單軸載荷下鉆孔不同傾角試件能量演化特征

張超，程仁輝，秦榮榮，等.單軸載荷下鉆孔不同傾角試件能量演化特征[J].西安科技大學學報，2024，44（5）：805-816.

ZHANG Chao，CHENG Renhui，QIN Rongrong，et al.Energy evolution characteristics of specimens drilled at different inclination angles under uniaxial loading[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2024，44（5）：805-816.

摘要：為了研究煤層瓦斯抽采鉆孔不同傾角對孔周煤體穩定性的影響，采用單軸壓縮與聲發射監測技術相結合的方式從能量轉換角度分析了不同鉆孔傾角下煤體裂隙的損傷特征；設計了5個不同鉆孔傾角的型煤試驗樣品，利用電子萬能試驗機對試件進行單軸壓縮試驗，深入探究了不同傾角對煤體裂隙損傷特征的影響；借助聲發射系統從能量轉換的視角全面分析了試驗過程中煤體裂隙的損傷演化特征。結果表明：隨著鉆孔傾角的增加含孔試件的單軸抗壓強度、彈性模量呈減小趨勢，而峰值應變呈線性增加趨勢；AE環數與能量之間的變化關系與試件的失效過程密切相關，失效過程中AE事件的變化特征分為穩定發展階段、高速發展階段及完全發展階段；聲發射計數及能量隨著鉆孔傾角增加在減小，試件的整體承載力下降，AE峰值振鈴數和峰值能量呈下降趨勢，試件的極限儲能值呈二次下降趨勢。該研究可為瓦斯抽采鉆孔穩定性的研究提供支持，對于推動煤炭行業向綠色、低碳轉型具有重要的實踐意義，有助于更好地實現雙碳目標。

關鍵詞：礦井瓦斯；鉆孔抽采；穩定性；能量轉換；不同傾角

中圖分類號：TD 712.6

Energy evolution characteristics of specimens drilled at different inclination angles under uniaxial loading

ZHANG Chao1，2，3，CHENG Renhui1，QIN Rongrong2，3，4，DUAN Chenye 1，ZHANG Yuanfu1

（1.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

2.Joint National-Local Engineering Research Centre for Safe and Precise Coal Mining，Huainan 232000，China；

3.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines，Huainan 232000，China；

4.School of Safety Science and Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232000，China）

Abstract：To study the influence of different inclination angles of coal seam gas extraction boreholes on the stability of the coal body around the boreholes，the uniaxial compression combined with acoustic emission monitoring technology was used to analyze the damage characteristics of the coal body fissures under different borehole inclination angles from the perspective of energy conversion.Five coal test samples with different drilling inclination angles were designed，and the uniaxial compression test was carried out on the specimens by using an electronic universal testing machine，so as to investigate the influence of different inclination angles on the damage characteristics of the coal body fissures.At the same time，with the help of acoustic emission system，a comprehensive analysis was made of "the damage evolution characteristics of the coal body fissures during the test from the perspective of energy conversion.The results show that the uniaxial compressive strength and modulus of elasticity of the specimens decrease with the increase of drilling inclination，and the peak strain increases linearly.The changing relationship between AE ring counts and energy is "related closely to the failure process of the specimen，and the changing characteristics of AE events during the failure process are divided into stable development stage，high speed development stage and complete development stage；the acoustic emission counts and energy are decreasing with the increase of drilling inclination angle，the overall bearing capacity of the specimen is decreasing，the AE peak ring counts and the peak energy show a decreasing trend，and the limiting energy storage value of the specimen is in the trend of a quadratic decrease.The results could provide support for the study of the stability of gas extraction boreholes，which is of great practical significance for promoting the transition of the coal industry to green and low-carbon，and helps to better realize the dual-carbon goal.

Key words：mine gas；borehole extraction；stability；energy conversion；different inclnation angles

0引言

煤炭作為一種能源，在全球能源消費中占據重要地位[1-3]。礦井瓦斯作為煤炭的伴生產物，既是一種具有開發潛力的清潔能源，也是礦井安全生產的重大隱患[4-5]。鉆孔抽采是防治瓦斯災害的根本方法，由于礦井地質的復雜性，使瓦斯抽采工藝受到多重限制[6-7]。在瓦斯抽采鉆孔施工過程中，高瓦斯煤層由于受到地應力作用，在瓦斯壓力的加持下，鉆孔周圍煤體應力重新分布，煤體內產生大量裂隙，加劇漏氣通道擴展發育，極大影響了瓦斯抽采率，給煤礦生產埋下重大安全隱患。

近年來眾多研究人員在鉆孔穩定性方面開展了大量研究。徐超平等分析了現有鉆孔失穩控制技術的適用條件，提出了隨鉆護孔與可視化修復為鉆孔失穩防治的新方向[8]；韓曉明等探討了鉆進擾動對順層鉆孔孔壁失穩破壞的影響規律，建立了鉆桿在鉆進擾動下孔壁附件復合應力場的分析計算模型[9]；張天剛等研究了巷道圍巖裂隙區與塑性區的變化情況，明確了鉆孔塌孔范圍[10]；李松濤等結合廣義Hoke-Brown強度準則、有效應力原理及非線性孔隙壓力分布特征，推導了鉆孔圍巖彈塑性區半徑和應力表達式[11]；SONG等開展物理模擬試驗對鉆孔密封段失穩特征進行研究，找出了鉆孔失穩及密封失效的直接原因[12]；章光等以彈塑性理論和Mohr-Coulomb準則為基礎，得出圓形巷道非等壓應力場下塑性區邊界方程[13]；LI等開展了不同加載速率下試件的壓縮試驗，分析了聲發射信號的應力-應變曲線和演化特征，得到了不同加載速率下試件結構的損傷機理[14]；張天軍等借助數字散斑測量方法研究了不同強度試件破壞過程中的裂紋擴展規律，獲得了試樣強度與裂紋的影響關系[15]；朱傳奇等開展了三軸條件下煤體斷面裂隙演化觀測試驗，得到了煤體失穩破壞過程中煤體斷面的演化規律[16]；馮雪健等借助CT掃描系統對煤巖裂隙進行陣列掃描，得到了適用于計算含裂隙的二維CT圖像分形維數的最優模型，實現了裂隙的高精度識別[17]；WANG等通過聲發射監測技術對不同裂隙巖體在不同加載速率下的裂紋擴展情況進行了研究，發現靜態加載速率對斷裂硬巖的力學、聲學和微裂紋過程有顯著影響[18]；韓穎等通過COMSOL探究了不同測壓系數下不同煤體結構煤層鉆孔孔周塑性區分布規律，劃分了煤層鉆孔失穩破壞類型[19]；XU等開發了鉆孔抽采過程中氣體滲流擴散模型，研究了鉆孔抽采過程中瓦斯滲流與擴散對煤體的影響規律，得到了不同裂隙參數下氣體壓力與流量的關系[20]；LI等測試了煤體力學相關參數，得到了煤的強度與圍壓的變化關系[21]；張學博等通過數值模擬分析了鉆孔坍塌對瓦斯抽采的影響，發現抽采負壓分布可以判斷鉆孔失穩坍塌情況[22]。

綜上所述，學者在鉆孔穩定性方面開展了大量研究，但對于鉆孔不同傾角的能量轉換特性方面研究較少，未考慮現場實際施工過程中不同鉆孔傾角的影響效應。研究鉆孔不同傾角的能量轉換關系可反映鉆孔在不同傾角下的穩定性，可為鉆孔的設計與布置提供指導。

鑒于此，文中通過開展鉆孔不同傾角含孔試件的單軸壓縮試驗，研究鉆孔傾角對試件的力學性能；借助聲發射監測系統探究不同鉆孔傾角試件隨應力加載的損傷變化規律，分析試件的能量演化特征，以期為瓦斯抽采鉆孔穩定性的研究提供一定指導。

1試驗方法及設備

1.1試件制備

采用山西潞安集團余吾煤業高瓦斯煤層作為原料煤（原煤抗壓強度在2.5～3.3 MPa，彈性模量在220～270 MPa），破碎并篩選出小于20目（0.85 mm）的煤粉。輔以水泥、石膏、淀粉和水，借助高頻沖擊儀制備得到型煤，尺寸為70 mm×70 mm×100 mm。嚴格按照GB/T 23561.7—2009《煤和巖石物理力學性質測定方法》執行，流程如圖1所示，制作完成后置于水泥恒溫養護箱中進行30 d養護，溫度30 ℃，濕度40%。制備得到的型煤參數在2.8 MPa左右，彈性模量在240 MPa左右，與原煤力學參數保持一致。

1.2試驗設備

試件壓縮采用DYD-10電子萬能試驗機，采用位移控制加載方式，加載速率0.01 mm/s，加載過程中自動采集加載壓力、位移數據。

試驗借助PCI-2型聲發射信號采集系統采集孔周裂隙的變化情況，該系統配備有雙采集通道，能在第一時間對聲發射特征量的變化進行記錄與監測。通過實驗室噪聲測試，設置聲發射系統門檻值為40 dB，采樣頻率設為1 MHz，嚴格按照上述要求完成參數設置后連接設備。

通過在試件周圍布置4個探頭，形成陣列空間。4個傳感器分3層布置，分別布置在試樣的上部、中部和下部，相鄰層的傳感器之間相互錯開，以保證聲發射事件的三維定位精度。

1.3試驗方案

按照試件尺寸1∶10，在試件70 mm×100 mm正面中心，借助鉆機鉆取直徑為7 mm的鉆孔，設計幾組無鉆孔及5個鉆孔不同傾角（0°、5°、15°、30°、45°）的試驗組，如圖2所示。鉆孔角度依據鉆桿與桌面的角度進行確定，單軸壓縮與聲發射監測試驗同步進行，直至試件完全破壞為止。

開展3次重復試驗，選取典型數據進行分析。

煤層鉆孔傾角在0°～15°內，其中0°、5°、15°左右鉆孔傾角較多。此外，開展了兩組鉆孔傾角為30°、45°的傾斜、急傾斜鉆孔對比試驗。

2不同傾角含孔試件參數變化特征

2.1不同傾角含孔試件的應力變化

不同傾角下各試件的應力變化情況，如圖3所示。

鉆孔傾角越大試件的抗壓強度越小，其抗壓強度均保持在一個范圍內，如鉆孔傾角為0°的試件，3次試驗抗壓強度分別為2.55，2.61，2.64 MPa，鉆孔傾角為5°的試件，3次試驗抗壓強度分別為1.95，1.97，2.01 MPa。

基于此選取其中一組試驗數據進行具體分析。

從圖3可以看出，無鉆孔的試件單軸抗壓強度最高，達到2.88 MPa，隨著鉆孔傾角的增加，試件的抗壓強度在逐漸變小，鉆孔傾角在0°、5°、15°、30°、45°的試件抗壓強度分別為2.61，1.97，1.73，1.31，1.20 MPa，通過分析不同傾角試件的曲線斜率可以發現，隨著傾角的增加，曲線斜率也在逐步減小，這是由于隨著鉆孔傾角的增加，鉆孔受壓由橫向壓裂逐漸轉變為縱向壓裂，試件更易被壓裂，導致抗壓強度變小，內部裂隙更易破碎。

鉆孔傾角為30°、45°的試件單軸抗壓強度顯著下降，這是因為這兩個試件的鉆孔傾角過大，在試驗過程中試件鉆孔周圍破碎引起試件內部破壞由軸向破壞改為徑向破壞，因此，試件的整體抗壓強度受鉆孔傾角變化較大。

不同鉆孔傾角試件的單軸抗壓強度、彈性模量、峰值應變變化，如圖4所示。

含孔試件的單軸抗壓強度、彈性模量隨著鉆孔傾角的增加而減小，而峰值應變隨著鉆孔傾角的增加呈線性增加趨勢。這是由于隨著鉆孔傾角的增加，改變了試件的破壞角度，加速了試件破壞進程，導致抗壓強度、彈性模量下降。

2.2不同傾角含孔試件聲發射參數結果

隨著軸向壓力的增加，試件內部應力發生變化，出現原生裂隙與次生裂隙的發育擴展情況，通過聲發射傳感器將內部煤體發生應變能的變化過程記錄下來，分析孔周煤體裂隙的演化規律。各試件的聲發射事件參數變化特征如圖5所示。各試件在不同鉆孔傾角下不同應力階段其振鈴計數和能量表現出較好的一致性，且各階段特征明顯。計數是指在事件持續一段時間內對一個事件進行記數的方法，可以反映試件內部的損傷情況。應力、計數及能量的變化規律均呈現緩慢增加、快速增加直至達到頂峰的規律。聲發射特征的變化與試件受壓情況基本一致。根據圖5中聲發射特征參數的變化趨勢，將試件損傷變化過程分為3個階段：穩定發展階段、高速發展階段、完全發展階段。

聲發射事件的穩定發展階段主要位于應力變化曲線的孔隙裂隙壓密階段及彈性階段。加載初期，各試件內部由于鉆進擾動產生的裂隙在軸向壓力下開始緩慢閉合，該階段聲發射能量與計數均較少。隨著軸向應力增加，試件進入彈性變形階段，位于鉆孔周圍的煤體由于鉆孔空間存在，孔周煤體率先產生微裂隙，并在軸向應力加載下逐步擴展，此時試件發生彈性變形，聲發射事件的能量和計數在逐步增加。

聲發射事件的高速發展階段位于應力變化曲線的屈服階段，該階段試件內部裂隙開始貫通，隨著軸向應力增加，聲發射能量和計數加大，并在應力達到最大時聲發射試件達到峰值。

聲發射事件的完全發展階段位于應力變化曲線的破壞階段，該階段隨著試件內部裂隙貫通應力達到峰值，試件內部損傷嚴重，隨著軸向應力增加，試件開始卸壓，裂隙發展速度變小，位于鉆孔遠處的煤體發生微小破壞，聲發射事件急速下降。

聲發射事件的振鈴計數和能量變化情況可以反映不同傾角含孔試件孔周裂隙的發育情況，如圖6、圖7所示。隨著鉆孔傾角的增加，聲發射計數及能量均在減小，同時可以觀察到鉆孔傾角在0°和5°與傾角30°、45°的計數和能量存在明顯變化，進一步證明了傾角對鉆孔穩定性的影響很大。

3不同傾角含孔試件能量演化特征

聲發射能量的變化可以反映試件在受壓過程中煤體的變化情況，能量越多試件越不易受到破壞，說明鉆孔越穩定。基于此進一步分析聲發射參數下試件內部的能量變化情況，從而反映鉆孔傾角對煤體的影響。

3.1不同傾角含孔試件的能量轉換特性

軸向應力的不斷加載為含孔試件孔周裂隙的發育擴展不斷提供能量，試件的失穩破壞是能量的聚集及耗散不斷轉化的過程[23]。軸向應力提供的能量一部分轉換為煤體的彈性勢能儲存在試件中，另一部分以耗散能的形式充當裂隙的發育擴展[24-25]。根據能量守恒定律，假設試件的加載中只存在軸向應力的能量輸入，與外界不存在其他能量交換。試件的能量分布曲線如圖8所示。

U=∫ε10σdε=Ue+Ud

（1）

式中U為軸向加載提供的總能量，ms·mv；Ue為存儲在試件中的彈性勢能，ms·mv；Ud為耗散能，ms·mv；ε1為最大軸向應變，%。

Ue=σ212E0

（2）

式中σ1為試件加載中的峰值應力，MPa；E0為初始彈性模量，MPa。

利用上述公式計算了不同鉆孔傾角的能量變化情況，如圖9所示。型煤試件的應力變化情況分別經歷了壓密、彈性、屈服、破壞4個階段，分別為孔隙裂隙壓密階段（OA）、彈性階段（AC）、屈服階段（CD）、破壞階段（DE）。其中彈性階段分為彈性變形階段（AB）及微破裂穩定發展階段（BC）。

在壓密階段，原有裂隙逐漸閉合，試件被壓密，應力曲線呈上凹形，此時試件中沒有新生裂隙產生；在彈性變形階段，應力曲線呈近似直線型，試件內部裂隙進一步被壓密，同時開始出現新的微裂隙。在微破裂穩定發展階段即彈塑性過渡階段，B點為曲線斜率最大的一個轉折點，新生裂隙逐漸增多；在CD屈服階段，C點是試件從彈性變為塑性的轉折點，為屈服點，對應于該點的應力為屈服應力（屈服極限），其值約為峰值強度的2/3，進入本階段后，微破裂的發展出現了質的變化，破裂不斷發展，直至試件完全破壞。試件由體積壓縮轉為擴容，軸向應變和體積應變速率迅速增大。在破壞階段，試件承載力達到峰值強度后，其內部結構遭到破壞，但試件基本保持整體狀。到本階段，裂隙快速發展，交叉且相互聯合形成宏觀斷裂面。此后，試件變形主要表現為沿宏觀斷裂面的塊體滑移，試件承載力隨變形增大迅速下降，但并不降到零，說明破裂的試件仍有一定的承載力。

從圖9可以看出，隨著應力的增加各試件的能量在逐漸增加，當試件經歷不同階段時，能量的變化情況表現出明顯的規律性。在OA階段隨著外部軸向應力的增加，試件總能量U在不斷增加，彈性勢能Ue和耗散能Ud均緩慢增加。該階段試件內部裂隙逐漸閉合，試件位于壓密階段。在AC階段，試件的U、Ue、Ud均呈指數型增加，為后面的裂隙演化在不斷積聚能量。當試件在CD階段時，試件裂隙逐漸增加，耗散能Ud積聚速率出現波動，這是由于試件裂隙的發育情況變化導致，試件應力在D點達到峰值，此時能量發生明顯變化，Ud增加變緩，Ue開始呈下降趨勢。DE階段位于試件的破壞階段，試件基本破壞，Ue開始無規律下降。

3.2不同傾角含孔試件能量演化系數變化特征

耗散能決定了含孔試件在應力加載過程中的破壞情況[28]，在此通過耗散能與彈性勢能的比來描述試件的損傷特性，耗散能與彈性勢能的比k表達式為

k=Ud/Ue

（3）

利用上述公式計算了不同鉆孔傾角下含孔試件加載的能量值，能量耗散率為各試件的耗散能與總能量之比，如圖10所示。

從圖10可以看出，不同含孔試件的總能量、彈性勢能及耗散能隨鉆孔傾角的增加呈負相關關系，能量耗散率呈線性上升趨勢，具體擬合方程見表1，均為一次方程說明了各能量間的線性關系，其擬合度R2均大于0.97證明了擬合效果的準確性。鉆孔傾角為0°、5°、15°、30°、45°時，試件的總能量為268.75，245.21，232.24，217.51，196.44 ms·mv；耗散能分別為164.59，160.89，157.64，15305，14992 ms·mv；彈性勢能分別為104.15，84.33，746，64.46，46.52 ms·mv。鉆孔傾角從0°至45°，其總能量下降了27%，耗散能下降了9%，彈性勢能下降了55.33%。總能量越小說明試件抗壓強度越小，耗散能的減小說明了試件裂隙發育所需要的能量在減小試件越容易受到破壞，彈性勢能減少說明存儲在煤體中的能量在減小。能量耗散率的增加說明了耗散能在試件總能量的占比在增加，意味著用于試件破壞的能量在增加，試件越容易破壞。鉆孔傾角越大試件破壞需要的能量越小，試件越不穩定。這是由于隨著鉆孔傾角的增加孔周應力集中越大，僅需經過比之前較小的軸向壓力試件即可達到屈服極限。不同傾角含孔試件的能量演化系數k與應力應變曲線如圖11所示。

能量演化系數k在壓密階段快速增長，然后急劇下降，最后在試件破壞后k值上升。在壓密階段外部能量由于試件內部初始裂縫的閉合而被消耗，能量以彈性能的形式儲存在試件中，因此k值一直增加。

在彈性階段，k的值急劇下降至最低值，這是由于該階段處于彈性能與耗散能的持續轉化過程中，耗散能量顯著增加，隨著加載的繼續，試件的承載能力下降，儲存的彈性能開始釋放，由于試件尚未完全破壞，k值下降至一定的值后停止。在破壞階段，試件儲存的彈性能全部釋放，試件完全破壞，k值呈直線式增加。

在應力峰值處，試件的承載能力達到極限，隨后耗散能迅速上升，使得試件的承載能力不斷下降，直至斷裂。因此，峰值應力不僅是試件承載能力的轉折點，也是耗散能增長程度的轉折點。 試件峰值應力對應的k與鉆孔傾角的關系如圖12所示。隨著試件中鉆孔傾角的增加，樣品在應力峰值點的能量演化系數呈線性上升。k值由傾角為0°的1.58上升至3.22，提升了204倍。這意味著，隨著鉆孔傾角的增加，應力峰值處的耗散能比例在持續上升，鉆孔傾角越大試件破壞速度越快，遠離鉆孔的地方破壞程度越低。

3.3不同傾角含孔試件儲能極限分析

在巷道開采及鉆孔鉆進擾動會導致鉆孔周圍煤體產生應力集中現象，應力的集中使得能量在煤

體中不斷聚集，當積聚的能量超過煤體儲存極限時會瞬間釋放，引起鉆孔噴孔、煤與瓦斯突出等動力災害[29]。基于此，開展不同傾角鉆孔的存儲能量極限至關重要。儲能極限公式如下

Ule=12E0σ2c

（4）

式中Ule為試件達到抗壓強度時儲存在試件中的彈性能，ms·mv；σc為抗壓強度，MPa。

不同傾角含孔試件加載過程中極限儲能變化如圖13所示。

隨著含孔試件中鉆孔傾角的增加，樣品的極限儲能值呈二次下降。從鉆孔傾角0°至45°，由0.015 ms·mv下降至0.005 3 ms·mv，下降了64.67%。鉆孔傾角越大，試件的最終儲能值越小，越容易達到極限值，導致試件失效。這是由于鉆孔的存在為試件內部裂隙的發育提供方向，隨著鉆孔傾角的增加，鉆孔周圍煤體由橫向受壓逐漸向縱向受壓轉變，試件越容易收到破壞，導致試件承載能力下降，極限儲能值減小。

4結論

1）鉆孔傾角的增加導致試件整體承載能力下降，試件的單軸抗壓強度和彈性模量隨著鉆孔傾角的增加而下降，峰值應變呈現線性增加的趨勢；AE峰值振鈴數和峰值能量隨著鉆孔傾角的增加呈下降趨勢；試件的極限儲能值呈二次下降趨勢。鉆孔傾角越大，試件的儲能極限越小，更容易損壞。

2）AE環數與能量之間的變化關系與試件的失效過程密切相關。失效過程中AE事件的變化特征分為3個階段：穩定發展階段、高速發展階段及完全發展階段。

3）在應力應變曲線的壓密階段，能量演化系數k值首先快速增長，然后急劇下降。在彈性階段，k值下降率急劇下降，彈性能是該階段能量轉換的主要形式。在塑性階段，k開始上升，耗散能量顯著增加。隨著加載的繼續，試件的承載能力下降，儲存的彈性能開始釋放，最終導致試件失效。

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（責任編輯：劉潔）

收稿日期：2024-05-20

基金項目：國家自然科學基金項目（52174203，51974241）；深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室開放基金項目（SKLMRDPC21KF18）; 煤炭安全精準開采國家地方聯合工程研究中心開放基金項目（EC2022013）

通信作者：張超，男，山西長治人，教授，博士生導師，E-mail：zc@xust.edu.cn