王 寧，劉長來，李樹剛，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) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，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]，但工程擾動與次生應(yīng)力會打破初始應(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，甚至影響整個鉆場的抽采效果[2，3]。為解決鉆孔孔周漏氣問題，需探究孔周裂紋的產(chǎn)生機理，前人從理論、數(shù)值計算及現(xiàn)場技術(shù)等多方面開展了大量研究，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展規(guī)律及漏氣通道形成機理。因此，本文開展含鉆孔試樣破壞過程的時空特征探究，以期闡明孔周裂隙擴展特征與瓦斯抽采鉆孔失穩(wěn)過程，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，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。LAJTAI[4]通過對大量含孔試樣進行壓縮試驗，根據(jù)裂隙的受力特點，將裂隙劃分為4類。唐春安等[5]利用數(shù)值模擬計算的方式，對含孔試樣的裂隙產(chǎn)生次序進行了歸類，并提出微裂紋有向移動觀點。宋義敏等[6]利用數(shù)字散斑圖像技術(shù)，對含孔洞的巖樣進行變形場觀測，分析了變形局部化帶的變形能密度對裂隙發(fā)育的影響。靖洪文等[7]分析了孔洞幾何形狀對砂巖試樣強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。張?zhí)燔姷萚8]針對含孔試樣在漸進性破壞過程中的超聲波特征進行研究，得出其波速變化呈現(xiàn)出“穩(wěn)定—輕微降低—迅速降低”3個階段。華明國等[9]基于數(shù)值軟件建立三維矩形巷道交叉模型，計算得出鉆孔孔周應(yīng)力隨孔深增加呈現(xiàn)出較強的冪指數(shù)關(guān)系。趙國彥等[10]通過對含孔洞砂巖單軸壓縮試驗進行了細(xì)觀破裂演化分析，得出拉伸裂紋在加載過程中經(jīng)歷“張開—閉合—重新張開”的過程。戎虎仁等[11]通過對含不同傾角的雙孔洞紅砂巖進行單軸壓縮試驗，分析得出隨著雙孔傾角的增加，紅砂巖抗壓強度先降低后升高，呈良好的二次函數(shù)關(guān)系。以上研究對含鉆孔試樣的力學(xué)特性和裂隙發(fā)育進行了大量的分析，但是對含孔試樣孔周微裂紋產(chǎn)生、發(fā)育至連接貫通的時空特征刻畫較少，以瓦斯抽采為背景，探究裂隙擴展形成漏氣通道這一問題更少有報道。因此，本文進行不同加載速率下含孔試樣單軸壓縮試驗，以數(shù)字圖像相關(guān)法為主要觀測手段，記錄含孔試樣裂紋萌生、擴展、貫通及最終破裂的全過程，研究含孔試樣裂隙擴展的時間、位置、類型等，揭示了瓦斯抽采鉆孔孔周裂隙擴展規(guī)律，為瓦斯抽采鉆孔封孔檢測工程提供一定的指導(dǎo)。

1 含孔試樣單軸壓縮試驗

1.1 試樣的制備

相似原料的選擇及配比是相似模型試驗研究中重要的一部分，根據(jù)相似模擬實驗與相似定理[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)護箱中養(yǎng)護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。

1.2 試驗設(shè)備

實驗設(shè)備由加載系統(tǒng)和觀測系統(tǒng)兩部分組成。試驗機和力學(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)采集和存儲軟件構(gòu)成觀測系統(tǒng)，觀測方法采用數(shù)字散斑相關(guān)測量法(digital speckle correlation method，簡稱DSCM)，它是利用獲取試樣最佳實時3D影像來分析試樣表面散斑點的變形場數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對試樣表面的動態(tài)顯微觀測，設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 應(yīng)力加載系統(tǒng)和VIC-3DTM觀測系統(tǒng)

試驗加載速率為0.3mm/min，試驗機數(shù)據(jù)采集頻率為1Hz，可對力學(xué)參數(shù)與測試數(shù)據(jù)進行實時記錄。加載過程中，采用VIC-SnapTM系統(tǒng)采集圖像，采集頻率為1Hz，使用VIC-3DTM系統(tǒng)計算試件表面位移場及應(yīng)變場。具體的試驗參數(shù)見表1。

表1 試驗力學(xué)參數(shù)

1.3 試驗結(jié)果

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)抗壓強度峰值，為7.34～8.12MPa，平均強度峰值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)見表2。試樣M1—M3及S1—S3是來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)

2 裂紋擴展的時空演化特征

2.1 含鉆孔試樣裂紋萌生與擴展時間特征

數(shù)字圖像技術(shù)，可以跟蹤試樣表面任意點的位移演化過程，較好地確定微裂紋萌生與擴展的實時情況，在B2試樣的主裂隙兩側(cè)布置如圖3所示的測試點。

圖3 B2主裂隙測試點

為定量判斷裂紋擴展演化規(guī)律，獲得測試點的水平與豎直位移，將其轉(zhuǎn)化至切向與法向位置，分析測試點切向位移和法向位移的變化，研究裂紋擴展演化規(guī)律，坐標(biāo)轉(zhuǎn)化關(guān)系[14]如下：

含孔試樣主裂隙測試點切向、法向位移變化如圖4所示。加載至峰值強度48%，測試點1和2發(fā)生法向位移分離。繼續(xù)加載至峰值強度的53%，測試點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；測試點5和6滑移裂紋發(fā)生在峰值前61%左右；測試點7和8切向位移與法向位移幾乎同時發(fā)生，在峰值前73%；測試點9與10和測試點7與8相類似；測試點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13—24測試點進行同樣的計算，獲得了類似的結(jié)果。

為定量分析裂隙尖端的位置與時間，以兩側(cè)標(biāo)識點位移演化為基礎(chǔ)，定義測試點兩側(cè)位移開始出現(xiàn)分離(無論法向還是切向)則說明裂隙尖端抵達(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)測試點發(fā)生法向位移或切向位移的分離時間見表3，由此可得出裂隙尖端抵達(dá)位置與時間。裂隙尖端至標(biāo)識點1和2處的時間為372s，表明此處萌生張拉微裂隙，此后該裂隙一直都處于張開狀態(tài)；加載至420s時，標(biāo)識點3和4發(fā)生切向位移分離，說明此處產(chǎn)生剪切破壞；加載至426s時，標(biāo)識點11和12產(chǎn)生拉伸破壞；繼續(xù)加載至453s，標(biāo)識點5和6發(fā)生剪切破壞；標(biāo)識點7、8和9、10法向位移分離時間與切向位移分離時間幾乎同時，由此可說明在這一范圍是由剪切應(yīng)力與拉應(yīng)力共同作用。對標(biāo)識點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 測試點位移演化

表3 兩側(cè)測試點發(fā)生(法/切)位移分離時間

2.2 含鉆孔試樣裂紋擴展時空特征

由于含鉆孔試樣的特殊結(jié)構(gòu)性，在加載過程中，裂紋萌生位置與擴展方式也有所不同。上面對裂紋的擴展位置與受力方式進行了分析，根據(jù)其裂隙時空特征，可將其破壞過程劃分為5個階段，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階段載荷的進一步增加，試樣上端的拉伸裂紋繼續(xù)擴展，在向下擴展的過程中由于左右側(cè)剪切弱化裂紋的“誘導(dǎo)”，使得上部拉伸裂紋在擴張過程中向弱化區(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。

3 現(xiàn)場考察

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。可以把這四個區(qū)域分別對于全過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線四個階段。即，增壓區(qū)對應(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)面和裂隙時空演化等多種因素造成。

圖5 含鉆孔試樣裂隙時空演化過程

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)觀測圖像

在減壓區(qū)，巖體應(yīng)力超過煤巖體自身強度，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)進入峰前應(yīng)力集中區(qū)的過程中，應(yīng)力場集中度逐漸減小。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，進而發(fā)生離層，致使鉆孔失穩(wěn)破壞。

4 結(jié) 論

1)通過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)裂隙的時空演化與受力破壞特征，鉆孔孔周上(下)端與遠(yuǎn)場左右端均發(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)含鉆孔試樣破壞過程的時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)面和裂隙時空演化等多種因素造成。