Testing and numerical simulation of mechanical behavior of drilled coal samples under uniaxial compression
-
摘要:
煤层钻孔卸压是目前现场应用最为广泛的冲击地压防治技术，为探明孔洞缺陷对煤体力学特性、能量积聚释放以及破坏模式的影响规律，通过开展单轴加载试验，并结合颗粒离散元模拟，分别从宏细观角度研究不同孔径煤样应力应变曲线、能量演化规律、裂纹扩展破坏特征。发现含孔煤样的力学参数均显著低于完整煤样，随钻孔直径的增加，含孔煤样的峰值强度、峰值应变与弹性模量均呈衰减趋势。加载过程中含孔煤样在峰值应力前均出现应力突降现象，在数值模拟中表现更加明显，表明钻孔的存在破坏了煤样的原始结构，使其承载力发生弱化。完整和含孔煤样能量演化规律基本一致，在达到峰值强度前，以弹性能积聚为主，峰值强度后，耗散能急剧增加。相较于其他力学参数，弹性能指标下降幅度更大。钻孔直径越大，能量耗散比急剧上升时对应的应变越小，从而越不容易积聚能量发生冲击性破坏。通过数值模拟对比煤样破坏前后应力场分布可以看出，拉应力数值和分布范围均随钻孔直径增大而增大，钻孔直径对拉应力区域的扩展和拉应力的大小均有显著影响。从应力张量演化的分析中发现，应力的大小及方向对裂隙的萌生与发展均有导向作用，钻孔周围会出现明显的应力偏转现象。
Abstract:Coal seam drilling unloading is the most widely used impact ground pressure prevention and control technology in the field, in order to explore the influence of hole defects on the mechanical properties, energy accumulation and release, and damage mode of the coal body, the uniaxial loading test, combined with particle discrete element simulation, respectively, from the macro and fine viewpoint to study the stress-strain curve, energy evolution, crack expansion and damage characteristics of the coal samples with different hole diameters. The results show that the mechanical parameters of the hole-containing coal samples are significantly lower than those of the intact coal samples, and the peak strength, peak strain and modulus of elasticity of the hole-containing coal samples show a tendency of attenuation with the increase of the diameter of the drill hole. During the loading process, the hole-containing coal samples showed a sudden drop in stress before the peak stress, which was more obvious in the numerical simulation, indicating that the presence of the drill holes damaged the original structure of the coal samples and weakened their bearing capacity. The energy evolution laws of intact and hole-containing coal samples are basically the same, with elastic energy accumulation dominating before the peak strength is reached, and dissipated energy increasing sharply after the peak strength. Compared with other mechanical parameters, the elastic energy index decreased more. The larger the drilling diameter, the smaller the strain corresponding to the sharp increase in the energy dissipation ratio, and thus the less likely to accumulate energy for impact damage. Comparing the stress field distribution before and after the damage of coal samples through numerical simulation, it can be seen that the value and distribution range of tensile stress increase with the increase of the borehole diameter, and the borehole diameter has a significant effect on the expansion of the tensile stress region and the magnitude of the tensile stress. From the analysis of stress tensor evolution, it is found that both the magnitude and direction of stress have a guiding effect on the emergence and development of the fissure, and there will be an obvious stress deflection phenomenon around the drill hole.
-
Keywords:
- borehole coal rock /
- mechanical behavior /
- energy dissipation /
- failure mode /
- numerical simulation
-
0. 引 言
冲击地压是采掘周围煤岩体积聚的弹性应变能瞬时释放而产生剧烈破坏的一种典型煤矿动力现象。随着我国煤炭资源开采深度和强度的不断增加，采掘部署趋向复杂化，矿井生产面临严峻的冲击地压灾害威胁[1]。煤层钻孔卸压法是一种通过施工钻孔将积聚弹性应变能的煤体破碎排出，利用形成局部高应力条件诱导破坏钻孔周围煤体，使煤层卸压、释放能量，从而预防冲击地压发生。具有施工难度低、对生产影响小等优点，是目前现场应用最广的冲击地压防治技术[2-4]。
在煤层钻孔之后，钻孔围岩位移场、应力场、塑性区发生改变，围绕钻孔卸压机制及其布置参数对卸压效果的影响开展了大量研究工作。马斌文等[5]推导了钻孔卸压区的边界方程，分析了煤体性质、钻孔直径及应力环境对钻孔卸压区分布的影响。王书文等[6]提出以钻孔耗能率为评价指标，从能量角度定量评价钻孔防冲设计之间的优劣，研究表明钻孔防冲效果与钻孔孔径呈幂函数关系，与煤层强度呈负相关。煤层钻孔直径越大，防冲效果越好。然而，钻孔直径的增大对围岩扰动亦增大，随之易出现巷道围岩大变形，增加支护成本[7]。钻孔形成后在应力作用下会逐渐失稳破坏，破坏过程常表现为一种渐进性的破坏形式，与加载作用下含孔试样破坏过程具有明显的相似性[8]。从实验室尺度还原加载作用下含孔煤样变形、破坏过程，有助于揭示煤层钻孔卸压的具体实现机理。杨圣奇等[9-10]研究了含孔洞裂隙岩体的破坏行为、力学性能及裂纹演化机理。宫凤强等[11]总结梳理了预制钻孔和高应力实时钻孔在揭示钻孔卸压防治岩爆灾害机理方面的试验研究结果和进展，阐述了钻孔卸压防治岩爆灾害的合理性和有效性。张天军等[12-13]通过开展不同加载速率下含孔试样单轴压缩试验，以数字图像相关法为主要观测手段，分析了不同加载速率下含孔试样力学特性，孔周裂纹扩展模式及其破裂机制。但室内试验中试样多采用岩样或者相似材料，针对原煤试样的钻孔研究相对较少。
笔者采用室内试验研究单轴压缩条件下完整煤样和直径为4、6、8 mm的含孔煤样力学行为，并以数值模拟为辅助，分别从宏、细观角度研究不同孔径原煤试样应力应变曲线、能量演化规律、裂纹扩展破坏特征，以期为煤层卸压钻孔的参数选择与优化提供理论参考。
1. 试验介绍
1.1 含孔煤样制备
本试验取样地点为内蒙古后温家梁煤矿，将大块完整煤样用塑料薄膜密封，运至实验室精加工。采用钻芯切割一体机垂直煤样层理面制备成ø50 mm×50 mm的圆柱体煤样，并用细砂纸对煤样表面进行打磨，确保煤样两端面平整，且误差控制在标准之内。煤样的形状、尺寸均对其承载能力有影响，方形试件在几何形状上更接近平面应变条件，有利于减小边界效应，侧向惯性约束效应也小于圆柱形试件，且更适用于分析真三轴复杂应力环境及各项异性对煤力学响应特征的影响，实验采用的是圆柱型试样，实验数值模拟采用PFC2D对室内实验进行验证，数值模拟结果和室内实验结果吻合度较好，使用2D模型可以减小试件形状的影响，从而减小边界效应的影响。在完整圆柱煤样基础上，采用高压水刀对煤样进行钻孔，钻孔位于煤样中心，贯穿整个煤样，钻孔直径分别为4、6和8 mm，完整煤样及含孔煤样，如图1所示。
试验前，采用ZBL−U510非金属超声波检测仪测定煤样纵波波速，其主要由主机、压电传感器及信号传输线组成，如图2所示。检测时在压电传感器与煤样表面涂抹耦合剂，适当施力使两表面处于良好的耦合状态，待接收信号稳定后，立即测读记录。本次试验所用煤样平均纵波波速为
1286.61 m/s，为避免煤样力学性质离散性，剔除掉有明显裂纹、纵波波速差异较大的煤样。1.2 试验设备
本次试验设备采用深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室配备的100 KN微机控制UTM5105电子万能试验机，如图3所示。不同孔径煤样每种类型测试3个试样，进行单轴压缩试验，直至试样失去承载能力而发生破坏。加载方式为轴向位移控制，加载速率设置为2 mm/min。试验开始前，将煤样放置在上下承压板之间，试验机数据采集系统自动记录试验过程中的轴向载荷和位移数据（压力机数据采集频率为1 Hz），并实时显示试样应力−应变曲线。
2. 单轴压缩下含孔煤样力学特性
2.1 含孔煤样应力−应变曲线
分别对不同孔径煤样进行单轴压缩试验，得到其全应力−应变曲线，如图4所示。
![]()
图 4 不同孔径煤样全应力−应变曲线Figure 4. Stress-strain curves of coal samples with different hole diameters不同孔径煤样应力−应变曲线包含初始压密、弹性变形、塑性屈服及峰后破坏4个阶段。通过应力应变曲线形态可以发现，完整煤样应力应变曲线光滑平整，峰前应力变化较为稳定，塑性屈服阶段不明显，峰后脆性特征突出，试样破坏后应力迅速跌落。而含孔煤样峰值应力明显低于完整煤样，且应力应变曲线在峰值应力之前均出现波动，呈“阶梯”状。分析原因为：对煤样预制钻孔，使其形成人为缺陷，在外荷载作用下，钻孔周围萌生微裂隙，煤样承载力下降，在应力应变曲线中造成应力突降。以往研究表明[9]，单轴压缩下含孔洞砂岩峰前应力应变曲线也出现应力突降现象，随着孔径的增大，峰值附近甚至出现明显的屈服平台。
由应力应变曲线获取不同孔径煤样单轴抗压强度、峰值应变及弹性模量，见表1。
表 1 不同孔径煤样力学性能Table 1. Mechanical properties of coal samples with different hole diameters煤样状态 峰值应力σ/MPa 峰值应变ε 弹性模量E/MPa 完整煤样 18.476 0.0249 1073.34 4 mm钻孔 13.350 0.0229 817.08 6 mm钻孔 12.753 0.0208 873.27 8 mm钻孔 12.147 0.0198 816.46 统计得到，完整煤样峰值强度为18.47 MPa，含孔煤样峰值强度分布在13.35 MPa (d=4 mm)、12.75 MPa (d=6 mm)、12.14 MPa (d=8 mm)范围内，相对于完整煤样峰值强度分别降低了27.7%、30.9%、34.2%。完整煤样峰值应变为
0.0249 ，含孔煤样峰值应变分布在0.0229 (d=4 mm)、0.0208 (d=6 mm)、0.0198 (d=8 mm)范围内，相对于完整煤样峰值应变分别降低了8%、16.5%、20.5%。完整煤样弹性模量为1073.34 MPa，含孔煤样弹性模量分布在817.08 MPa (d=4 mm)、873.27 MPa (d=6 mm)、816.46 MPa (d=8 mm)范围内，相对于完整煤样弹性模量分别降低了23.8%、18.6%、23.9%。由此可以看出，含孔煤样的力学参数均显著低于完整煤样，降低幅度与钻孔直径密切相关。整体而言，随着钻孔直径的增加，含孔煤样的峰值强度、峰值应变及弹性模量均呈衰减趋势。这与来兴平等[14]研究发现的脆性孔洞煤样承载过程破坏中峰值应力及应变呈劣化规律相一致。
2.2 含孔煤样能量演化规律
煤样从加载直至破坏伴随着能量的储存和释放，根据能量守恒定律，假设煤样在加载过程中和外界没有热交换，那么能量关系式[15]如下：
$$ U = {U^{\mathrm{d}}} + {U^{\mathrm{e}}} $$ (1) 式中，U为外界输入的总能量；Ud为耗散能；Ue为弹性应变能。
单轴加载条件下煤样从外界吸收的总能量，弹性应变能，耗散能公式分别为：
$$ U = \int_0^{\varepsilon 1} {{\sigma _1}} {\text{d}}{\varepsilon _1} $$ (2) $$ {U^e} = \frac{1}{{2{E_0}}}\sigma _1^2 $$ (3) 式中，σ1为主应力；ε1为主应变；E0为初始弹性模量。
$$ {U^{\mathrm{d}}} = U - {U^{\mathrm{e}}} $$ (4) 根据式(1)～(4)，计算单轴压缩过程中不同孔径煤样吸收的总能量U，存储的弹性应变能Ue，耗散能Ud。不同孔径煤样各项能量演化曲线，如图5所示。
根据能量变化特征，可将能量演化曲线分为4个阶段：OA阶段：从外界吸收的能量主要用于煤样原始裂隙的闭合和晶体颗粒之间的滑动摩擦，此时煤样中存储的弹性能较少。AB阶段：煤样内部原始裂隙基本闭合，煤样从外界吸收的能量主要以弹性能的方式储存在煤样内部，同时有极少部分能量用于产生新的微裂隙而耗散。BC阶段：煤样中积累的弹性能迅速增多，且增长速率逐渐变大，耗散能增加趋势并不明显，表明在此阶段煤样内部裂隙发育不明显，内部破裂活动较少，只有少部分能量以裂纹表面能形式耗散。CD阶段：煤样达到应力峰值，弹性能储能也达到峰值，随后煤样发生突然破坏，丧失承载能力，耗散能急剧增加，表明煤样内部裂隙迅速发育、贯通，形成宏观破坏。
图6为不同孔径煤样的总输入能及弹性能对比情况。
![]()
图 6 不同孔径煤样能量柱状图Figure 6. Energy histogram of coal samples with different hole diameters由柱状图可知，完整煤样总输入能为192 J，含孔煤样总输入能分布在160 J （d=4 mm）、135 J （d=6 mm）、113 J （d=8 mm）范围内，相对于完整煤样，总输入能分别降低了16.6%、29.6%、41.1%。完整煤样弹性能为158 J、含孔煤样弹性能分布在109 J （d=4 mm）、92 J （d=6 mm）、90 J （d=8 mm）范围内，相对于完整煤样，弹性能分别降低了31.0%、41.7%、43.0%。相较于前文研究所得含孔煤样的力学参数（峰值应力、峰值应变、弹性模量）均低于完整煤样，弹性能指标下降幅度更大。表明随着钻孔直径的增加，含孔煤样破坏所需要的能量越来越小，其破坏时能量释放的剧烈程度也随之降低。
煤样的变形和破坏是能量的积聚和释放的过程，也是内部损伤的发育和积累的过程，能量的耗散和内部损伤与强度的弱化有直接的关联。为了更好地研究耗散能在煤岩破坏过程中的占比，采用能量耗散比[16]λ分析单轴压缩过程中能量耗散特征，如下：
$$ \lambda = \frac{{{U^d}}}{U} $$ (5) 不同孔径煤样能量耗散比变化曲线如图7所示。
![]()
图 7 不同孔径煤样能量耗散比曲线Figure 7. Energy dissipation ratio curves of coal samples with different hole diameters由图可知，能量耗散比随应变变化呈先增大后减小再增大的趋势。煤样刚开始加载时，外界输入的能量主要用于试样内部原始裂隙的闭合，能量基本以耗散能为主；之后能量耗散比持续降低，此阶段，弹性能开始积累，占比逐渐增多，煤样内部微裂隙稳定发育、扩展，能量耗散比逐渐减小，直至趋于零；随后进入失稳破坏阶段，耗散能占比急剧上升，峰后阶段能量大量耗散，煤样内部裂隙迅速发育，互相贯通，导致煤样最终破坏。不同孔径煤样的能量耗散比变化规律基本一致，其中钻孔直径越大，能量耗散比在最终急剧上升时对应的应变越小，从而越不容易积聚能量发生冲击性破坏。
2.3 含钻孔煤样破坏特征
图8所示为单轴压缩下完整煤样和含钻孔煤样破坏特征。
由图8a可以看出完整煤样发生破坏后，沿着圆周有较大块体剥落，块体高度大致与煤样高度相当。有至少4条主破坏裂纹贯穿整个煤样，最终破坏类型为轴向劈裂拉伸破坏；图8b显示含孔煤样破坏特征与完整煤样类似，但块体剥落并没有完整煤样多。钻孔对裂纹萌生扩展具有一定导向作用，钻孔周围次生裂纹发育明显，其中一条贯穿主裂纹与钻孔连通。
此外，试验过程中还发现完整煤样破坏瞬间声响较大，煤样破坏后，保留在载物台上煤样碎屑较少，掉落甚至弹射到载物台以外的煤样碎屑较多。而含钻孔煤样破坏时声响相对较小，保留在载物台上煤样碎屑占比较大，由此也可说明，钻孔的存在可以降低煤样破坏的剧烈程度，减弱煤样冲击倾向性。
3. PFC数值模拟
颗粒流离散元数值模拟软件PFC的基本构成单元由颗粒组成，不仅可以研究岩土工程中破裂和裂纹的发展，还可研究颗粒间的相互作用、大变形、断裂等问题[17]，适合从本质上研究散体、黏结介质的力学特性。鉴于此，在实验室测试基础上，利用颗粒流软件开展含孔煤样单轴压缩数值模拟，从细观角度进一步研究不同孔径煤样力学性能与破坏模式。
3.1 数值模型建立及细观参数标定
建立与室内试验试样尺寸相一致的含孔煤样数值模型，如图9所示。在颗粒流程序中平行黏结模型主要分析相邻颗粒间附着胶凝物质情况，此模型的有限刚度和接触点刚度以并联模式连接，加载至相邻2个颗粒的载荷将分配给接触弹簧以及平行黏结弹簧，传递力和力矩，适合模拟煤岩类材料力学性能。因此，模拟选用平行黏结模型开展数值模拟试验。
为更真实地还原本次试验中煤样的力学特性，模拟计算时，还需要对颗粒的几何参数、力学参数与颗粒之间粘结的力学参数等相关参数进行定义。目前常用试错法标定模型细观力学参数，即对比数值模拟结果和室内试验结果，不断调整模型的细观力学参数，直到两者变化趋势基本一致[18]。经过不断调整优化，将标定好的力学参数赋予煤样模型，最终确定的煤样模拟细观参数，见表2。
表 2 数值模型细观参数Table 2. Model parameter setting参数 数值 最大颗粒半径/m 0.9×10−3 最小颗粒半径/m 0.6×10−3 平行黏结法向−切向刚度比 1.5 抗拉强度/MPa 11.4 黏结强度/MPa 9.9 颗粒间弹性模量/GPa 0.85 平行黏结弹性模量/GPa 0.85 颗粒间摩擦系数 0.5 颗粒密度/（kg·m−3） 2000 分别对不同孔径煤样模型进行单轴压缩数值模拟，结果如图10所示。
由图10a可以看出，数值模拟结果与室内试验应力应变曲线整体变化趋势基本一致，由于数值模型颗粒间接触相对密实，压密阶段不明显，峰值应变比室内试验略小，但数值模拟得到试样强度及破裂特征与室内试验结果吻合较好，均为裂纹贯通整个煤样，产生块体的剥落，是典型的脆性拉伸破坏，说明数值模拟结果可靠。
由图10b可以看出，完整煤样峰值强度明显高于含钻孔煤样，且随着钻孔直径的增大，峰值强度在不断降低。完整煤样在峰值前没有发生应力突降，含钻孔煤样在峰值之前均发生了应力突降，模拟中煤样没有设置原生裂隙，应力突降表现更加明显。并且随着钻孔直径的增大，应力突降出现时对应的应变越小，这与室内试验变化规律一致。
3.2 不同孔径煤样应力场分析
通过在数值模型上等间距均匀布置应力测量圆，对模型垂直方向应力状态进行监测，将所监测的局部垂直应力数据导出，绘制出不同孔径煤样模型破坏前后垂直方向应力场图，如图11所示。
![]()
图 11 不同孔径煤样破坏前后垂直方向应力场分布Figure 11. Vertical stress field before and after failure of coal samples with different hole diameters在煤样破坏前应力云图中，用红色和蓝色的线分别圈出拉应力集中区和压应力集中区。未出现宏观裂隙时，不同孔径煤样模型拉、压应力分布较为均匀。随着加载，在钻孔附近出现应力集中现象，在钻孔的上下两端会出现拉应力集中区，呈对称分布，在钻孔两侧会出现压应力集中区，同样为左右对称分布，这与弹性解析圆形钻孔应力分布一致[19]。煤样模型在持续加载作用下，裂隙不断发育，拉应力区域逐渐增多，最终宏观裂隙贯通时，拉应力区域占据绝大部分区域，煤样模型基本丧失承载力，最终形成拉伸破坏，与王宇驰等[20]研究的不同倾角组合孔洞岩石力学特性及破坏特征中规律保持一致。同时对比破坏前后应力场分布云图可以看出，拉应力数值和分布范围均随钻孔直径增大而增大，表明钻孔直径对拉应力的大小和拉应力区域的扩展均有显著影响。
此外，应力同样具有方向性，对裂隙的萌生、发育具有导向作用，因此从应力张量角度可以更好的分析某一点的裂隙演化细观机理，平面某一点的应力状态如图12所示[21]。
二维平面中一点的应力张量矩阵：
$$ {\boldsymbol{\sigma}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\boldsymbol{\sigma}}_ x}&{{\boldsymbol{\tau}} _{xy}} \\ {{\boldsymbol{\tau}} _{yx}}&{{\boldsymbol{\sigma}} _{y}} \end{array}} \right] $$ (6) 根据应力分量，最大主应力σ1和最小主应力σ3的计算如下：
$$ {{\boldsymbol{\sigma}} _1} = \frac{1}{2}\left[ {{{\boldsymbol{\sigma}} _x} + {{\boldsymbol{\sigma}} _y} + \sqrt {{{\left( {{{\boldsymbol{\sigma}} _x} + {{\boldsymbol{\sigma}} _y}} \right)}^2} + 4{\boldsymbol{\tau}} _{xy}^2} } \right] $$ (7) $$ {{\boldsymbol{\sigma}} _3} = \frac{1}{2}\left[ {{{\boldsymbol{\sigma}} _x} + {{\boldsymbol{\sigma}} _y} - \sqrt {{{\left( {{{\boldsymbol{\sigma}} _x} + {{\boldsymbol{\sigma}} _y}} \right)}^2} + 4{\boldsymbol{\tau}} _{xy}^2} } \right] $$ (8) 主应力方向角θ由下式求出：
$$ \tan 2\theta = \frac{{2{{\boldsymbol{\tau}} _{xy}}}}{{{{\boldsymbol{\sigma}} _x} - {{\boldsymbol{\sigma}} _y}}} $$ (9) 当σx大于σy时，主应力方向角为θ，当σx小于σy时，主应力方向角为θ+π/2。
钻孔直径为8 mm的煤样模型加载过程中的应力张量演化过程如图13所示。PFC模拟软件中规定拉应力为正，压应力为负。图中应力十字架的长轴代表最小主应力，短轴代表最大主应力，长轴倾角为最小主应力方向角。
图中分别展示了煤样未加载、裂隙起裂、裂隙贯穿之前、煤样破坏之后等4个阶段的应力张量演化过程。在加载之前，煤样模型未受到压力，其内部的应力较小，且应力方向分布不规律，呈离散状态。在之后的阶段由于受到加载作用，最小主应力方向几乎平行于加载方向。在裂隙起裂阶段，模型内部主要以压应力为主，在钻孔周围存在应力集中区，和应力场云图相对应，钻孔左右两侧为最大受压区，上下两侧为最大受拉区，整个模型只有在钻孔附近发生小范围的应力偏转。
在贯穿裂隙出现之前的阶段，在已经出现裂隙的区域应力十字架发生较大倾斜，这些区域主要以拉应力为主，当应力角度发生偏转时，相应的区域会出现裂隙，且以拉伸破坏为主。在模型即将破坏时，整个模型基本以拉应力为主，说明拉应力是导致裂隙萌生的主要原因，裂隙周围应力偏转明显。由于最大受拉区最先发生塑性屈服，裂隙沿着最大受拉区迅速扩展，与其他次生裂隙贯通，最后贯通整个模型，也使拉应力得到释放，发生重新分布。同时钻孔周围应力也有明显的偏转，说明钻孔对应力的分布及方向均有影响。
3.3 不同孔径煤样破坏过程分析
图14为不同孔径煤样发生裂隙起裂、应力突降、达到峰值应力和破坏后4个阶段裂隙扩展情况。
![]()
图 14 不同孔径煤样裂隙扩展情况Figure 14. Crack propagation of coal samples with different hole diameters由图14可知，不同孔径煤样裂隙起裂时，均是在煤样上下顶端首先出现，此处为煤样与加载板接触的地方，最先开始受力。完整煤样在裂隙迅速发育时，煤样上下两端先出现较大裂隙，然后向煤样中间贯通，最终形成贯穿整个煤样的裂隙，导致煤样失稳破坏。而含孔煤样，在裂隙迅速发育阶段，则是在钻孔周围先行贯穿，同时应力−应变曲线发生突降，之后裂隙迅速向上下两端扩展，最终贯穿整个煤样[22]，裂隙贯穿方向与加载方向一致。
煤样加载过程中裂隙萌生发育时拉伸和剪切裂隙数量较少，完整煤样表现为煤样中部首次出现较大裂隙时，拉伸裂隙开始比剪切裂隙多，而含孔煤样表现为钻孔周围首次出现裂隙时，即钻孔首次被裂隙贯通时，拉伸裂隙开始比剪切裂隙多。相同的是，不同孔径煤样在应力达到峰值时拉伸裂隙数量急剧上升，而剪切裂隙数量变化不大，最终煤样发生脆性拉伸破坏。
图15为不同孔径煤样发生裂隙起裂、应力突降、达到峰值应力和破坏后4个阶段位移云图。
![]()
图 15 不同孔径煤样位移过程Figure 15. Displacement process of coal samples with different hole diameters由图15可以看出，上下加载板刚开始对煤样进行加载时，煤样两端位移较大，中间位移较小。随着持续加载，当裂隙开始出现时，由于裂隙的产生使煤样结构面发生滑移，裂隙周围的颗粒位移会增大，尤其是钻孔周围，此时伴随孔周围的应力集中现象，率先发生小范围损伤破坏，此时煤样还具有一定的承载能力。裂隙顺着滑移的结构面持续扩展，随着轴向载荷进一步增大，颗粒位移逐渐增大，裂隙最终贯穿整个煤样。从8 mm钻孔煤样模型颗粒位移及裂纹扩展的方向可以看出，颗粒位移及裂纹扩展的方向与图13的应力偏转方向一致，表明应力偏转对颗粒的位移和裂纹扩展均具有导向作用。
4. 讨 论
煤矿常用地质钻机钻头直径为：ø65～153 mm，最新还研发了针对冲击地压煤层的一次成孔300 mm大直径钻孔技术装备。钻孔直径作为钻孔卸压技术中的关键参数，对卸压效果有着显著的影响。
开展了单轴压缩下不同孔径煤样力学试验与数值模拟，不同孔径煤样力学参数变化，如图16所示。
![]()
图 16 不同孔径煤样力学参数变化Figure 16. Variation of mechanical parameters of coal samples with different pore sizes可以发现，随着钻孔直径的增大，煤样的峰值强度、峰值应变、弹性能等均呈衰减趋势。当钻孔直径增大时，钻孔周围的应力集中现象更为显著，诱导裂纹萌生扩展，煤体内部应力进而得以更充分地释放，可以实现更好的卸压效果。由此可知，钻孔的存在，破坏了煤体的完整性，使煤体的内部结构和力学性质发生了改变。
然而，钻孔直径过大会增加施工难度和成本，同时施工钻孔后煤体强度变低，可能导致巷道浅部围岩承压能力减弱，围岩稳定性降低，巷道变形增大，抗冲击性变差，如图17所示。如何减小钻孔对巷道浅部围岩扰动，减小对巷道支护的影响，是现场工程应用亟待解决的难点问题。
试验集中于静载单轴应力条件，这与现场采动应力分布规律存在较大差异。下步将针对巷帮浅部应力释放区和深部应力集中区围岩实际应力状态，设计不同应力加载路径试验，开展进一步研究工作。
5. 结 论
1）不同孔径煤样单轴压缩试验表明，含孔煤样的力学参数均显著低于完整煤样，随钻孔直径的增加，含孔煤的峰值强度、峰值应变与弹性模量均呈衰减趋势。加载过程中含孔煤样在峰值应力前均出现应力突降现象，表明钻孔的存在破坏了煤样的原始结构，使其承载力发生弱化，并且降低了煤样的破坏剧烈程度。
2）不同孔径煤样能量演化规律基本一致，在达到峰值强度前，以弹性能积聚为主，达到峰值强度后，耗散能急剧增加。随钻孔直径的增加，煤样破坏所需要的能量减小，其破坏时能量释放的剧烈程度也随之降低，能量耗散比急剧上升时对应的应变越小，煤样越不容易积聚能量发生冲击性破坏。
3）不同孔径煤样破坏前后拉应力数值和分布范围均随钻孔直径增大而增大，钻孔周围也有明显应力偏转现象。完整和含孔煤样破坏形式均为拉伸破坏，完整煤样是上下两端先开始出现较大裂隙向中间贯通，形成贯穿整个煤样的裂隙，含钻孔煤样则是在钻孔周围先出现裂隙向上下两端扩展，最终贯穿整个煤样。
-
![]()
图 4 不同孔径煤样全应力−应变曲线
Figure 4. Stress-strain curves of coal samples with different hole diameters
![]()
图 6 不同孔径煤样能量柱状图
Figure 6. Energy histogram of coal samples with different hole diameters
![]()
图 7 不同孔径煤样能量耗散比曲线
Figure 7. Energy dissipation ratio curves of coal samples with different hole diameters
![]()
图 11 不同孔径煤样破坏前后垂直方向应力场分布
Figure 11. Vertical stress field before and after failure of coal samples with different hole diameters
![]()
图 14 不同孔径煤样裂隙扩展情况
Figure 14. Crack propagation of coal samples with different hole diameters
![]()
图 15 不同孔径煤样位移过程
Figure 15. Displacement process of coal samples with different hole diameters
![]()
图 16 不同孔径煤样力学参数变化
Figure 16. Variation of mechanical parameters of coal samples with different pore sizes
表 1 不同孔径煤样力学性能
Table 1 Mechanical properties of coal samples with different hole diameters
煤样状态 峰值应力σ/MPa 峰值应变ε 弹性模量E/MPa 完整煤样 18.476 0.0249 1073.34 4 mm钻孔 13.350 0.0229 817.08 6 mm钻孔 12.753 0.0208 873.27 8 mm钻孔 12.147 0.0198 816.46 
下载: 导出CSV
表 2 数值模型细观参数
Table 2 Model parameter setting
参数 数值 最大颗粒半径/m 0.9×10−3 最小颗粒半径/m 0.6×10−3 平行黏结法向−切向刚度比 1.5 抗拉强度/MPa 11.4 黏结强度/MPa 9.9 颗粒间弹性模量/GPa 0.85 平行黏结弹性模量/GPa 0.85 颗粒间摩擦系数 0.5 颗粒密度/（kg·m−3） 2000
下载: 导出CSV
-
[1] 潘一山,宋义敏,刘军. 我国煤矿冲击地压防治的格局、变局和新局[J]. 岩石力学与工程学报,2023,42(9):2081−2095. PAN Yishan,SONG Yimin,LIU Jun. Pattern,change and new situation of coal mine rockburst prevention and control in China[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2023,42(9):2081−2095.
[2] CHEN M,ZHANG Y L,ZANG C W,et al. Experimental investigation on pressure relief mechanism of specimens with prefabricated reaming boreholes[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering,2023,56(4):2949−2966. doi: 10.1007/s00603-022-03159-1
[3] 朱斯陶,姜福兴,史先锋,等. 防冲钻孔参数确定的能量耗散指数法[J]. 岩土力学,2015,36(8):2270−2276. ZHU Sitao,JIANG Fuxing,SHI Xianfeng,et al. Energy dissipation index method for determining rockburst prevention drilling parameters[J]. Rock and Soil Mechanics,2015,36(8):2270−2276.
[4] KENETI A,SAINSBURY B A. Review of published rockburst events and their contributing factors[J]. Engineering Geology,2018,246:361−373. doi: 10.1016/j.enggeo.2018.10.005
[5] 马斌文,邓志刚,赵善坤,等. 钻孔卸压防治冲击地压机理及影响因素分析[J]. 煤炭科学技术,2020,48(5):35−40. MA Binwen,DENG Zhigang,ZHAO Shankun,et al. Analysis on mechanism and influencing factors of drilling pressure relief to prevent rock burst[J]. Coal Science and Technology,2020,48(5):35−40.
[6] 王书文,潘俊锋,刘少虹,等. 基于能量耗散率的钻孔防冲效果评价方法[J]. 煤炭学报,2016,41(S2):297−304. WANG Shuwen,PAN Junfeng,LIU Shaohong,et al. Evaluation method for rockburst-preventing effects by drilling based on energy-dissipating rate[J]. Journal of China Coal Society,2016,41(S2):297−304.
[7] 鲁俊,尹光志,高恒,等. 真三轴加载条件下含瓦斯煤体复合动力灾害及钻孔卸压试验研究[J]. 煤炭学报,2020,45(5):1812−1823. LU Jun,YIN Guangzhi,GAO Heng,et al. Experimental study on compound dynamic disaster and drilling pressure relief of gas-bearing coal under true triaxial loading[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(5):1812−1823.
[8] 潘俊锋,闫耀东,马宏源,等. 一次成孔300 mm煤层大直径钻孔防冲效能试验[J]. 采矿与岩层控制工程学报,2022,4(5):5−15. PAN Junfeng,YAN Yaodong,MA Hongyuan,et al. Using 300 mm diameter boreholes for coal burst prevention a case study[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering,2022,4(5):5−15.
[9] 杨圣奇,刘相如,李玉寿. 单轴压缩下含孔洞裂隙砂岩力学特性试验分析[J]. 岩石力学与工程学报,2012,31(S2):3539−3546. YANG Shengqi,LIU Xiangru,LI Yushou. Experimental analysis of mechanical behavior of sandstone containing hole and fissure under uniaxial compression[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(S2):3539−3546.
[10] YANG S Q,YIN P F,ZHANG Y C,et al. Failure behavior and crack evolution mechanism of a non-persistent jointed rock mass containing a circular hole[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2019,114:101−121. doi: 10.1016/j.ijrmms.2018.12.017
[11] 宫凤强,何志超. 钻孔卸压防治岩爆机理的试验研究进展与展望[J]. 隧道与地下工程灾害防治,2023,5(2):1−23. GONG Fengqiang,HE Zhichao. Progress and prospect of experimental research on the mechanism of rockburst prevention and control by drilling pressure relief[J]. Hazard Control in Tunnelling and Underground Engineering,2023,5(2):1−23.
[12] 张天军,景晨,王喜娜,等. 不同加载速率对含孔试样变形特性影响研究[J]. 采矿与安全工程学报,2021,38(4):847−856. ZHANG Tianjun,JING Chen,WANG Xina,et al. Experimental investigation of the effect of different loading rates on deformation characteristics of porous samples[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2021,38(4):847−856.
[13] 张天军,景晨,张磊,等. 含孔试样孔周破坏的应变局部化特征[J]. 煤炭学报,2020,45(12):4087−4094. ZHANG Tianjun,JING Chen,ZHANG Lei,et al. Strain localization characteristics of perforation failure of perforated specimens[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(12):4087−4094.
[14] 来兴平,方贤威,单鹏飞,等. 脆性孔洞煤样承载过程破坏模式及能量阶段蓄积释放规律分析[J]. 采矿与安全工程学报,2021,38(5):1005−1014. LAI Xingping,FANG Xianwei,SHAN Pengfei,et al. Failure mode and phased energy accumulation and release law of brittle holey coal samples during loading[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2021,38(5):1005−1014.
[15] 陈定超,王襄禹,柏建彪,等. 迎采工作面沿空掘巷围岩能量-应力全周期演化规律[J/OL]. 煤炭科学技术,2024:1−14.(2024−03−09). http://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx? filename=MTKJ20240305003&dbname=CJFD&dbcode=CJFQ. CHEN Dingchao,WANG Xiangyu,BAI Jianbiao,et al. Full-cycle evolution law of energy-stress of surrounding rock driving along goaf in face-to-face mining face[J/OL]. China Industrial Economics,2024:1−14. (2024−03−09). http://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx? filename=MTKJ20240305003&dbname=CJFD&dbcode=CJFQ.
[16] 尹光志,马波,刘超,等. 真三轴应力条件下加卸荷速率对砂岩力学特性与能量特征的影响[J]. 煤炭学报,2019,44(2):454−462. YIN Guangzhi,MA Bo,LIU Chao,et al. Effect of loading and unloading rates on mechanical properties and energy characteristics of sandstone under true triaxial stress[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(2):454−462.
[17] 李学华,牛志军,姚强岭,等. 孔洞式三叉裂隙砂岩裂纹扩展特征颗粒流分析[J]. 煤炭学报,2020,45(11):3735−3747. LI Xuehua,NIU Zhijun,YAO Qiangling,et al. Particle flow analysis of crack propagation characteristics of hole-type trident cracks sandstone[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(11):3735−3747.
[18] 杨磊,王晓卿,李建忠. 不同冲击倾向性煤单轴压缩下能量演化与损伤特征[J]. 煤炭科学技术,2021,49(6):111−118. YANG Lei,WANG Xiaoqing,LI Jianzhong. Energy evolution and damage characteristics of coal with different bursting liability under uniaxial compression[J]. Coal Science and Technology,2021,49(6):111−118.
[19] 陈明祥. 弹塑性力学[M]. 北京:科学出版社,2007. [20] 王宇驰,杨勇,张忠政,等. 基于PFC2D的不同倾角组合孔洞岩石力学特性及破坏特征[J]. 矿冶,2022,31(3):132−139. WANG Yuchi,YANG Yong,ZHANG Zhongzheng,et al. Mechanical properties and failure characteristics of combined hole rocks with different dip angles based on PFC2D[J]. Mining and Metallurgy,2022,31(3):132−139.
[21] 王海洋,李金浜,郑仕跃,等. 拉剪作用下椭圆孔洞砂岩力学及破坏特征模拟研究[J]. 煤炭科学技术,2023,51(8):86−96. WANG Haiyang,LI Jinbang,ZHENG Shiyue,et al. Simulation on mechanical and failure characteristics of sandstone with elliptical hole under tension-shear effect[J]. Coal Science and Technology,2023,51(8):86−96.
[22] 张村,贾胜,王方田,等. 水岩作用下煤体孔裂隙结构演化特征及驱动机制实验研究[J]. 应用基础与工程科学学报,2023,31(1):185−196. ZHANG Cun,JIA Sheng,WANG Fangtian,et al. An experimental research on the pore and fracture evolution characteristics and its driving mechanism for coal samples under water-rock interaction[J]. Journal of Basic Science and Engineering,2023,31(1):185−196.
计量
- 文章访问数: 22
- HTML全文浏览量: 4
- PDF下载量: 20
