基于散斑監測的抽采鉆孔變形破壞特征試驗研究

郭明功，雙海清，劉思博

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

我國礦井瓦斯災害較為嚴重，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，影響瓦斯抽采效率，使得煤與瓦斯高效共采難以順利實施[2]。

提高抽采鉆孔的穩定性對于保證瓦斯抽采效率極其重要，眾多學者針對鉆孔變形失穩進行了一系列研究。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，建立了鉆孔失穩的力學模型；楊滿成等[4]基于蠕變煤層與套管相互作用力學模型，研究了在非均勻地應力下松軟煤層蠕變對瓦斯成孔穩定性的影響；張磊等[5]分析了卸壓鉆孔施工后圍巖應力及變形場分布規律，得到鉆孔圍巖發生損傷時的損傷區半徑的解析式。在鉆孔變形失穩的實驗研究方面：趙陽升等[6]采用自主研制的三軸試驗機分析了鉆孔變形特征和臨界失穩條件；薛偉超等[7]研究了順層長鉆孔裂縫擴展規律；林海飛等[8]研究了試樣的力學強度特征、破壞形態以及試樣表面裂紋演化的鉆孔傾角效應影響；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半徑和徑向位移；李樹剛等[10]研究了分級循環加卸載條件下鉆孔的變形破壞特征。

單軸壓縮試驗具有試樣破裂過程可視化的優點，并且煤巖體在單軸壓縮和三軸壓縮下力學特征相似，單軸試驗結果可以三軸試驗提供一定借鑒[11]，對于現場抽采鉆孔失穩防治同樣有一定的指導意義。綜上所述，大部分學者研究鉆孔變形特征時，對于現場實際施工鉆孔時煤體處于穩壓狀態這一情況考慮較少。鑒于此，試驗過程中在穩定壓力的情況下，對試樣實施鉆孔，分析了型煤試樣的強度特征，并結合散斑監測系統研究試樣裂紋的演化特征以及破壞形態。

1 試驗方案

1.1 試樣制備

試驗研究考慮到原煤試樣強度離散性較大，鉆孔實施相對困難，而且研究重點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象。

根據前人研究分析可知，單純煤粉壓縮制成的型煤試樣抗壓強度較低，不符合試驗測試需求，為配制強度較高且調節范圍較大的型煤試樣，必須添加膠結劑。王漢鵬等[12]通過大量正交試驗比選，最終選擇腐植酸鈉水溶液作為膠結劑，因為腐植酸鈉本身是煤的提煉物，能夠最大程度還原煤樣性質。因此，試驗選取粒徑為0.075～0.180 m 的煤粉，加腐植酸鈉、水（質量比為8∶2∶1）充分攪拌混合，利用高低頻沖擊儀制樣，尺寸為70 m×70 m×70 m。根據外觀尺寸、質量及波速差異選取試樣進行試驗。

1.2 試驗設備

DYD-10 試驗機主要由負荷機架、主箱體、傳動系統、數據采集系統與位移保護裝置等組成，可實現不同加載方式下試樣力學參數的測定，其軸向壓力范圍0～10 kN，載荷精度0.5%。

數字圖像相關技術（XTDIC）作為一種非接觸式、高精度的光學測量手段，廣泛用于邊坡、地下洞室等工程現場及室內巖石的變形破壞監測研究[13-14]。該系統將光學監測與數學計算方法相結合，試樣受載前標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量點，再通過數學計算對應點的位移變化，得到試樣變形破壞特征。

1.3 試驗方案

試驗主要對比完整試樣以及含鉆孔試樣的強度特征、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對試驗結果造成影響，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，試驗選取鉆孔直徑為5 mm，傾角為0°。天然地質條件下，煤巖體大多處于靜態加載水平，因此，設置低量級加載能夠真實模擬鉆孔變形失穩[15]。結合力學實驗機性能，試驗加載速率選擇0.3 mm/min。

試驗開始前，先對試樣表面進行散斑布點，然后將電子萬能試驗機及散斑監測系統同步開啟，試驗結束后同時停止。預設穩壓壓力階段為本試驗含鉆孔型煤試件線彈性階段初期應力（0.5 kN）[16]，穩壓階段采用鉆桿直徑5 mm 的鉆機在試樣中心實施貫穿試件傾角為0°鉆孔。

2 試驗結果

2.1 試樣強度特征分析

根據試驗方案開展單軸壓縮試驗，由試驗結果可得不同條件試樣的應力-應變曲線如圖1。

圖1 應力-應變曲線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度由1.19 MPa 減小至0.95 MPa，減小幅度為20.17%。這主要是因為試樣未施工鉆孔時，整體受力處于相對平衡狀態，鉆孔形成后，孔周出現應力集中現象，率先發生小范圍損傷破壞，此時試樣還具有一定的承載能力。隨著軸向載荷進一步增大，超過試樣承載極限，最終發生破壞。而完整試樣結構相對完整，能夠承載更大應力，相同條件下，完整試樣抗壓強度大于含孔試樣抗壓強度。

2.2 完整試樣變形破壞特征分析

2.2.1 完整試樣位移場演化特征

通過對XTDIC 監測結果分析處理，得到的完整試樣觀測面不同加載時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：當軸向應力為0.08 MPa 時，整體來看試樣處于非均勻變形階段，雖然此時試樣承受軸向載荷較小，但由于自身內部存在眾多不均勻分布的空隙，導致試樣在加載過程中出現微小局部變形集中現象，位移等值線彎曲程度較高，即非均勻變形程度相對較大；當軸向應力為0.32 MPa 時，試樣處于壓密階段末期，左右兩側位移等值線逐漸演化為關于縱軸對稱，試樣中部橫位移等值線變密，表明裂紋從此處萌生；當軸向應力為1.02 MPa 時，位移等值線明顯對稱，而中部等值線逐漸變疏，這是因為此時試樣承受軸向載荷相對較大，向左右兩側膨脹變形；當試樣軸向應力達到峰值1.19 MPa 時，試樣表面中部左右均出現明顯的局部變形現象，等值線對稱性減弱，表明裂紋在此處形成、發育、擴展；最終破壞時，試樣左下方等值線變密，局部變形集中現象嚴重，試樣表面宏觀裂紋在此處形成。

由圖3 可知：加載初期，當軸向應力為0.08 MPa 時，試樣處于非均勻變形階段，受邊界效應影響，試樣左下角、右上角變形較大；當軸向應力為0.32 MPa 時，試樣內部空隙被壓實，非均勻性減弱，軸向位移等值線逐漸呈水平方向分層分布；隨著荷載進一步增大，軸向位移等值線逐漸演化為關于橫軸對稱分布（圖5（c））；試樣觀測面上端位移值最大，向下逐漸減小，這與荷載施加方向一致，隨著軸向應力的增加，軸向位移進一步增大；當軸向應力為最大值1.19 MPa 時，位移等值線對稱性減弱，試樣表面出現局部大變形；破壞時刻試樣左下角軸向位移突增，產生宏觀破壞，左下角有局部脫落現象。

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

軸向應力為0.08 MPa 時，試樣處于裂隙壓密階段，變形整體較??；當軸向應力達到0.32 MPa 時，試樣中上部出現1 條相對明顯的應變集帶，表明此處產生微小裂紋；當軸向載荷增大至1.02 MPa 時，試樣左右兩側出現2 條宏觀剪切性質裂紋，同時周圍產生多條短裂紋；當軸向應力達到峰值1.19 MPa時，試樣表面裂紋逐漸匯聚為3 條宏觀長裂紋，中間裂紋屬于拉伸性質，左右兩側裂紋屬于剪切性質，此時試樣還具有承載能力，但由于試樣處于低強度狀態，持續穩壓后，應力出現較快下降。最終破壞時刻，試樣左右兩側剪切裂紋貫穿上下端，導致承載結構失效，同時發出爆裂聲，為拉剪復合破壞模式。

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生應力集中現象，新生裂紋與原生裂紋持續發育、擴展、貫通導致[8]。

2.3.1 含孔試樣位移場演化特征

通過對XTDIC 監測結果分析處理得到不同軸向應力狀態時，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，軸向應力為0.08 MPa 時，試樣整體處于壓密階段，存在局部變形現象，位移等值線較曲折；隨著加載載荷繼續增大，在穩壓階段實施鉆孔，軸向應力為0.12 MPa 時，鉆孔周圍應力重新分布，產生應力集中，導致孔周出現應變集中現象；載荷進一步增大至0.44 MPa 時，位移等值線曲折程度降低；當軸向應力達到最大值0.95 MPa 時，試樣表面右側出現明顯的變形集中有宏觀裂紋形成，并且左右兩側橫向位移值較大，即試樣向兩側膨脹變形發展，向右最大值達5.69 mm，向左最大值達4.67 mm；最終破壞時刻，試樣下方左右兩側出現大變形，表明試樣的變形破壞是向兩側剝離。

由圖6 可知，當軸向應力為0.08 MPa 時，試樣此刻處于非均勻變形階段，位移受邊界效應影響較大，位移等值線曲折分布；完成鉆孔施工后，鉆孔左上角出現變形集中現象，軸向位移等值線逐漸呈水平方向分層分布；隨著荷載進一步增大，試樣軸向位移等值線逐漸呈關于橫軸對稱分布；最終破壞時刻，位移等值線下部彎曲程度加大，對稱性減弱，表明試樣表面此處出現非均勻局部大變形。

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，鉆孔周圍發生應力集中影響裂紋演化。根據試樣變形破壞強度特征值[17]（壓密應力0.11 MPa、起裂應力0.46 MPa、損傷應力0.85 MPa、峰值應力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，試樣內部原生裂隙壓實閉合，表面發生微小變形；線彈性階段，此時已完成鉆孔施工，上部出現1 條宏觀拉伸裂紋，鉆孔左側出現小范圍應變集中；在裂紋穩定擴展階段，鉆孔上部、下部拉伸裂紋向外發育延伸；在裂紋不穩定擴展階段，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，左上方剪切裂紋發育至頂部使試樣發生結構性失穩破壞，破壞呈“X”狀，屬于拉剪復合破壞。

2.4 孔周測點位移演化特征

孔周測點位移監測如圖8。

圖8 孔周測點位移監測Fig.8 Displacement monitoring of measuring points around the hole

結合軸向加載應力-時間曲線，將孔周位移演化過程分為4 個階段：Ⅰ快速增長、Ⅱ穩定增長、Ⅲ緩慢增長、Ⅳ極速增長。在加載初期，由于試樣內部存在大量原始微小裂隙，在軸向載荷作用下被壓密，各測點位移表現為快速增長；在穩壓期間，試樣承受載荷不變，通過XTDIC 系統監測未發現大變形，各測點位移緩慢增長；隨著軸向載荷進一步增大，試樣各測點位移表現為線性穩定增長；臨近破壞時刻，試樣在短時間內發生結構性失穩破壞，位移值極速增長。對比不同層位測點位移特征，發現同一狀態下A3測點位移值最大，C3測點位移值最小，整體表現為：測點層位越高，位移值越大。

3 結 語

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

2）通過XTDIC 系統監測分析得到了完整試樣在單軸壓縮過程中表面位移演化規律。首先，在試樣中部產生拉伸裂紋，之后在試樣左右兩側產生剪切裂紋，隨著加載應力的進一步增大，裂紋貫穿試樣上下端，承載結構失穩發生破壞，屬于拉剪復合破壞模式。

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合破壞，研究結果可為煤礦現場順層瓦斯抽采鉆孔的布置及護孔裝置的選擇提供理論依據。

4）結合軸向加載應力-時間曲線，將孔周位移演化過程分為4 個階段：快速增長、穩定增長、緩慢增長、極速增長，加載過程中同一時刻不同測點位移值隨著測點層位的增高而增大。