孔維庫, 陳陸望, 李蕊瑞, 任星星

(合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009)

鉆孔,尤其是豎直/垂直鉆孔,被廣泛應(yīng)用于巖土和地質(zhì)行業(yè)。隨著鉆頭向深部鉆進,圍巖原位地應(yīng)力增加,在孔壁處出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。當應(yīng)力超過巖體屈服強度時,鉆孔圍巖進入塑性狀態(tài),開始產(chǎn)生塑性變形,裂紋開始發(fā)育[1]。隨著深度增加,塑性區(qū)范圍和塑性變形不斷增大,圍巖持續(xù)破壞,其穩(wěn)定性降低。這將可能造成塌孔、卡鉆、擠毀套管等工程事故,導(dǎo)致鉆孔報廢,造成嚴重經(jīng)濟損失[2-3]。近年來,隨著鉆探工程的施工深度逐漸加大,相關(guān)工程事故多有發(fā)生。因此，研究鉆孔圍巖的破壞機理及動態(tài)發(fā)育過程對于預(yù)測、評價深部鉆孔圍巖穩(wěn)定性和減少工程損失顯得尤為重要。

針對鉆孔圍巖穩(wěn)定性問題,研究者通過現(xiàn)場探測、室內(nèi)試驗、理論分析和數(shù)值模擬等方法進行了大量研究。

理論方面,主要是基于不同假設(shè)和一些常用屈服準則,如MohrCoulomb準則[1,4]、Drucker-Prager準則[5-6]和統(tǒng)一強度理論[3-7]的圍巖彈塑性解;還有研究進一步考慮圍巖的損傷、應(yīng)變軟化等效應(yīng),建立了更具有針對性的圍巖彈塑性模型[8-11]。數(shù)值模擬方面,通過設(shè)置不同應(yīng)力加載條件,對鉆孔圍巖的應(yīng)力和位移等變化規(guī)律進行模擬研究,發(fā)現(xiàn)孔周應(yīng)力及位移隨深度增加呈現(xiàn)出冪指數(shù)關(guān)系,且鉆孔圍巖破壞形式以剪切破壞為主;同時對一些影響鉆孔圍巖穩(wěn)定性的因素進行了研究分析[12-18]。相關(guān)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的準確性主要取決于是否選擇能準確描述圍巖力學性質(zhì)的本構(gòu)模型,從而求解圍巖應(yīng)力-應(yīng)變特征和塑性區(qū)發(fā)育范圍等。需要指出的是,巖石材料在應(yīng)力達到峰值后,隨著變形的繼續(xù)增加,其強度將下降至較低的水平,進而發(fā)生明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象[19]。針對巖石這一特性,研究者通過試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬等方法研究了圍巖的穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn),相較于以往把巖石強度當成常數(shù)的方法,應(yīng)變軟化模型更符合圍巖力學特征[11,20-23]。

試驗方面,通過研究中間主應(yīng)力對鉆孔圍巖變形和強度性質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)隨著中間主應(yīng)力系數(shù)增大,圍巖強度先增大后減小,并基于修正Lade準則分析了塑性區(qū)的發(fā)育特性[24-25];通過研究高溫高壓下花崗巖鉆孔圍巖的變形失穩(wěn)和力學特性,發(fā)現(xiàn)不同埋深下,圍巖變形經(jīng)過了微弱階段、快速增長階段和平穩(wěn)階段[26-27];通過模擬煤層鉆進過程,得出不同試驗條件下的孔周應(yīng)力變化及孔壁、孔底破壞特征[28]。現(xiàn)場探測方面,超聲波探測法、鉆孔觸探法及鉆孔剪切法等[29]能夠較為直觀準確測得圍巖原位強度,可為圍巖穩(wěn)定性評價提供可靠的參數(shù)。此外鉆孔電視作為一種可視化技術(shù),可直觀地獲得圍巖的完整性、裂隙發(fā)育及破壞情況,在圍巖穩(wěn)定性分析及評價中得到廣泛應(yīng)用[30-32]。

這些研究手段各有優(yōu)點,但也都具有一定的局限性。理論分析和數(shù)值模擬手段往往基于諸多假設(shè),并把復(fù)雜的原位地質(zhì)條件進行簡化;模擬試驗不一定能真實反映實際工程中復(fù)雜的鉆孔圍巖條件;現(xiàn)場探測成本較高且無法在施工前進行預(yù)測。以往圍巖穩(wěn)定性的研究往往采取單一方法,未能將多種手段結(jié)合綜合研究鉆孔圍巖穩(wěn)定性問題,研究結(jié)果相對較為片面。此外現(xiàn)有的研究多集中于討論特定應(yīng)力條件下圍巖的破壞,不能很好地表現(xiàn)鉆頭鉆進這一動態(tài)施工過程中應(yīng)力條件改變下的圍巖破壞過程。

結(jié)合已有的研究手段和研究成果,本文從鉆孔物理模型試驗出發(fā),根據(jù)圍巖材料在應(yīng)力達到峰值后承載能力大幅下降這一特性,采用FLAC3D中的應(yīng)變軟化模型進行數(shù)值模擬,研究地下均勻應(yīng)力場中豎直鉆孔鉆進過程的圍巖破壞機理,揭示隨載荷增加過程中圍巖不同塑性變形階段特征,并與淮北青東礦839工作面鉆孔電視觀測結(jié)果進行對比驗證。研究旨在為地下鉆孔工程順利施工,降低工程損失提供一定的參考。

1 物理模型試驗

1.1 物理模型試件

圍巖的力學特征分析是開展數(shù)值模擬研究的前提,因此需要對圍巖主要力學參數(shù)進行合理賦值。本研究團隊前期選用石英砂、石膏、水泥、水等配制了相應(yīng)的物理模型材料,并開展了大量力學加載試驗研究,進而獲得了材料的相關(guān)力學參數(shù)[33-34]。鑒于此,本次模擬選擇該物理模型材料作為目標圍巖,模擬過程中涉及到圍巖的力學參數(shù)主要包括彈性模量、泊松比、抗壓強度和抗拉強度。分析材料的巖石單軸壓縮試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。單軸抗壓強度σc選取軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值,即σc=8.43 MPa;彈性模量E選取σc/2處軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率,即E=2.5 GPa;泊松比μ選取σc/2處徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值,即μ=0.21。此外,由劈裂試驗得到材料的抗拉強度σt=0.75 MPa。物理模型材料的制作及力學加載試驗結(jié)果詳見文獻[33]。

圖1 模型材料單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

用上述物理模型材料制作尺寸為800 mm×800 mm×200 mm(長×寬×厚)、中心φ160 mm的鉆孔物理模型試件,并在中國科學院武漢巖土力學研究所大型真三軸模型試驗機上開展平面應(yīng)變模型試驗,如圖2所示。在鉆孔模型試件四周(即圖2中試件上下左右4個面)施加相同大小的荷載,以模擬地下均勻應(yīng)力場。試驗荷載從2.50 MPa開始加載,以0.18 MPa/min的速度增加,從而模擬豎直鉆孔鉆進過程中隨天然應(yīng)力增加條件下圍巖的破壞過程。在整個試驗加載過程中對模型孔壁進行內(nèi)窺攝影觀測。物理模型試驗流程參見文獻[33-34]。

圖2 鉆孔模型試件及真三軸試驗機

1.2 試驗過程及結(jié)果

試驗過程的鉆孔內(nèi)窺攝影照片如圖3所示。由圖3可知:當試驗應(yīng)力加載到3.88 MPa時,孔壁左上角出現(xiàn)肉眼可見的微小裂紋,這表明圍巖進入塑性狀態(tài),產(chǎn)生了塑性變形;在3.94 MPa時,孔壁裂紋迅速擴展,貫通到整個孔壁,且伴隨著一定的碎片剝離;之后的一段應(yīng)力范圍內(nèi),圍巖未表現(xiàn)出新的破壞特征,破壞過程出現(xiàn)相對穩(wěn)定期;然而當應(yīng)力加載至4.44 MPa時,圍巖突發(fā)顯著破壞,裂紋快速擴張,孔壁大范圍內(nèi)出現(xiàn)碎屑和碎塊的崩塌、垮落;之后應(yīng)力加載至4.88 MPa的過程中,圍巖未發(fā)生明顯破壞,破壞過程再次進入相對穩(wěn)定期。

圖3 不同應(yīng)力下模型試驗鉆孔壁破壞內(nèi)窺攝影照片

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

根據(jù)圖1的物理模型材料室內(nèi)單軸試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線,應(yīng)力達到峰值后,模型材料承載能力迅速降低。這表明隨著塑性應(yīng)變的增加,模型材料將發(fā)生顯著的應(yīng)變軟化效應(yīng)。因此可選取FLAC3D中的應(yīng)變軟化模型模擬鉆孔圍巖的破壞過程。該模型是基于與剪切流動法則不相關(guān)聯(lián)而與拉力流動法則相關(guān)聯(lián)的MohrCoulomb模型,圍巖塑性屈服后,黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、剪脹角γ

和抗拉強度σt發(fā)生弱化[35]。

為得到相關(guān)計算參數(shù),首先通過數(shù)值試驗確定模型材料強度參數(shù)隨塑性應(yīng)變?nèi)趸木€性關(guān)系?；谑覂?nèi)試驗基本參數(shù),采用應(yīng)變軟化模型進行單軸壓縮數(shù)值試驗,得到了與室內(nèi)單軸試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似性較高的數(shù)值試驗曲線。選取此時的強度參數(shù)c、φ、γ與剪切軟化參數(shù)εps、σt與拉伸軟化參數(shù)εpt的關(guān)系作為數(shù)值模型的計算參數(shù)[36],如圖4所示。

由圖4可知,當塑性應(yīng)變超過0.1,圍巖強度便下降為殘余強度值。

圖4 應(yīng)變軟化模型計算參數(shù)

數(shù)值模型的幾何尺寸、邊界條件及加載條件與物理模型試驗一致,模型及網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 數(shù)值模型及其網(wǎng)格劃分

2.2 模擬結(jié)果

模擬得到應(yīng)力增加過程中鉆孔圍巖單元塑性區(qū)的發(fā)展過程如圖6所示。

從圖6可以看出：應(yīng)力為3.88 MPa時,圍巖已進入塑性狀態(tài),孔壁周圍出現(xiàn)較小范圍塑性區(qū),結(jié)合物理模型試驗過程中圍巖的破壞特征,這一階段可稱之為塑性變形初始階段;應(yīng)力從3.88 MPa到3.94 MPa的低幅度增加過程中,圍巖單元的塑性區(qū)擴展較快,范圍明顯增加,稱之為塑性變形敏感階段;此后應(yīng)力到4.38 MPa的過程中,塑性區(qū)發(fā)展緩慢,變化不大,稱之為塑性變形穩(wěn)定階段;當應(yīng)力達到4.44 MPa時,圍巖塑性區(qū)再次迅速擴展,范圍顯著增大,具有明顯的突發(fā)性,稱之為塑性變形突發(fā)階段;而后應(yīng)力增加過程中,塑性區(qū)發(fā)展卻表現(xiàn)為速度減緩,增大不明顯,可稱之為塑性變形后期緩增階段。

從圖6的模擬結(jié)果可以看出,鉆孔圍巖單元主要處于shear-p(過去剪切)和shear-n(現(xiàn)在剪切)狀態(tài),因此剪切破壞是鉆孔圍巖的主要破壞形式。

圖6 數(shù)值模擬圍巖單元塑性區(qū)發(fā)展過程

數(shù)值模擬得到的各應(yīng)力下圍巖單元塑性區(qū)體積變化如圖7所示。

由圖7中各段折線斜率可看出,圍巖單元塑性區(qū)體積的變化并不是隨應(yīng)力增加而線性增加的。

塑性變形初始階段(應(yīng)力為3.88 MPa),圍巖開始出現(xiàn)塑性區(qū);塑性變形敏感階段(應(yīng)力為3.94 MPa),塑性區(qū)體積在較短應(yīng)力增幅內(nèi)增長較快;塑性變形穩(wěn)定階段(應(yīng)力為4.38 MPa),塑性區(qū)體積在較長應(yīng)力范圍內(nèi)增長較緩;塑性變形突發(fā)階段(應(yīng)力為4.44 MPa),塑性區(qū)體積在較短應(yīng)力增幅內(nèi)迅速增加;塑性變形后期緩增階段(應(yīng)力為4.88 MPa),塑性區(qū)體積在較長應(yīng)力范圍內(nèi)增長緩慢。

圖7 數(shù)值模擬圍巖單元塑性區(qū)體積變化

由圖4可知,當圍巖塑性應(yīng)變大于0.1,其強度下降為殘余強度值,這一區(qū)域稱之為殘余區(qū)[5-24]。模擬可進一步得到應(yīng)力增加過程中,鉆孔圍巖單元殘余區(qū)的發(fā)展過程,如圖8所示。

圖8 數(shù)值模擬圍巖單元殘余區(qū)發(fā)展過程

在經(jīng)歷較長的塑性變形發(fā)展后,圍巖在塑性變形穩(wěn)定階段后(應(yīng)力為4.38 MPa)開始出現(xiàn)未連通的殘余區(qū);并且在塑性變形突發(fā)階段(應(yīng)力為4.44 MPa),殘余區(qū)迅速擴展貫通,且范圍明顯增加;在之后較長的塑性變形后期緩增階段(應(yīng)力為4.88 MPa)，圍巖殘余區(qū)發(fā)展緩慢,變化并不明顯。

2.3 模擬結(jié)果對比及分析

采取圍巖應(yīng)變軟化模型得到的數(shù)值模擬結(jié)果,清晰地展現(xiàn)了鉆孔圍巖塑性區(qū)、殘余區(qū)的發(fā)展變化過程,從塑性應(yīng)變的角度定量地表現(xiàn)了鉆孔圍巖的破壞過程,較好地對應(yīng)了物理模型試驗中定性描述的圍巖破壞過程。

從圖3可以看出,物理模型試驗中,應(yīng)力達到4.44 MPa時,圍巖較大范圍出現(xiàn)碎屑和碎塊,破壞程度突增,但在其他應(yīng)力過程中,圍巖整體的破壞程度變化并不是很明顯。在圍巖塑性區(qū)中,殘余區(qū)的塑性應(yīng)變最大,其破壞程度也最大,因此可以從圍巖殘余區(qū)的發(fā)展過程來解釋這一現(xiàn)象。試驗前期圍巖殘余區(qū)未出現(xiàn)或范圍較小,故圍巖整體破壞不明顯;但應(yīng)力達到4.44 MPa時,殘余區(qū)迅速擴展,故圍巖破壞程度顯著增大;之后的過程中殘余區(qū)變化較小,圍巖未發(fā)生明顯破壞。

對數(shù)值和物理模擬中鉆孔圍巖的破壞過程進行分析可知，開始施加荷載后,孔壁的應(yīng)力集中最大,但在較低應(yīng)力狀態(tài)下,整體呈現(xiàn)彈性狀態(tài);當應(yīng)力加載至3.88 MPa時,孔壁處的應(yīng)力超過了圍巖屈服極限,圍巖進入塑性狀態(tài),開始產(chǎn)生塑性變形,塑性區(qū)開始發(fā)育,孔壁出現(xiàn)微小裂紋;隨著應(yīng)力持續(xù)增大,塑性變形和塑性區(qū)范圍不斷增加,孔壁的破壞程度和范圍也持續(xù)增大。

根據(jù)圖1,該材料在應(yīng)變達到一定值時承載力明顯下降,即抵抗變形的能力下降,因此圍巖的變形不僅與應(yīng)力有關(guān),還受先前的應(yīng)變所制約。圍巖的變形和破壞不僅僅是簡單地隨應(yīng)力增加而加劇,而是當應(yīng)力超過一定閾值后,其變形和破壞可能表現(xiàn)出一定的突發(fā)性和穩(wěn)定性。

當應(yīng)力為3.94 MPa時,由于先前加載過程中積累的應(yīng)變,較小范圍內(nèi)圍巖的承載能力迅速下降,塑性區(qū)范圍迅速增加,孔壁裂紋迅速擴展貫通;當應(yīng)力達到4.44 MPa時,更大范圍的圍巖承載能力迅速下降或下降到更低水平(即殘余區(qū)范圍顯著增加),故而塑性區(qū)范圍和圍巖的破壞程度都表現(xiàn)為突發(fā)性增大。在以上2次圍巖發(fā)生顯著破壞后的一段應(yīng)力過程中,圍巖承載力下降不大,同時圍巖應(yīng)力也得到了調(diào)整和釋放,故圍巖變形破壞特征不明顯。

3 工程實例驗證分析

青東礦位于安徽省淮北市濉溪縣。該礦839工作面位于三采區(qū)東部,近年來開展了大量的補勘工程。為了探究補勘鉆孔圍巖破壞情況,采用鉆孔彩色電視對839工作面典型補勘鉆孔進行了觀測,收集到部分埋深及對應(yīng)的原位地應(yīng)力處砂巖鉆孔照片,如圖9所示。

圖9 砂巖鉆孔電視照片

從圖9可以明顯地看出:埋深280 m處(應(yīng)力8.7 MPa),巖石原生裂隙發(fā)育,完整性一般;從埋深331 m處開始(應(yīng)力10.7 MPa),在原生裂隙的基礎(chǔ)上,少數(shù)孔壁裂隙得到了擴展、貫通,對應(yīng)模擬中的塑性變形初始階段;之后一段埋深內(nèi)孔壁裂隙繼續(xù)發(fā)育、貫通,在埋深377 m處(應(yīng)力12.4 MPa)孔壁出現(xiàn)多條貫通的裂隙,對應(yīng)模擬中的塑性變形敏感階段;在埋深389 m處(應(yīng)力12.9 MPa),孔壁破壞情況與377 m處相近,對應(yīng)模擬中的塑性變形穩(wěn)定階段;在埋深413 m處,此時應(yīng)力高達13.8 MPa,鉆孔圍巖出現(xiàn)嚴重破壞,被分裂成較大、較多的碎塊,部分崩落后孔壁出現(xiàn)較大縫隙,對應(yīng)模擬中的塑性變形突發(fā)階段。

由于鉆孔觀測深度的限制,本研究未能進一步觀看到圍巖塑性變形后期緩增階段的鉆孔電視照片。

根據(jù)鉆孔圍巖的破壞程度及圍巖的穩(wěn)定性,可以把其破壞過程分為2個部分、埋深389 m之前,圍巖裂隙逐漸發(fā)育貫通,圍巖破壞程度較小,且過程相對穩(wěn)定,對圍巖穩(wěn)定性影響較小;在389 m之后的有限埋深范圍內(nèi),孔壁周圍的圍巖被顯著分裂,破壞嚴重,表現(xiàn)出一定的突發(fā)性破壞特征,鉆孔的圍巖穩(wěn)定性大幅下降。

綜上所述,由工程實例觀測得到的鉆孔圍巖破壞過程及其特征與數(shù)值和物理模擬研究結(jié)果相一致。

4 結(jié) 論

(1) 隨鉆進深度的增加,鉆孔圍巖進入塑性狀態(tài)后開始逐漸發(fā)生破壞。首先是裂紋的產(chǎn)生和發(fā)育貫通,裂紋數(shù)量較多后逐漸形成連續(xù)的破裂帶,最后孔壁周圍的圍巖被分裂成大小不一的碎塊。此處圍巖破壞嚴重,主要破壞模式為剪切破壞,穩(wěn)定性大幅下降,容易發(fā)生塌孔、卡鉆,甚至擠毀套管等工程事故。

(2) 鉆孔圍巖破壞程度并不隨深度線性增加,而是表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性和突發(fā)性。穩(wěn)定性表現(xiàn)為鉆孔施工到一定范圍內(nèi)圍巖的破壞程度隨深度增加不明顯;突發(fā)性表現(xiàn)為鉆孔施工到一定范圍內(nèi)孔壁裂隙隨深度快速增加,圍巖被分裂成大小不一的巖塊,破壞顯著。

(3) 研究區(qū)選定的鉆孔圍巖破壞隨著深度的變化表現(xiàn)出由塑性變形初始階段到敏感階段、到穩(wěn)定階段、再到突發(fā)階段遞進的過程?？紤]圍巖應(yīng)變軟化特性的數(shù)值模擬結(jié)果與物理模擬結(jié)果基本一致,與鉆孔電視觀測的現(xiàn)場實際相符,可為鉆孔圍巖穩(wěn)定性研究提供有效的方法指導(dǎo)。