单轴压缩条件下不同直径钻孔围岩稳定性研究

王安琪，陈 凯，聂 鑫，姚 涵，孟庆宣

（中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083）

0 引 言

瓦斯是影响煤矿安全高效开采的主要因素之一，对于瓦斯矿井，需要对瓦斯进行抽采之后才能进行采掘工作[1-3]。目前，井下钻孔法是煤矿常用的瓦斯治理方式[4]。钻孔形成后在应力作用下会逐渐失稳破坏，破坏过程常常表现为一种渐进性的破坏形式，与含孔试样破坏过程具有明显地相似性[5]，因此众多学者对含孔试样的破坏过程进行了研究。尹光志[6]等基于自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”探究了真三轴应力条件下钻孔围岩稳定性及塑性区特性，结果表明主应力方向、中间主应力对岩石变形和强度特性均有较大影响。赵洪宝等[7]研究了局部荷载下煤岩的裂纹发育、扩展及几何特性，结果表明裂纹扩展路径受应力条件和钻孔的耦合变化影响。韩观胜等[8]进行了单轴压缩试验条件下预制双孔砂岩的力学性质研究，结果表明次钻孔的直径和几何位置对岩石的变形、裂纹演化及强度有较大影响。马天军等[9]为探究孔周裂纹在松软煤体不同破坏阶段的发展特征，进行了含孔试样单轴压缩试验，并采用数字散斑相关测量方法（DSCM）获取试样表面全场变形。LAJTAI 等[10]开展了大量含孔石膏试样的压缩试验，研究将含孔试样破坏形成的裂纹按形成过程划分为4 类，并详细描述各类裂纹出现的状态。朱谭谭等[11]对含孔洞的砂岩开展了单轴压缩试验，得到宏观层面上裂隙倾角和破坏类型的关系。张天军等[12]为探究应变局部化带特征与宏观裂纹之间的关系，开展含孔试样单轴压缩破坏试验。

综上所述，前人从各方面研究了含孔试样的破坏过程，但是对不同直径钻孔条件下围岩的稳定性进行研究较少。本文采用试验方式研究了在单轴压缩条件下无孔试样和直径为5、8、12 mm 的含孔煤样围岩破坏过程，对不同直径钻孔围岩稳定性进行了探究。

1 含孔煤样制作过程

由于含孔煤样采用原煤加工较为困难，而煤粉与水相混合压制成型的试样容易制作，所以本文采用煤粉压制成型的试样进行试验。

1.1 试样制作设备

试样制作过程中所用到的设备主要有单轴压缩机、分级筛、电子秤、模具、钻具等，部分设备如图1 所示。

图1 试验所用部分设备Fig.1 Partial equipment for testing

其中分级筛用来将煤粉筛分成不同的粒径，目数为150～18 目；模具为制作型煤试件容器，用来盛装煤粉，然后在单轴压力机上将煤粉压制成型，模具的尺寸为10 mm×10 mm×12 mm。

1.2 成型试样

为使煤样更容易成型，试样制作时，筛分出来的煤粉取150～80 目，按照水灰质量比为1∶10 加入水，充分搅拌后放入模具中压制成型。压制过程中为了保障试件成型较好，压力达到80 kN 左右后保压60 min 以上，将压制好的煤样自然风干后在中心处分别钻出不同直径的钻孔，每个直径钻孔的试样制作3 个。煤样压制过程及部分试样如图2、图3 所示。压制成型后，将试样尺寸打磨为10 mm×10 mm×10 mm。

图2 煤样压制过程Fig.2 Process of coal sample pressing

图3 部分成型试样Fig.3 Partially formed samples

2 煤样压制过程压力变化曲线

煤样压制过程中记录压力头位移与压力关系如图4 所示。从图中可以看出压制过程可分为3 个阶段，压密阶段、等速阶段、加速阶段。在压密阶段，随着压力头位移增加，压力几乎没有变化，表明煤粉之间的孔隙逐渐被压实；在等速阶段，压力与位移近似呈线性关系；在加速阶段，压力增加速度随位移的增加而增加，即曲线的斜率逐渐增加。

图4 试样压制过程压力-位移曲线Fig.4 Pressure-displacement curve of specimen pressing process

3 试样压缩测试结果及分析

将制作好的试样放到单轴压缩机上，加载速率选用2 mm/min，记录加压过程中的压力-位移曲线，并观察试验的渐进破坏过程。试样加压过程如图5 所示。

图5 试样加压过程Fig.5 Pressure process of sample

3.1 含孔试样破坏过程

含孔试样的渐进破坏过程以孔径8 mm 为例进行分析，局部放大如图6 所示。从图中可以看出，随着位移的增加，孔周围开始出现裂纹，且裂纹方向近似为竖直方向，即垂直孔轴线方向。随着位移的继续增加，裂纹开始扩展，同时有新的裂纹开始出现，钻孔开始压缩，从圆形变为椭圆形。当裂纹扩展到一定程度之后，孔周的煤体开始脱落，钻孔失稳。

图6 含孔试样渐进破坏过程Fig.6 Progressive failure process of porous sample

3.2 不同孔径试样强度测试结果

将不同孔径试样监测的典型压力-位移曲线绘制出来，如图7 所示，该曲线为原始测试曲线，没有转化为应力-应变曲线。

图7 不同孔径试样压力-位移曲线Fig.7 Pressure-displacement curves of specimens with different apertures

从图中可以看出，无论试样是否含孔及含孔直径的大小，压力-位移曲线变化形式相同，随着位移的增加，压力先升高，达到峰值后开始降低。无孔试样能够承受的最大压力为27.5 kN；孔径5 mm试样能够承受的最大压力为24.1 kN；孔径8 mm试样能够承受的最大压力为19.3 kN；孔径12 mm试样能够承受的最大压力为14.8 kN，可以看出，随着钻孔孔径的增加，试样所能承受的最大压力逐渐降低。

采矿工程中，常用强度来表示抵抗破坏的能力，单位为兆帕。将各试件所能承受的压力转化成强度，结果见表1。

表1 不同试件强度测试结果Table 1 Strength test results of different specimens

以无孔试样的强度为初始强度，孔径5 mm 试件强度下降12.36%；孔径8 mm 试件强度下降29.82%；孔径12 mm 试件强度下降46.18%。可看出，钻孔直径越大，强度下降越快，稳定性越低。

4 结 论

（1）型煤压制过程中的压力-位移曲线可以分3 个阶段，压密阶段、等速阶段和加速阶段，随着位移增加，煤粉逐渐压实，压力上升速度加快。

（2）单轴压缩条件下，含孔试样的破坏是随着位移的增加逐渐发生破坏，破坏过程伴随着钻孔的压缩和孔周围裂纹的产生与扩展。

（3）随着钻孔直径的增加，试样的强度下降的越大，即钻孔直径越大，钻孔的稳定性越差。