复杂应力对卸压钻孔的破坏规律的研究

2015-10-25杨相民赵祥顺

中国科技纵横 2015年6期

关键词：透气煤岩煤体

杨相民赵祥顺

（陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西咸阳 713600）

复杂应力对卸压钻孔的破坏规律的研究

杨相民赵祥顺

（陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西咸阳 713600）

本文基于煤体受载过程的声发射试验进行了宏观力学的分析，探讨了煤体破坏过程中的声发射非线性特征，进行了煤岩常规试件的宏观力学性质实验，三轴含瓦斯煤岩的声发射试验，选取具有代表性的声发射参数，对不同受力状态下煤样破坏全过程的声发射特征和试样变形规律进行研究。利用COMSOL数值模拟系统分别对大直径卸压钻孔煤岩的变形破坏过程、破裂过程进行了数值模拟分析。

声发射煤岩破裂数值模拟

1 问题的提出

在能源问题日益突出的今天，随着浅部资源的开采殆尽，深部开采现已成为我国大部分煤矿所面临的趋势。因此，如何有效地防治冲击地压成为了影响回收地下资源、安全开采的重要因素［1］。目前世界范围内解决冲击地压的主要手段是大直径钻孔卸压、深孔欲裂爆破等。但是在生产实践中，钻孔的“塌孔”，打钻过程中的“卡钻”是遇到的最实际的问题，已经严重影响了冲击地压解危技术的实施。

2 煤体的变形与声发射对比分析

含瓦斯煤样三轴压缩条件下的变形与声发射特征，利使用TAW-2000KN岩石力学实验系统和PCI-2全数字化声发射系统，进行了突出煤样在三轴下的声发射特性试验。根据不同的声发射特性试验围压煤样监测系统。围压分为以下两个等级：2MPa和4MPa。在实验时，加载顺序是先围后轴。图1为试验得到不同围压下煤样的应力应变和声发射特征图。

图1不同围压下突出煤样的应力应变和声发射特征

从图1可以看出，含瓦斯不同围压的煤体有相似的AE表征。他们的共同点是：弹性阶段的声发射频率及能量都比较低；弹塑性阶段，声发射频率和能量与轴向应力成正比。声发射信号最高值对应着煤样应力的突然释放；在宏观上，煤样的破坏都属于是剪切破坏。［2］

同时，他们也有一些差异：含瓦斯煤由于围压和气压的存在，致使在加载前便有一定的初始压力值，压力曲线开始点不为零［3］。含瓦斯煤表现出塑性的特征，具有明显的初始加载阶段。在无瓦斯煤样发生破坏的轴向应变值在0.009-0.01之间，相对的，含瓦斯煤样的值为0.016-0.018。可见，在有瓦斯存在的情况下煤的应力应变情况发生变化，表现出更多的塑性。

本次进行了突出煤岩三轴的声发射试验以及常规试件的宏观力学性质实验，实验结果表明：围压作用下煤样的声发射参数变化在弹性阶段的信号减少明显，相对平静期现象不明显；在细观上，煤体受围压时表现出一定的相对塑性特征，其内部的瓦斯压力改变了其骨架上的有效应力在宏观上，宏观上的表现为塑性的增加。

3 数值模拟模拟结果

从图2可以看出，煤岩在三轴含瓦斯的复杂应力下的受力情况，在钻孔周围属于应力集中区，选取单元点的强度与钻孔距离成正比。

图3为数值模拟的试样破坏过程，体现出载荷长时作用在煤岩，致使煤岩变形破裂的过程，由于试件内部细观单元损伤的加剧导致煤岩的变形破坏。第一幅图为弹性阶段，第二、三副图为弹塑性阶段，第四幅图为峰后破坏阶段，第五、六幅图为残余塑性阶段。

图2 中心刨面图拉伸

图3 数值模拟的试样破坏过程

在线性变形阶段，透气系数是在逐渐减小的，而在试样失稳破坏后透气系数出现大的阶跃。可发现透气系数发生突跳的时候就与之相对应有一个明显的应力降和声发射的剧增。由于模型是采用位移加载方式，突然的破裂将导致强烈的声发射现象和突然的应力降［4］。因此我们可以得出结论，试件损伤（微破裂）的发展引起透气系数的变化，很明显透气系数的变化和试样的损伤是一致的。