鉆孔卸壓影響因子的顆粒流分析

朱油雷

（貴州省六盤水市水城區(qū)能源局，貴州 六盤水 553600）

隨著開采深度增加，巷道頂板和兩幫圍巖壓力增大，沖擊地壓發(fā)生頻率增加，造成支架損壞、片幫冒頂、巷道堵塞并傷及人員，成為采礦行業(yè)面臨的重大難題[1-2]。尤其在我國山東省地區(qū)，由于開采時間久、煤層埋藏深，開采中容易發(fā)生沖擊地壓。有效地防治沖擊地壓災害，既是煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域亟待解決的當務(wù)之急，也是保障能源和原料供應必須解決的現(xiàn)實問題。作為防治沖擊地壓最常用的手段之一，鉆孔卸壓技術(shù)已經(jīng)在深部煤層開采中得到了廣泛應用，通過預制鉆孔和實時鉆孔均能有效削弱巖石的力學行為，削弱巖石的彈性應變能儲存能力和沖擊地壓傾向[3]。鉆孔卸壓技術(shù)具有施工方便、工藝簡單、卸壓效果好等優(yōu)點[4-6]，但不同鉆孔參數(shù)下的卸壓效果存在很大差異。通過采用顆粒流軟件PFC3D對不同鉆孔數(shù)量、不同鉆孔間距條件下的卸壓效果進行分析，為鉆孔參數(shù)的合理選取提供理論依據(jù)。

1 建立試樣

利用顆粒流程序（PFC3D）建立數(shù)值模型，試樣尺寸為140 mm×70 mm×50 mm，通過刪除顆粒的方法生成鉆孔[7]，顆粒之間通過黏結(jié)鍵連接，數(shù)值模型如圖1。對含鉆孔試樣進行單軸壓縮試驗，試驗加載速率為0.05 mm/min。設(shè)置鉆孔數(shù)量、鉆孔間距兩個變量，來探究不同鉆孔參數(shù)下的卸壓效果。鉆孔參數(shù)見表1，經(jīng)校核后的顆粒微觀參數(shù)見表2。

表1 鉆孔參數(shù)表

表2 數(shù)值模型微觀參數(shù)

圖1 含鉆孔試樣數(shù)值模型

2 力學特性分析

力學特性主要反映了試樣加載過程中承載能力和變形特征的變化，包括應力-應變曲線、峰值應力和彈性模量，下面將對其進行具體分析。

圖2 為不同鉆孔參數(shù)試樣的應力-應變曲線變化圖。可以看出，鉆孔參數(shù)對應力-應變曲線有很大的影響。當鉆孔數(shù)量為3 時，試樣的峰值強度達到最小值，當鉆孔間距為15 mm 時，峰值強度達到最小值。通過增加鉆孔數(shù)量和減小鉆孔間距的方式，均可以實現(xiàn)峰值應力的降低。相比于峰值應力降低幅度，三個鉆孔試樣的峰值應力降低最明顯，d=15 mm 試樣次之。

圖2 不同鉆孔參數(shù)試樣的應力-應變曲線

圖3 為峰值應力、彈性模量與鉆孔參數(shù)的變化關(guān)系。對于不同鉆孔數(shù)量的試樣，峰值應力和彈性模量都隨著自變量的增加而降低，其中峰值應力降低幅度分別為33.31%和15.48%，彈性模量降低幅度分別為5.20%和13.44%。對于不同鉆孔間距試樣，峰值應力和彈性模量與鉆孔間距呈正比，即鉆孔間距越小，峰值應力和彈性模量越低，下降幅度分別為19.63%和5.80%。峰值應力降低說明了卸壓孔發(fā)揮了降低圍巖應力的作用，彈性模量降低說明圍巖體抵抗變形的能力降低，鉆孔周圍在高應力下更容易產(chǎn)生裂紋，從而釋放內(nèi)部積蓄的彈性應變能。

圖3 不同鉆孔參數(shù)試樣峰值應力和彈性模量圖

綜上所述，在工程現(xiàn)場利用鉆孔卸壓防治沖擊地壓過程中，可以通過增加鉆孔數(shù)量、縮小鉆孔間距來降低圍巖應力，減小圍巖的變形量，以此達到防治沖擊地壓的目的。

3 試樣微裂紋演化特征

在單軸壓縮作用下，含鉆孔試樣的破壞是一個漸進性的演化過程。根據(jù)以往的研究[8]，外部荷載發(fā)生改變，除了其力學特性發(fā)生改變之外，最主要的特征是裂紋的萌生-擴展-聚合過程。裂紋的發(fā)育是試樣失效的根本原因，對裂紋演化過程進行研究有助于進一步了解試樣的損傷破壞過程。工程實踐中，巷道兩側(cè)煤幫的支撐失效亦是如此。因此，對不同鉆孔參數(shù)試樣的裂紋擴展進行研究至關(guān)重要，本節(jié)將從細觀角度對含鉆孔試樣的微裂紋損傷演化過程進行分析。

圖4、圖5 分別為不同鉆孔數(shù)量、不同鉆孔間距下試樣的裂紋演化過程曲線。根據(jù)實時裂紋數(shù)曲線變化特征，可以將微裂紋變化過程劃分為“平靜-緩增-急增”三個階段，分別為：1）加載初始階段的平靜期Ⅰ；2）裂紋開始出現(xiàn)至峰值前的裂紋擴展期Ⅱ；3）微裂紋快速增加期Ⅲ。

圖4 不同鉆孔數(shù)量試樣微裂紋演化曲線

圖5 不同鉆孔間距試樣裂紋演化過程

3.1 不同鉆孔數(shù)量試樣裂紋演化過程

試樣中鉆孔數(shù)量增加時，含鉆孔附近巖體的應力場分布發(fā)生變化，其承載能力發(fā)生了改變，試樣破壞時，裂紋演化過程亦存在很大差異。

圖4 展示了不同鉆孔數(shù)量試樣裂紋演化過程。可以看出，在微裂紋萌生程度方面，階段Ⅰ＜階段Ⅱ＜階段Ⅲ，說明階段Ⅰ幾乎沒有微裂紋萌生，階段Ⅱ開始出現(xiàn)微裂紋萌生，階段Ⅲ實時微裂紋數(shù)量迅速升高，累計微裂紋數(shù)量曲線呈指數(shù)式增加，說明峰值應力之后是裂紋大量產(chǎn)生的時期。此外，從累計裂紋數(shù)量曲線中可以得到：當鉆孔數(shù)量為3 時，累計微裂紋數(shù)約為38 000，顯著小于一個鉆孔時的累計微裂紋數(shù)，兩鉆孔試樣累計裂紋數(shù)次之。以上結(jié)果證實鉆孔數(shù)量是影響圍巖應力釋放的一個重要因素，即增加鉆孔數(shù)量可以加快試樣的破裂速度，降低裂紋數(shù)目，釋放內(nèi)部積聚的集中應力，降低抗壓強度。因此，工程上可以在煤層中選擇多個合適位置進行鉆孔作業(yè)，每個鉆孔的卸壓效果相互疊加，共同構(gòu)成了整體卸壓結(jié)構(gòu)，使煤柱內(nèi)部積聚的彈性應變能得到釋放和轉(zhuǎn)移，從而降低沖擊傾向性。

3.2 不同鉆孔間距試樣裂紋演化過程

鉆孔間距的變化會導致試樣最終產(chǎn)生的裂紋數(shù)存在較大差異，圖5 為不同鉆孔間距試樣裂紋演化過程。階段Ⅰ中依舊無明顯微裂紋產(chǎn)生。進入階段Ⅱ，隨著鉆孔間距增加，微裂紋數(shù)量逐漸增加。當鉆孔間距d≥30 mm 時，階段Ⅱ中存在較為強烈的實時微裂紋峰值波動現(xiàn)象；而當d＜30 mm 時，階段Ⅱ?qū)崟r微裂紋數(shù)量增加速度明顯緩和。進入階段Ⅲ，實時微裂紋數(shù)量增加速度加快。其中，d=25 mm 和d=30 mm 試樣出現(xiàn)兩個明顯的微裂紋數(shù)量波峰，其余試樣只出現(xiàn)一個微裂紋數(shù)量波峰。

觀察累計裂紋數(shù)變化，可以看出隨著鉆孔間距增加，累計裂紋數(shù)量也在逐漸增加。這表明：減小鉆孔間距，巖橋區(qū)域中微裂紋迅速生成并貫通，兩個鉆孔聯(lián)合卸壓作用增強，使試樣內(nèi)部積聚的彈性應變能以很快的速度釋放，抗壓強度明顯降低，破裂過程得到加快。總之，實際工程中減小鉆孔間距可以有效降低圍巖應力，起到降低沖擊地壓發(fā)生概率的目的。

4 結(jié)論

本文基于常規(guī)鉆孔卸壓在防治沖擊地壓中存在的缺陷，為了提出合適的鉆孔卸壓技術(shù)，利用PFC3D建立不同鉆孔參數(shù)試樣，研究了不同鉆孔參數(shù)下試樣的力學行為特征和破裂演化過程，主要結(jié)論如下：

1）鉆孔數(shù)量越多、鉆孔間距越小，峰值應力和彈性模量越低，卸壓程度越好，變形量越小。

2）在單軸作用條件下，根據(jù)微裂紋變化特征得到試樣的破裂過程是由緩慢破壞到急劇破壞的過程。加載初期，幾乎無微裂紋產(chǎn)生；進入階段Ⅱ，微裂紋開始顯著增加；階段Ⅲ是微裂紋急劇增加的時期，當微裂紋超過一定數(shù)量時，試樣失去承載能力。

3）通過增加鉆孔數(shù)量、減小鉆孔間距的方式，可以加快試樣的破裂速度，使得累計裂紋數(shù)量最低。