王 寧,劉長(zhǎng)來(lái),李樹(shù)剛,張?zhí)燔姡?晨
(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054;2.陜西煤業(yè)股份有限公司,陜西 西安 710077;3.西安科技大學(xué) 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)
瓦斯抽采是礦井瓦斯治理與利用的根本措施和主要途徑[1],但工程擾動(dòng)與次生應(yīng)力會(huì)打破初始應(yīng)力的平衡狀態(tài),使孔周產(chǎn)生裂隙,嚴(yán)重降低瓦斯抽采濃度,甚至影響整個(gè)鉆場(chǎng)的抽采效果[2,3]。為解決鉆孔孔周漏氣問(wèn)題,需探究孔周裂紋的產(chǎn)生機(jī)理,前人從理論、數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)等多方面開(kāi)展了大量研究,但由于研究技術(shù)與方法的制約,仍未揭示抽采鉆孔孔周的裂隙擴(kuò)展規(guī)律及漏氣通道形成機(jī)理。因此,本文開(kāi)展含鉆孔試樣破壞過(guò)程的時(shí)空特征探究,以期闡明孔周裂隙擴(kuò)展特征與瓦斯抽采鉆孔失穩(wěn)過(guò)程,為鉆孔工程提供一定的理論依據(jù)。
現(xiàn)階段,為探究孔周裂紋的產(chǎn)生,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究。LAJTAI[4]通過(guò)對(duì)大量含孔試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn),根據(jù)裂隙的受力特點(diǎn),將裂隙劃分為4類。唐春安等[5]利用數(shù)值模擬計(jì)算的方式,對(duì)含孔試樣的裂隙產(chǎn)生次序進(jìn)行了歸類,并提出微裂紋有向移動(dòng)觀點(diǎn)。宋義敏等[6]利用數(shù)字散斑圖像技術(shù),對(duì)含孔洞的巖樣進(jìn)行變形場(chǎng)觀測(cè),分析了變形局部化帶的變形能密度對(duì)裂隙發(fā)育的影響。靖洪文等[7]分析了孔洞幾何形狀對(duì)砂巖試樣強(qiáng)度特征及破壞模式的影響規(guī)律,得出正方形孔洞承載能力最弱、菱形承載能力最強(qiáng)。張?zhí)燔姷萚8]針對(duì)含孔試樣在漸進(jìn)性破壞過(guò)程中的超聲波特征進(jìn)行研究,得出其波速變化呈現(xiàn)出“穩(wěn)定—輕微降低—迅速降低”3個(gè)階段。華明國(guó)等[9]基于數(shù)值軟件建立三維矩形巷道交叉模型,計(jì)算得出鉆孔孔周應(yīng)力隨孔深增加呈現(xiàn)出較強(qiáng)的冪指數(shù)關(guān)系。趙國(guó)彥等[10]通過(guò)對(duì)含孔洞砂巖單軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行了細(xì)觀破裂演化分析,得出拉伸裂紋在加載過(guò)程中經(jīng)歷“張開(kāi)—閉合—重新張開(kāi)”的過(guò)程。戎虎仁等[11]通過(guò)對(duì)含不同傾角的雙孔洞紅砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),分析得出隨著雙孔傾角的增加,紅砂巖抗壓強(qiáng)度先降低后升高,呈良好的二次函數(shù)關(guān)系。以上研究對(duì)含鉆孔試樣的力學(xué)特性和裂隙發(fā)育進(jìn)行了大量的分析,但是對(duì)含孔試樣孔周微裂紋產(chǎn)生、發(fā)育至連接貫通的時(shí)空特征刻畫(huà)較少,以瓦斯抽采為背景,探究裂隙擴(kuò)展形成漏氣通道這一問(wèn)題更少有報(bào)道。因此,本文進(jìn)行不同加載速率下含孔試樣單軸壓縮試驗(yàn),以數(shù)字圖像相關(guān)法為主要觀測(cè)手段,記錄含孔試樣裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通及最終破裂的全過(guò)程,研究含孔試樣裂隙擴(kuò)展的時(shí)間、位置、類型等,揭示了瓦斯抽采鉆孔孔周裂隙擴(kuò)展規(guī)律,為瓦斯抽采鉆孔封孔檢測(cè)工程提供一定的指導(dǎo)。
相似原料的選擇及配比是相似模型試驗(yàn)研究中重要的一部分,根據(jù)相似模擬實(shí)驗(yàn)與相似定理[12],本文以質(zhì)量比7∶3將石膏和水混合制漿。然后,所制漿液澆筑于標(biāo)準(zhǔn)鋼模具內(nèi)成型,模具尺寸為70mm×70mm×70mm,孔洞位于中心位置,半徑為5mm,24h后拆模,而后將試樣放于混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28d,最后待試樣完全凝固后,取出試樣。在試樣含孔面噴涂白漆,干燥后,使用黑色珠光漆在白漆面上噴灑,使其自然均勻落在白漆面上,即制成散斑。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備由加載系統(tǒng)和觀測(cè)系統(tǒng)兩部分組成。試驗(yàn)機(jī)和力學(xué)參數(shù)采集儀構(gòu)成加載系統(tǒng)。數(shù)字圖像分析軟件、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)軟件構(gòu)成觀測(cè)系統(tǒng),觀測(cè)方法采用數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量法(digital speckle correlation method,簡(jiǎn)稱DSCM),它是利用獲取試樣最佳實(shí)時(shí)3D影像來(lái)分析試樣表面散斑點(diǎn)的變形場(chǎng)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣表面的動(dòng)態(tài)顯微觀測(cè),設(shè)備布置如圖1所示。
圖1 應(yīng)力加載系統(tǒng)和VIC-3DTM觀測(cè)系統(tǒng)
試驗(yàn)加載速率為0.3mm/min,試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集頻率為1Hz,可對(duì)力學(xué)參數(shù)與測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。加載過(guò)程中,采用VIC-SnapTM系統(tǒng)采集圖像,采集頻率為1Hz,使用VIC-3DTM系統(tǒng)計(jì)算試件表面位移場(chǎng)及應(yīng)變場(chǎng)。具體的試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)
模擬試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示,應(yīng)變處于0.010~0.014內(nèi),試樣全部到達(dá)抗壓強(qiáng)度峰值,為7.34~8.12MPa,平均強(qiáng)度峰值7.78MPa,最大值相差0.78MPa。彈性模量處于784.66~827.51MPa,平均808.91Pa,最大值相差42.85MPa,試樣的均一性較好[13]。
圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線
含孔松軟煤體試樣現(xiàn)場(chǎng)取樣困難且再加工難度大,而相似模擬材料與松軟煤體的力學(xué)性質(zhì)相似。試樣宏觀力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。試樣M1—M3及S1—S3是來(lái)自新疆和山西的松軟煤樣。利用模擬材料所制試樣力學(xué)性能參數(shù)均在其間,所以制得試樣可用于研究松軟煤體。
表2 試樣宏觀力學(xué)參數(shù)
數(shù)字圖像技術(shù),可以跟蹤試樣表面任意點(diǎn)的位移演化過(guò)程,較好地確定微裂紋萌生與擴(kuò)展的實(shí)時(shí)情況,在B2試樣的主裂隙兩側(cè)布置如圖3所示的測(cè)試點(diǎn)。
圖3 B2主裂隙測(cè)試點(diǎn)
為定量判斷裂紋擴(kuò)展演化規(guī)律,獲得測(cè)試點(diǎn)的水平與豎直位移,將其轉(zhuǎn)化至切向與法向位置,分析測(cè)試點(diǎn)切向位移和法向位移的變化,研究裂紋擴(kuò)展演化規(guī)律,坐標(biāo)轉(zhuǎn)化關(guān)系[14]如下:
含孔試樣主裂隙測(cè)試點(diǎn)切向、法向位移變化如圖4所示。加載至峰值強(qiáng)度48%,測(cè)試點(diǎn)1和2發(fā)生法向位移分離。繼續(xù)加載至峰值強(qiáng)度的53%,測(cè)試點(diǎn)3和4出現(xiàn)切向分離,表示裂紋兩側(cè)發(fā)生滑移現(xiàn)象;測(cè)試點(diǎn)5和6滑移裂紋發(fā)生在峰值前61%左右;測(cè)試點(diǎn)7和8切向位移與法向位移幾乎同時(shí)發(fā)生,在峰值前73%;測(cè)試點(diǎn)9與10和測(cè)試點(diǎn)7與8相類似;測(cè)試點(diǎn)11和12張拉分離發(fā)生在峰值54%,直到98%峰值左右,才表現(xiàn)出滑移行為。對(duì)13—24測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行同樣的計(jì)算,獲得了類似的結(jié)果。
為定量分析裂隙尖端的位置與時(shí)間,以兩側(cè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)位移演化為基礎(chǔ),定義測(cè)試點(diǎn)兩側(cè)位移開(kāi)始出現(xiàn)分離(無(wú)論法向還是切向)則說(shuō)明裂隙尖端抵達(dá)此位置。若是法向位移出現(xiàn)分離,表明有張拉微裂紋產(chǎn)生,切向位移分離表明產(chǎn)生剪切破壞[14]。
兩側(cè)測(cè)試點(diǎn)發(fā)生法向位移或切向位移的分離時(shí)間見(jiàn)表3,由此可得出裂隙尖端抵達(dá)位置與時(shí)間。裂隙尖端至標(biāo)識(shí)點(diǎn)1和2處的時(shí)間為372s,表明此處萌生張拉微裂隙,此后該裂隙一直都處于張開(kāi)狀態(tài);加載至420s時(shí),標(biāo)識(shí)點(diǎn)3和4發(fā)生切向位移分離,說(shuō)明此處產(chǎn)生剪切破壞;加載至426s時(shí),標(biāo)識(shí)點(diǎn)11和12產(chǎn)生拉伸破壞;繼續(xù)加載至453s,標(biāo)識(shí)點(diǎn)5和6發(fā)生剪切破壞;標(biāo)識(shí)點(diǎn)7、8和9、10法向位移分離時(shí)間與切向位移分離時(shí)間幾乎同時(shí),由此可說(shuō)明在這一范圍是由剪切應(yīng)力與拉應(yīng)力共同作用。對(duì)標(biāo)識(shí)點(diǎn)13—24的切向和法向位移演化分析也得到類似的規(guī)律。
圖4 測(cè)試點(diǎn)位移演化
表3 兩側(cè)測(cè)試點(diǎn)發(fā)生(法/切)位移分離時(shí)間
由于含鉆孔試樣的特殊結(jié)構(gòu)性,在加載過(guò)程中,裂紋萌生位置與擴(kuò)展方式也有所不同。上面對(duì)裂紋的擴(kuò)展位置與受力方式進(jìn)行了分析,根據(jù)其裂隙時(shí)空特征,可將其破壞過(guò)程劃分為5個(gè)階段,如圖5所示。第1階段含孔試樣受載初期,內(nèi)部孔隙受壓閉合,逐漸被壓密,試樣表面未出現(xiàn)裂隙。第2階段孔口上下受拉伸應(yīng)力作用,產(chǎn)生拉伸裂紋。第3階段孔口左右側(cè)受到剪切應(yīng)力集中,右側(cè)上端及左側(cè)下端受拉應(yīng)力作用,產(chǎn)生拉伸裂紋。第4階段載荷的進(jìn)一步增加,試樣上端的拉伸裂紋繼續(xù)擴(kuò)展,在向下擴(kuò)展的過(guò)程中由于左右側(cè)剪切弱化裂紋的“誘導(dǎo)”,使得上部拉伸裂紋在擴(kuò)張過(guò)程中向弱化區(qū)域發(fā)展,如圖5(d)所示。第5階段,上端的拉伸裂隙,兩側(cè)的法向剪切區(qū)域,中間的傾斜剪切區(qū)域連接貫通,形成宏觀裂隙,如圖5(e)所示。
沿鉆孔徑向方向形成了橫三帶區(qū)域,即減壓區(qū)、增壓區(qū)、穩(wěn)壓區(qū)[15],其中,增壓區(qū)又分為峰后應(yīng)力集中區(qū)、峰前應(yīng)力集中區(qū),如圖6所示??梢园堰@四個(gè)區(qū)域分別對(duì)于全過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變曲線四個(gè)階段。即,增壓區(qū)對(duì)應(yīng)于第2節(jié)得出的含孔試樣第3階段和第4階段。抽采鉆孔增壓區(qū)易發(fā)生縱向和環(huán)向裂隙密切相關(guān),增壓區(qū)的峰后應(yīng)力集中區(qū)極易產(chǎn)生環(huán)向裂隙與離層;峰前應(yīng)力集中區(qū)極易產(chǎn)生縱向與斜交裂隙;而復(fù)雜裂隙是由煤巖性質(zhì)、天然結(jié)構(gòu)面和裂隙時(shí)空演化等多種因素造成。
圖5 含鉆孔試樣裂隙時(shí)空演化過(guò)程
Ⅰ—減壓區(qū);Ⅱ—峰后應(yīng)力集中區(qū);Ⅲ—峰前應(yīng)力集中區(qū);Ⅳ—穩(wěn)壓區(qū)圖6 抽采鉆孔鉆進(jìn)三區(qū)分布
瓦斯抽采鉆孔內(nèi)部發(fā)育有橫向、縱向、斜交裂隙,一些位置有著明顯的離層[16]。這一現(xiàn)象與鉆孔受荷載作用而產(chǎn)生應(yīng)力重分布有著密切關(guān)系,內(nèi)部產(chǎn)生的這些結(jié)構(gòu)有著明顯的貫通裂隙,其極易產(chǎn)生漏氣,造成瓦斯抽采濃度降低。
圖7 鉆孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀測(cè)圖像
在減壓區(qū),巖體應(yīng)力超過(guò)煤巖體自身強(qiáng)度,鉆孔孔周的裂隙發(fā)育程度較高,此區(qū)域的煤體一般形成松散體。鉆孔由峰后應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)入峰前應(yīng)力集中區(qū)的過(guò)程中,應(yīng)力場(chǎng)集中度逐漸減小。峰后應(yīng)力集中區(qū)內(nèi),在垂直于最大主應(yīng)力方向,即孔周左右側(cè)最有可能出現(xiàn)強(qiáng)烈的應(yīng)變局部化帶現(xiàn)象,在峰前應(yīng)變集中區(qū),在平行于最大主應(yīng)力方向易出現(xiàn)應(yīng)變局部化帶現(xiàn)象,在原巖應(yīng)力區(qū),孔周應(yīng)力呈現(xiàn)出較為均勻的狀態(tài),保持較為完整。由此可得,在減壓區(qū)煤巖破碎,破碎區(qū);增壓區(qū)的峰后應(yīng)力集中區(qū)極易產(chǎn)生環(huán)向裂隙與離層;峰前應(yīng)力集中區(qū)極易產(chǎn)生縱向與斜交裂隙;而復(fù)雜裂隙是由煤巖性質(zhì)、天然結(jié)構(gòu)面和裂隙時(shí)空演化等多種因素造成[17]。穩(wěn)壓區(qū)鉆孔的裂隙發(fā)育情況與含孔試樣破壞過(guò)程中裂隙演化特征相類似,此區(qū)域極易產(chǎn)生多種交叉裂隙,并向外延伸,與煤體中的裂隙貫通形成漏氣通道,進(jìn)而發(fā)生離層,致使鉆孔失穩(wěn)破壞。
1)通過(guò)分析裂紋尖端法向與切向位移特性,孔周上下端在第372s產(chǎn)生張拉微裂紋,第420s孔周左右側(cè)處發(fā)生切向位移分離,幾乎同時(shí)遠(yuǎn)端處產(chǎn)生拉伸破壞;繼續(xù)加載,遠(yuǎn)端裂紋與左右側(cè)裂紋連接貫通,形成宏觀破壞裂紋。
2)根據(jù)裂隙的時(shí)空演化與受力破壞特征,鉆孔孔周上(下)端與遠(yuǎn)場(chǎng)左右端均發(fā)生拉伸裂隙,孔周左右側(cè)產(chǎn)生剪切裂紋,其余部位裂隙均由拉伸應(yīng)力與剪切應(yīng)力共同作用。
3)含鉆孔試樣破壞過(guò)程的時(shí)空特征與抽采鉆孔增壓區(qū)易發(fā)生縱向和環(huán)向裂隙密切相關(guān),增壓區(qū)的峰后應(yīng)力集中區(qū)極易產(chǎn)生環(huán)向裂隙與離層;峰前應(yīng)力集中區(qū)極易產(chǎn)生縱向與斜交裂隙;而復(fù)雜裂隙是由煤巖性質(zhì)、天然結(jié)構(gòu)面和裂隙時(shí)空演化等多種因素造成。