單軸壓縮條件下不同直徑鉆孔圍巖穩定性研究

王安琪，陳 凱，聶 鑫，姚 涵，孟慶宣

（中國礦業大學（北京）能源與礦業學院，北京 100083）

0 引 言

瓦斯是影響煤礦安全高效開采的主要因素之一，對于瓦斯礦井，需要對瓦斯進行抽采之后才能進行采掘工作[1-3]。目前，井下鉆孔法是煤礦常用的瓦斯治理方式[4]。鉆孔形成后在應力作用下會逐漸失穩破壞，破壞過程常常表現為一種漸進性的破壞形式，與含孔試樣破壞過程具有明顯地相似性[5]，因此眾多學者對含孔試樣的破壞過程進行了研究。尹光志[6]等基于自主研發的“多功能真三軸流固耦合試驗系統”探究了真三軸應力條件下鉆孔圍巖穩定性及塑性區特性，結果表明主應力方向、中間主應力對巖石變形和強度特性均有較大影響。趙洪寶等[7]研究了局部荷載下煤巖的裂紋發育、擴展及幾何特性，結果表明裂紋擴展路徑受應力條件和鉆孔的耦合變化影響。韓觀勝等[8]進行了單軸壓縮試驗條件下預制雙孔砂巖的力學性質研究，結果表明次鉆孔的直徑和幾何位置對巖石的變形、裂紋演化及強度有較大影響。馬天軍等[9]為探究孔周裂紋在松軟煤體不同破壞階段的發展特征，進行了含孔試樣單軸壓縮試驗，并采用數字散斑相關測量方法（DSCM）獲取試樣表面全場變形。LAJTAI 等[10]開展了大量含孔石膏試樣的壓縮試驗，研究將含孔試樣破壞形成的裂紋按形成過程劃分為4 類，并詳細描述各類裂紋出現的狀態。朱譚譚等[11]對含孔洞的砂巖開展了單軸壓縮試驗，得到宏觀層面上裂隙傾角和破壞類型的關系。張天軍等[12]為探究應變局部化帶特征與宏觀裂紋之間的關系，開展含孔試樣單軸壓縮破壞試驗。

綜上所述，前人從各方面研究了含孔試樣的破壞過程，但是對不同直徑鉆孔條件下圍巖的穩定性進行研究較少。本文采用試驗方式研究了在單軸壓縮條件下無孔試樣和直徑為5、8、12 mm 的含孔煤樣圍巖破壞過程，對不同直徑鉆孔圍巖穩定性進行了探究。

1 含孔煤樣制作過程

由于含孔煤樣采用原煤加工較為困難，而煤粉與水相混合壓制成型的試樣容易制作，所以本文采用煤粉壓制成型的試樣進行試驗。

1.1 試樣制作設備

試樣制作過程中所用到的設備主要有單軸壓縮機、分級篩、電子秤、模具、鉆具等，部分設備如圖1 所示。

圖1 試驗所用部分設備Fig.1 Partial equipment for testing

其中分級篩用來將煤粉篩分成不同的粒徑，目數為150～18 目；模具為制作型煤試件容器，用來盛裝煤粉，然后在單軸壓力機上將煤粉壓制成型，模具的尺寸為10 mm×10 mm×12 mm。

1.2 成型試樣

為使煤樣更容易成型，試樣制作時，篩分出來的煤粉取150～80 目，按照水灰質量比為1∶10 加入水，充分攪拌后放入模具中壓制成型。壓制過程中為了保障試件成型較好，壓力達到80 kN 左右后保壓60 min 以上，將壓制好的煤樣自然風干后在中心處分別鉆出不同直徑的鉆孔，每個直徑鉆孔的試樣制作3 個。煤樣壓制過程及部分試樣如圖2、圖3 所示。壓制成型后，將試樣尺寸打磨為10 mm×10 mm×10 mm。

圖2 煤樣壓制過程Fig.2 Process of coal sample pressing

圖3 部分成型試樣Fig.3 Partially formed samples

2 煤樣壓制過程壓力變化曲線

煤樣壓制過程中記錄壓力頭位移與壓力關系如圖4 所示。從圖中可以看出壓制過程可分為3 個階段，壓密階段、等速階段、加速階段。在壓密階段，隨著壓力頭位移增加，壓力幾乎沒有變化，表明煤粉之間的孔隙逐漸被壓實；在等速階段，壓力與位移近似呈線性關系；在加速階段，壓力增加速度隨位移的增加而增加，即曲線的斜率逐漸增加。

圖4 試樣壓制過程壓力-位移曲線Fig.4 Pressure-displacement curve of specimen pressing process

3 試樣壓縮測試結果及分析

將制作好的試樣放到單軸壓縮機上，加載速率選用2 mm/min，記錄加壓過程中的壓力-位移曲線，并觀察試驗的漸進破壞過程。試樣加壓過程如圖5 所示。

圖5 試樣加壓過程Fig.5 Pressure process of sample

3.1 含孔試樣破壞過程

含孔試樣的漸進破壞過程以孔徑8 mm 為例進行分析，局部放大如圖6 所示。從圖中可以看出，隨著位移的增加，孔周圍開始出現裂紋，且裂紋方向近似為豎直方向，即垂直孔軸線方向。隨著位移的繼續增加，裂紋開始擴展，同時有新的裂紋開始出現，鉆孔開始壓縮，從圓形變為橢圓形。當裂紋擴展到一定程度之后，孔周的煤體開始脫落，鉆孔失穩。

圖6 含孔試樣漸進破壞過程Fig.6 Progressive failure process of porous sample

3.2 不同孔徑試樣強度測試結果

將不同孔徑試樣監測的典型壓力-位移曲線繪制出來，如圖7 所示，該曲線為原始測試曲線，沒有轉化為應力-應變曲線。

圖7 不同孔徑試樣壓力-位移曲線Fig.7 Pressure-displacement curves of specimens with different apertures

從圖中可以看出，無論試樣是否含孔及含孔直徑的大小，壓力-位移曲線變化形式相同，隨著位移的增加，壓力先升高，達到峰值后開始降低。無孔試樣能夠承受的最大壓力為27.5 kN；孔徑5 mm試樣能夠承受的最大壓力為24.1 kN；孔徑8 mm試樣能夠承受的最大壓力為19.3 kN；孔徑12 mm試樣能夠承受的最大壓力為14.8 kN，可以看出，隨著鉆孔孔徑的增加，試樣所能承受的最大壓力逐漸降低。

采礦工程中，常用強度來表示抵抗破壞的能力，單位為兆帕。將各試件所能承受的壓力轉化成強度，結果見表1。

表1 不同試件強度測試結果Table 1 Strength test results of different specimens

以無孔試樣的強度為初始強度，孔徑5 mm 試件強度下降12.36%；孔徑8 mm 試件強度下降29.82%；孔徑12 mm 試件強度下降46.18%。可看出，鉆孔直徑越大，強度下降越快，穩定性越低。

4 結 論

（1）型煤壓制過程中的壓力-位移曲線可以分3 個階段，壓密階段、等速階段和加速階段，隨著位移增加，煤粉逐漸壓實，壓力上升速度加快。

（2）單軸壓縮條件下，含孔試樣的破壞是隨著位移的增加逐漸發生破壞，破壞過程伴隨著鉆孔的壓縮和孔周圍裂紋的產生與擴展。

（3）隨著鉆孔直徑的增加，試樣的強度下降的越大，即鉆孔直徑越大，鉆孔的穩定性越差。