樣裂紋演化如圖4。

圖4 完整試樣裂紋演化Fig.4 Crack evolution of intact specimens

軸向應(yīng)力為0.08 MPa 時(shí)，試樣處于裂隙壓密階段，變形整體較?。划?dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到0.32 MPa 時(shí)，試樣中上部出現(xiàn)1 條相對(duì)明顯的應(yīng)變集帶，表明此處產(chǎn)生微小裂紋；當(dāng)軸向載荷增大至1.02 MPa 時(shí)，試樣左右兩側(cè)出現(xiàn)2 條宏觀剪切性質(zhì)裂紋，同時(shí)周圍產(chǎn)生多條短裂紋；當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到峰值1.19 MPa時(shí)，試樣表面裂紋逐漸匯聚為3 條宏觀長(zhǎng)裂紋，中間裂紋屬于拉伸性質(zhì)，左右兩側(cè)裂紋屬于剪切性質(zhì)，此時(shí)試樣還具有承載能力，但由于試樣處于低強(qiáng)度狀態(tài)，持續(xù)穩(wěn)壓后，應(yīng)力出現(xiàn)較快下降。最終破壞時(shí)刻，試樣左右兩側(cè)剪切裂紋貫穿上下端，導(dǎo)致承載結(jié)構(gòu)失效，同時(shí)發(fā)出爆裂聲，為拉剪復(fù)合破壞模式。

2.3 含孔試樣變形破壞特征分析

含鉆孔試樣變形破壞是由鉆孔周圍煤體在軸向載荷作用下發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，新生裂紋與原生裂紋持續(xù)發(fā)育、擴(kuò)展、貫通導(dǎo)致[8]。

2.3.1 含孔試樣位移場(chǎng)演化特征

通過對(duì)XTDIC 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析處理得到不同軸向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，含孔試樣橫向位移及軸向位移演化特征如圖5、圖6。

圖5 含孔試樣橫向位移演化特征Fig.5 Lateral displacement evolution characteristics of specimens with holes

圖6 含孔試樣軸向位移演化特征Fig.6 Axial displacement evolution characteristics of specimens with holes

由圖5 可知，軸向應(yīng)力為0.08 MPa 時(shí)，試樣整體處于壓密階段，存在局部變形現(xiàn)象，位移等值線較曲折；隨著加載載荷繼續(xù)增大，在穩(wěn)壓階段實(shí)施鉆孔，軸向應(yīng)力為0.12 MPa 時(shí)，鉆孔周圍應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致孔周出現(xiàn)應(yīng)變集中現(xiàn)象；載荷進(jìn)一步增大至0.44 MPa 時(shí)，位移等值線曲折程度降低；當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到最大值0.95 MPa 時(shí)，試樣表面右側(cè)出現(xiàn)明顯的變形集中有宏觀裂紋形成，并且左右兩側(cè)橫向位移值較大，即試樣向兩側(cè)膨脹變形發(fā)展，向右最大值達(dá)5.69 mm，向左最大值達(dá)4.67 mm；最終破壞時(shí)刻，試樣下方左右兩側(cè)出現(xiàn)大變形，表明試樣的變形破壞是向兩側(cè)剝離。

由圖6 可知，當(dāng)軸向應(yīng)力為0.08 MPa 時(shí)，試樣此刻處于非均勻變形階段，位移受邊界效應(yīng)影響較大，位移等值線曲折分布；完成鉆孔施工后，鉆孔左上角出現(xiàn)變形集中現(xiàn)象，軸向位移等值線逐漸呈水平方向分層分布；隨著荷載進(jìn)一步增大，試樣軸向位移等值線逐漸呈關(guān)于橫軸對(duì)稱分布；最終破壞時(shí)刻，位移等值線下部彎曲程度加大，對(duì)稱性減弱，表明試樣表面此處出現(xiàn)非均勻局部大變形。

2.3.2 含孔試樣破裂過程裂紋演化特征

鉆孔形成后，在軸向載荷作用下，鉆孔周圍發(fā)生應(yīng)力集中影響裂紋演化。根據(jù)試樣變形破壞強(qiáng)度特征值[17]（壓密應(yīng)力0.11 MPa、起裂應(yīng)力0.46 MPa、損傷應(yīng)力0.85 MPa、峰值應(yīng)力0.95 MPa）將加載過程劃分為不同階段，含孔試樣裂紋演化特征如圖7。

圖7 含孔試樣裂紋演化特征Fig.7 Crack evolution characteristics of samples with holes

由圖7 可知：含孔試樣的變形破壞特征為：壓密階段，試樣內(nèi)部原生裂隙壓實(shí)閉合，表面發(fā)生微小變形；線彈性階段，此時(shí)已完成鉆孔施工，上部出現(xiàn)1 條宏觀拉伸裂紋，鉆孔左側(cè)出現(xiàn)小范圍應(yīng)變集中；在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，鉆孔上部、下部拉伸裂紋向外發(fā)育延伸；在裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段，鉆孔下方新增2 條剪切裂紋，左上方新增1 條剪切裂紋，并與鉆孔貫通；在峰后破壞階段，鉆孔左、右邊界新增拉伸裂紋，左上方剪切裂紋發(fā)育至頂部使試樣發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)破壞，破壞呈“X”狀，屬于拉剪復(fù)合破壞。

2.4 孔周測(cè)點(diǎn)位移演化特征

孔周測(cè)點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)如圖8。

圖8 孔周測(cè)點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)Fig.8 Displacement monitoring of measuring points around the hole

結(jié)合軸向加載應(yīng)力-時(shí)間曲線，將孔周位移演化過程分為4 個(gè)階段：Ⅰ快速增長(zhǎng)、Ⅱ穩(wěn)定增長(zhǎng)、Ⅲ緩慢增長(zhǎng)、Ⅳ極速增長(zhǎng)。在加載初期，由于試樣內(nèi)部存在大量原始微小裂隙，在軸向載荷作用下被壓密，各測(cè)點(diǎn)位移表現(xiàn)為快速增長(zhǎng)；在穩(wěn)壓期間，試樣承受載荷不變，通過XTDIC 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)未發(fā)現(xiàn)大變形，各測(cè)點(diǎn)位移緩慢增長(zhǎng)；隨著軸向載荷進(jìn)一步增大，試樣各測(cè)點(diǎn)位移表現(xiàn)為線性穩(wěn)定增長(zhǎng)；臨近破壞時(shí)刻，試樣在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)破壞，位移值極速增長(zhǎng)。對(duì)比不同層位測(cè)點(diǎn)位移特征，發(fā)現(xiàn)同一狀態(tài)下A3測(cè)點(diǎn)位移值最大，C3測(cè)點(diǎn)位移值最小，整體表現(xiàn)為：測(cè)點(diǎn)層位越高，位移值越大。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）相同試驗(yàn)條件下，與完整試樣相比，含孔試樣單軸抗壓強(qiáng)度由1.19 MPa 減小至0.95 MPa，減小幅度為20.17%。

2）通過XTDIC 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分析得到了完整試樣在單軸壓縮過程中表面位移演化規(guī)律。首先，在試樣中部產(chǎn)生拉伸裂紋，之后在試樣左右兩側(cè)產(chǎn)生剪切裂紋，隨著加載應(yīng)力的進(jìn)一步增大，裂紋貫穿試樣上下端，承載結(jié)構(gòu)失穩(wěn)發(fā)生破壞，屬于拉剪復(fù)合破壞模式。

3）得到了含孔試樣在單軸壓縮下不同破壞階段的裂紋演化過程，破壞形狀呈“X”狀，破壞模式屬于拉剪復(fù)合破壞，研究結(jié)果可為煤礦現(xiàn)場(chǎng)順層瓦斯抽采鉆孔的布置及護(hù)孔裝置的選擇提供理論依據(jù)。

4）結(jié)合軸向加載應(yīng)力-時(shí)間曲線，將孔周位移演化過程分為4 個(gè)階段：快速增長(zhǎng)、穩(wěn)定增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)、極速增長(zhǎng)，加載過程中同一時(shí)刻不同測(cè)點(diǎn)位移值隨著測(cè)點(diǎn)層位的增高而增大。