復雜應力對卸壓鉆孔的破壞規律的研究

楊相民 趙祥順

（陜西彬長胡家河礦業有限公司，陜西咸陽 713600）

復雜應力對卸壓鉆孔的破壞規律的研究

楊相民 趙祥順

（陜西彬長胡家河礦業有限公司，陜西咸陽 713600）

本文基于煤體受載過程的聲發射試驗進行了宏觀力學的分析，探討了煤體破壞過程中的聲發射非線性特征，進行了煤巖常規試件的宏觀力學性質實驗，三軸含瓦斯煤巖的聲發射試驗，選取具有代表性的聲發射參數，對不同受力狀態下煤樣破壞全過程的聲發射特征和試樣變形規律進行研究。利用COMSOL數值模擬系統分別對大直徑卸壓鉆孔煤巖的變形破壞過程、破裂過程進行了數值模擬分析。

聲發射 煤巖破裂 數值模擬

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。但是在生產實踐中，鉆孔的“塌孔”，打鉆過程中的“卡鉆”是遇到的最實際的問題，已經嚴重影響了沖擊地壓解危技術的實施。

2 煤體的變形與聲發射對比分析

含瓦斯煤樣三軸壓縮條件下的變形與聲發射特征，利使用TAW-2000KN巖石力學實驗系統和PCI-2全數字化聲發射系統，進行了突出煤樣在三軸下的聲發射特性試驗。根據不同的聲發射特性試驗圍壓煤樣監測系統。圍壓分為以下兩個等級：2MPa和4MPa。在實驗時，加載順序是先圍后軸。圖1為試驗得到不同圍壓下煤樣的應力應變和聲發射特征圖。

圖1不同圍壓下突出煤樣的應力應變和聲發射特征

從圖1可以看出，含瓦斯不同圍壓的煤體有相似的AE表征。他們的共同點是：彈性階段的聲發射頻率及能量都比較低；彈塑性階段，聲發射頻率和能量與軸向應力成正比。聲發射信號最高值對應著煤樣應力的突然釋放；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，壓力曲線開始點不為零［3］。含瓦斯煤表現出塑性的特征，具有明顯的初始加載階段。在無瓦斯煤樣發生破壞的軸向應變值在0.009-0.01之間，相對的，含瓦斯煤樣的值為0.016-0.018。可見，在有瓦斯存在的情況下煤的應力應變情況發生變化，表現出更多的塑性。

本次進行了突出煤巖三軸的聲發射試驗以及常規試件的宏觀力學性質實驗，實驗結果表明：圍壓作用下煤樣的聲發射參數變化在彈性階段的信號減少明顯，相對平靜期現象不明顯；在細觀上，煤體受圍壓時表現出一定的相對塑性特征，其內部的瓦斯壓力改變了其骨架上的有效應力在宏觀上，宏觀上的表現為塑性的增加。

3 數值模擬模擬結果

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

圖3為數值模擬的試樣破壞過程，體現出載荷長時作用在煤巖，致使煤巖變形破裂的過程，由于試件內部細觀單元損傷的加劇導致煤巖的變形破壞。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 數值模擬的試樣破壞過程

在線性變形階段，透氣系數是在逐漸減小的，而在試樣失穩破壞后透氣系數出現大的階躍?？砂l現透氣系數發生突跳的時候就與之相對應有一個明顯的應力降和聲發射的劇增。由于模型是采用位移加載方式，突然的破裂將導致強烈的聲發射現象和突然的應力降［4］。因此我們可以得出結論，試件損傷（微破裂）的發展引起透氣系數的變化，很明顯透氣系數的變化和試樣的損傷是一致的。

4 結語

（1）圍壓作用下煤樣的聲發射參數變化具有明顯的趨勢性，彈性階段的聲發射信號顯著減少，破壞前無明顯聲發射相對平靜期現象；含瓦斯煤在三軸壓縮條件下呈現一定的相對塑性特征，煤體內一定壓力的瓦斯使作用在煤體骨架上有效應力發生了變化，宏觀上表現為塑性的增加。

（2）利用COMSOL軟件做相應模擬實驗，佐證了本文建立的固氣滲流-應力耦合模型對體現實驗室所得結果的統一性。COMSOL模擬得出的應力、應變圖形象的演示了鉆孔破壞的形態。

［1］馮右前.數值分析［M］.北京：清華大學出版社，2005.70-73.

［2］趙陽升.煤體-瓦斯耦合數學模型與數值解法［J］.巖石力學與工程學報，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值模擬［J］.中國安全科學學報，2005，15（1）：106-110.

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