單軸壓縮狀態(tài)下瓦斯抽采鉆孔破裂規(guī)律的實驗研究

張峰瑞，　肖福坤，2,　申志亮，　王一斐

(1. 黑龍江科技大學 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室， 哈爾濱 150022 2. 七臺河寶泰隆煤化工股份有限公司， 黑龍江 七臺河 154600)

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單軸壓縮狀態(tài)下瓦斯抽采鉆孔破裂規(guī)律的實驗研究

張峰瑞1，肖福坤1，2,申志亮1，王一斐1

(1. 黑龍江科技大學 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室， 哈爾濱 150022 2. 七臺河寶泰隆煤化工股份有限公司， 黑龍江 七臺河 154600)

為研究瓦斯抽放鉆孔對煤體破裂的影響，采用電液伺服巖石實驗機分別對不同傾角瓦斯抽放鉆孔原煤煤樣和水平瓦斯抽放鉆孔原煤煤樣進行單軸壓縮實驗，分析鉆孔周圍煤體的破裂規(guī)律。結(jié)果表明：原煤煤樣鉆孔水平邊界處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，最先發(fā)生破壞。隨著鉆孔傾角的增大，鉆孔煤體的單軸抗壓強度有增大趨勢，鉆孔煤體更加趨于穩(wěn)定，不易發(fā)生破壞。原煤煤樣水平瓦斯抽放鉆孔周圍存在不同形式的裂隙，鉆孔的破壞過程與破壞形態(tài)也不相同。該研究對提高瓦斯抽采效果具有指導意義。

瓦斯抽放； 鉆孔傾角； 煤體破裂； 裂紋擴展

0　引　言

煤礦事故死亡人數(shù)在10人以上的重大事故中，有77%的死亡是由礦井瓦斯引起的，因此，煤礦瓦斯是引起煤礦事故的主要原因。目前，世界上還沒有行之有效的煤礦瓦斯處理方式，較為常用的方法就是采前預抽瓦斯。我國的瓦斯抽采大部分是在煤層內(nèi)抽采，抽采形式有上向、水平傾斜、垂直等，鉆孔有順層鉆孔和穿層鉆孔兩種。抽采鉆孔形成之后，由于開采擾動和礦山壓力的變化，使得鉆孔發(fā)生破裂，對瓦斯抽采和煤礦安全生產(chǎn)產(chǎn)生重要的影響。鉆孔破裂成為瓦斯抽采的瓶頸，然而一些輕微的破壞，卻又能夠提高瓦斯抽采的效果。因此，研究瓦斯抽放鉆孔煤體破裂規(guī)律對提高瓦斯抽采效率和瓦斯動力災害的防治具有一定的指導意義。

目前，針對瓦斯抽放鉆孔的研究文獻尚不多見，尤其是深入瓦斯抽放鉆孔的破壞形態(tài)方面。陳興梗等[1-3]在多年的現(xiàn)場工作實踐經(jīng)驗的基礎上，查找影響孔壁穩(wěn)定性的因素，分析孔壁穩(wěn)定條件，結(jié)合現(xiàn)場的地質(zhì)條件尋找合理的瓦斯抽采鉆孔布置方位，從而減少瓦斯抽放鉆孔破環(huán)的發(fā)生，增加成孔率。藺海曉等[4-7]分別采用離散單元法的UDEC軟件、有限單元法的FLAC軟件以及RFPA軟件對鉆孔煤巖體的圍巖應力場進行模擬計算。肖福坤等[8-9]開展了單軸和三軸含瓦斯抽放鉆孔煤體的聲發(fā)射特性實驗，得到含瓦斯抽放鉆孔煤體破壞過程的聲發(fā)射規(guī)律。郤保平等[10-14]在實驗室利用高溫巖石三軸實驗機研究了高溫高壓下鉆孔花崗巖的變形破壞特征，并且得出了鉆孔花崗巖的蠕變破壞規(guī)律，找到了鉆孔花崗巖破壞的極限溫度與荷載條件。

基于以上研究，筆者分別對不同傾角瓦斯抽放鉆孔原煤和水平傾角瓦斯抽放鉆孔原煤進行實驗研究，研究不同傾角瓦斯抽放鉆孔對煤體強度的影響，分析鉆孔附近及整體破壞過程，對典型破壞形態(tài)進行分類，并分析鉆孔附近的應力變化，以印證破壞形態(tài)，為現(xiàn)場瓦斯抽采提供理論指導。

1　實　驗

1.1煤樣制備

龍煤集團鶴崗分公司新興煤礦1993年被鑒定為高瓦斯礦井，2009年11月21日發(fā)生特大煤與瓦斯突出事故。煤樣取自該礦15煤層，煤體質(zhì)軟、易碎，含有較多的層理和裂隙。由于現(xiàn)場取回樣品節(jié)理裂隙發(fā)育，采用取芯機制取的圓柱形標準試件極易斷裂，不能滿足標準要求，故依據(jù)GB 23561.7—2009《煤和巖石物理力學性質(zhì)測定方法》，采用切割方式制取50 mm×50 mm×100 mm標準試樣。按照煤體地質(zhì)賦存情況，受載方向與節(jié)理方向垂直，切割首先采用雙刀片100 mm標準距離與節(jié)理方向平行進刀，再進行雙刀片50 mm標準距離與節(jié)理方向垂直進刀，旋轉(zhuǎn)方向重復一次，粗糙試樣加工完成，最后通過雙端面磨平機將端面不平整度控制在0.02 mm以內(nèi)。

1.2實驗裝置

實驗設備采用吉林金力研制的高精度TYJ-500 kN微機控制電液伺服巖石流變實驗系統(tǒng)，如圖1所示。該裝置由加載系統(tǒng)和采集系統(tǒng)兩部分組成，加載裝置是本機器動力源，采用進口控制閥，可進行開環(huán)、負荷、變形和位移等多種控制方式，采集系統(tǒng)包括壓力傳感器和引申計，壓力傳感器精度可達0.001 kN，位移傳感器精度高達0.000 1 mm，且可在10 kHz高頻下采樣。實際情況下瓦斯抽放鉆孔處于雙向應力狀態(tài)，一是孔的斷面切線方向，一是孔的軸線方向。由于實驗條件的限制，目前只能研究單軸壓縮狀態(tài)下瓦斯抽放鉆孔煤體破裂狀態(tài)，雖然只是單向加載，然而瓦斯抽放鉆孔也是承受雙向的力，上下兩側(cè)承受實驗儀器的壓力，左右兩側(cè)承受煤體壓力，抽象地看單軸壓縮實驗中瓦斯抽放鉆孔所受的力與實際情況是一樣的。

圖1　單軸壓縮變形測試系統(tǒng)

1.3實驗方法

1.3.1水平瓦斯抽放鉆孔原煤實驗

為了研究瓦斯抽放鉆孔的破壞規(guī)律，采用原煤進行實驗。由于實驗試件的尺寸較小，鉆孔位置布置和鉆孔直徑的確定十分關(guān)鍵。鉆孔布置位置不同，就會受到不同端部效應的影響。鉆孔直徑過大，端部效應影響更加嚴重，因此，統(tǒng)一取鉆孔直徑為5 mm。為了減少端部效應的影響，在加工的50 mm×50 mm×100 mm方形煤柱的中心部位用鉆機打出直徑5 mm的水平鉆孔，保證所有試件鉆孔處于同一位置。為了保證實驗數(shù)據(jù)的準確性和多變性，選取14個煤樣進行單軸壓縮實驗，觀察鉆孔周圍裂隙節(jié)理的擴展狀況，研究鉆孔的破壞規(guī)律。圖2為部分原煤煤樣。

圖2　原煤鉆孔煤樣

1.3.2不同傾角瓦斯抽放鉆孔原煤實驗

為了研究不同傾角瓦斯抽放鉆孔對煤體強度的影響，利用長鉆頭在原煤煤樣上打上鉆孔。為減少端部效應的影響，鉆孔統(tǒng)一布置在煤樣的中心部分，保證所有試件鉆孔處于同一位置，鉆孔直徑為5 mm，鉆孔的傾角分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。為了保證實驗數(shù)據(jù)的準確性，每個角度的試樣做三個。將試樣放在剛性實驗機上進行單軸壓縮實驗，取每種角度三個試樣強度的平均值作為最后煤樣的單軸抗壓強度。

2　結(jié)果與分析

2.1煤樣單軸壓縮破環(huán)形態(tài)

原煤煤樣單軸壓縮破環(huán)形態(tài)如圖3所示。

圖3　原煤煤樣單軸壓縮破環(huán)形態(tài)

從圖3可以看出，實驗過程中鉆孔縱向頂?shù)走吘壸钕瘸霈F(xiàn)裂紋，發(fā)生破壞。這是由于在單向應力狀態(tài)下，鉆孔周邊橫向水平兩側(cè)邊緣受壓，縱向頂?shù)走吘壥芾?，而煤樣的抗拉強度小于抗壓強度，因此，鉆孔縱向頂?shù)走吘壸钕劝l(fā)生破環(huán)。隨著荷載的不斷增加，裂紋向斜上下兩個方向擴展，最終形成傾斜裂隙，裂隙與縱向大概呈30°夾角，破壞形式屬于剪切破壞。

2.2煤樣強度隨傾角變化情況

鉆孔煤樣的單軸壓縮強度σd變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，鉆孔傾角為0°～75°時，煤樣的單軸抗壓強度隨著鉆孔傾角的增大，基本呈線性增大。沒有鉆孔時煤樣的強度與有鉆孔后煤樣的強度相差很大，說明鉆孔對煤樣單軸抗壓強度的影響較大。90°鉆孔煤樣的單軸抗壓強度比0°～75°鉆孔煤樣的單軸抗壓強度明顯升高，但比沒有鉆孔時煤樣的單軸抗壓強度低。可以認為，90°鉆孔只是改變了煤樣的高徑比，對煤樣的單軸抗壓強度有影響，但沒有0°～75°鉆孔對煤樣強度的影響大。參考虎克布朗強度理論，分析無鉆孔煤樣和0°～75°鉆孔煤樣的強度，對數(shù)據(jù)進行線性回歸分析得到如下線性公式：

(1)

式中：σθ——鉆孔煤樣強度,MPa;

θ——鉆孔傾角,(°)；

圖4　煤樣強度隨鉆孔傾角的變化曲線

Fig. 4Variation graph of coal strength with borehole inclination

當然，對于具有不同成分、力學性質(zhì)有差異的煤樣，式(1)不足以描述鉆孔煤樣強度的復雜變化情況，但可以應用這種方法進行鉆孔煤樣的力學性質(zhì)影響分析，尋找鉆孔對煤樣體強度的影響規(guī)律。

2.3裂隙鉆孔破環(huán)情況

受開采擾動和運輸?shù)热藶橐蛩赜绊?，從現(xiàn)場采集回來的煤樣內(nèi)部存在密集的節(jié)理裂隙，對煤的力學性質(zhì)會產(chǎn)生很大的影響。如圖2所示，在煤樣上分布有各個方向的裂隙、節(jié)理，有的煤樣內(nèi)存在弱面，夾雜矸石。鉆孔周圍分布的不同形式的節(jié)理裂隙對鉆孔強度的影響也不相同，在受力破壞過程中的破壞形態(tài)也會各式各樣。比較典型的鉆孔周邊裂隙有縱向裂隙、水平方向裂隙、一定傾角的裂隙、弱面、多種傾角混合裂隙及弱面和裂隙六種。

文中就實驗所遇到的縱向裂隙和弱面鉆孔破環(huán)情況進行分析。

2.3.1縱向裂隙鉆孔破壞情況

圖5給出了縱向裂隙鉆孔應力σ-應變ε曲線以及對應的鉆孔裂隙擴展情況。如圖5b中①所示,在初始壓密階段，鉆孔上方有豎直方向裂隙，下方有與豎直方向成35°夾角裂隙。從圖5b②裂隙擴展階段可以看出，在鉆孔左邊與豎直方向成35°夾角的裂隙首先張開擴展，隨后鉆孔上方的豎直裂隙張開。鉆孔左邊有水平裂隙弱面的位置出現(xiàn)小塊剝落，35°裂隙繼續(xù)擴展至下方，與存在的一條豎直小裂隙接通，導致豎直小裂隙張開。隨著加載的繼續(xù)，豎直裂隙和35°裂隙的張開度增大，鉆孔邊界的剝落面積也不斷增大。從圖5b③、④可以看出，鉆孔與裂隙出現(xiàn)瞬時貫通，曲線應力瞬時下掉。因此，煤樣首先在35°裂隙處發(fā)生剪切破壞，隨后豎直裂隙受拉應力而擴張，水平方向的裂隙弱面導致了煤面剝落。

a　應力-應變曲線

b　破環(huán)形態(tài)

2.3.2弱面鉆孔破壞情況

如果鉆孔周圍存在一定角度的弱面，由于弱面的強度較低，在受力過程中會首先從弱面開始發(fā)生破壞。如圖6b①所示，鉆孔周圍存在與豎直方向成25°夾角的弱面。從圖6b②～⑤可以看出，在加載過程中鉆孔邊界沿著弱面的方向首先產(chǎn)生裂隙，隨著載荷的增加裂隙逐漸擴展，最后沿著弱面產(chǎn)生滑移破壞。

弱面鉆孔的軸向應力-應變曲線如圖6a所示。由圖6a可見，在形成圖6b③形狀的裂隙時，應力-應變曲線達到峰值，繼續(xù)加載應力值在峰值上下波動，逐漸形成如圖6b④形狀的破壞，隨著破壞的加劇，應力值急劇下降最后形成圖6b⑤形式的破壞形態(tài)。

a　應力-應變曲線

b　破環(huán)形態(tài)

3　結(jié)　論

(1)隨著瓦斯抽放鉆孔傾角的改變，瓦斯抽放鉆孔最先發(fā)生破壞的區(qū)域始終是在鉆孔水平邊界處。當鉆孔發(fā)生破壞后，在水平鉆孔邊界處產(chǎn)生裂縫，分別向上下63°(煤樣尖角)方向擴展，最終形成剪切滑移破壞。

(2)鉆孔傾角在0°～75°之間煤樣的單軸抗壓強度隨著鉆孔傾角的逐漸增大基本呈線性增大，無鉆孔煤樣的強度與有鉆孔煤樣的強度相差很大，鉆孔對煤樣單軸抗壓強度有很大影響。

(3)煤樣水平鉆孔周圍分布不同方向裂隙，鉆孔的破壞方式也不相同。如果鉆孔邊界有傾斜方向的裂隙，在受壓破壞過程中與豎直方向成35°～50°夾角的裂隙會首先擴展，隨后是豎直方向的裂隙，水平方向的裂隙不再發(fā)生擴展，而是在擠壓之下，形成剝落離層。如果鉆孔周圍存在一定角度的弱面，在受力過程中首先從弱面開始發(fā)生破壞，鉆孔邊界會沿著弱面的方向首先產(chǎn)生裂隙，隨著載荷的增加裂隙逐漸擴展，最后沿著弱面產(chǎn)生滑移破壞。

致謝：

該研究得到中國博士后科學基金面上項目(2014M561384)、黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室開放課題(F2313-01)、黑龍江科技大學碩士研究生創(chuàng)新科研項目(YJSCX2015-109HKD)的支持。

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(編輯荀海鑫)

Experimental research on law behind fracture of coal with gas drainage borehole under uniaxial compression

ZHANGFengrui1,XIAOFukun1，2,SHENZhiliang1,WANGYifei1

(1. Heilongjiang Ground Pressure & Gas Control in Deep Mining Key Laboratory,Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China;2. Qitaihe Baotailong Coal Chemical Co. Ltd, Qitaihe 154600, China)

This paper is devoted to an experimental research prompted by a deeper exploration of the effect of gas drainage borehole on coal fracture. The exploration is obtained by an axial compression experiment on briquette with gas drainage borehole of different inclined angles and raw coal with horizontal gas drainage borehole using electrohydraulic servo controlled rock pressure testing machine and an analysis of the law behind the fractures occurring in coal around boreholes. The results show that, when subjected to the stress concentration, the horizontal borders of boreholes in briquette, are more vulnerable to damage; an increase in borehole inclination gives rise to an increasing tendency in the uniaxial compressive strength of coal with borehole, leaving coal body in borehole more stable and thus free of damage; differences occur in forms of cracks around horizontal gas drainage boreholes in raw coal, the failure process, and failure pattern of boreholes. The results may provide a reference for improving gas drainage efficiency.

gas drainage； borehole inclination； coal fracture； crack propagation

2015-11-05

中國博士后科學基金面上項目(2014M561384)

張峰瑞(1990-)，男，江蘇省連云港人，碩士，研究方向：礦山壓力與巖層控制，E-mail：15104585257@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.005

TD712

2095-7262(2016)01-0017-04

A