深部條件下的煤巖鉆孔噴孔試驗研究*

李　勝，楊鴻智，羅明坤，任延平

(遼寧工程技術大學 礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000)

0　引言

鉆孔噴孔試驗方法是一種在實驗室條件下模擬開采擾動所引起的小規(guī)模礦井動力災害的有效研究手段。國內諸多學者從不同角度對煤巖失穩(wěn)破壞規(guī)律進行了試驗研究，探究礦井動力現(xiàn)象[1-6]發(fā)生的機理和提供預測預警的判據(jù)。趙洪寶等[7]運用MTS815巖石力學試驗系統(tǒng)和PCI-2全數(shù)字聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，對具有突出傾向性煤體的型煤試件進行了單軸壓縮和循環(huán)加載過程中的聲發(fā)射試驗研究，得到了煤樣破壞的AE參數(shù)規(guī)律；鞏思園等[8]研究了單軸循環(huán)加卸載條件下深部沖擊傾向煤巖樣應力與縱波波速的耦合關系，建立了應力與縱波波速之間的試驗關系模型；段克信等[9]研究了鉆孔沖擊實驗方法，并對鉆孔沖擊實驗進行了數(shù)值分析；陳學華等[10]用RFPA軟件對煤樣鉆孔沖擊進行了數(shù)值模擬研究；竇林名等[11-12]依據(jù)煤巖體變形破壞特征及其破壞過程中的聲電效應和電磁輻射規(guī)律，提出了煤巖沖擊破壞的彈塑脆性模型；陸菜平等[13-14]通過進行三軸條件下的鉆孔損傷沖擊試驗模擬，分析了煤損傷演化過程并對組合煤巖沖擊傾向性演化及聲電效應進行試驗研究；王曉南等[15]對煤巖組合體沖擊破壞的聲發(fā)射規(guī)律與沖擊傾向性等指標間的關系進行了試驗研究。

目前對礦井動力現(xiàn)象的實驗室研究還存在一定的局限性，本文通過鉆孔噴孔試驗研究深部條件下煤礦沖擊動力現(xiàn)象，并且基于應力、應變、鉆屑量和聲發(fā)射等多參量進行試驗分析，揭示鉆孔噴孔規(guī)律。

1　鉆孔噴孔試驗方法

1.1　試驗系統(tǒng)研制

鉆孔噴孔試驗系統(tǒng)主要包括圍壓盒、傳力塊、YA-2000C微機控制電液伺服壓力試驗機、DHDAS動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)、SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)和鉆機(圖1)。圍壓盒為四周密封的厚度為25 mm立方體金屬盒，空腔大小為70 mm×70 mm×70 mm，用于固定煤體試件并提供側向壓力；在圍壓盒的一個側面設計了一個直徑為20 mm的圓孔，用于向試件打鉆；通過在圍壓盒側面貼電阻應變片，利用DHDAS動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)采集應變量，從而獲取加載過程中的側向應力；同時在圍壓盒側面布置4個聲發(fā)射探頭，利用SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)采集加載過程中的聲發(fā)射參數(shù)。鉆孔工具為普通手持電鉆，鉆頭直徑為8 mm。試驗系統(tǒng)能同時觀測鉆孔噴孔過程中的應力、應變、鉆屑量和聲發(fā)射等參數(shù)的變化規(guī)律。

圖1　試驗系統(tǒng)示意Fig.1　Sketch of test system

1.2　試驗煤樣性質及制備

試驗煤樣采自新疆烏東礦+450 m水平，煤樣的密度為1.28 g/m3，單軸抗壓強度為16.28 MPa，單軸抗拉強度為1.42 MPa，內摩擦角為57.08°，彈性模量為2.04 GPa，泊松比為0.21，所在煤層具有動力顯現(xiàn)特征。

圍壓盒空腔的尺寸決定了煤樣尺寸為70 mm×70 mm×70 mm，煤樣通過巖石切割機切割、打磨得到，加工過程中盡量使煤樣的高度略小于70 mm，保證傳力塊在加載過程中能有效對準煤樣，避免傳力塊與圍壓盒擠壓損壞試驗裝置。本次試驗共制備6個煤樣。

1.3　試驗方案

測試方案：利用鉆孔噴孔試驗系統(tǒng)分別按加載壓力為30，50，70 MPa對煤試件進行非保壓加載，測試煤試件加載過程中的側向應力、聲發(fā)射、鉆屑量、沖擊次數(shù)等參數(shù)，打鉆時間控制在30～50 s，每個壓力等級進行2次測試。

測試步驟：(1) 將圍壓盒置于壓力機測試中心位置，并將制備好的煤樣放入圍壓盒，為保證測試過程中應力和聲發(fā)射良好傳遞，煤樣與圍壓盒間的縫隙用石膏填充壓實，最后將傳力塊置于煤樣正上方；(2) 在圍壓盒左側和后側各布置一個電阻應變片(圖1)，并將應變片與DHDAS動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)相連，信號采集頻率為5Hz；(3) 在圍壓盒的各個側面分別布置一個聲發(fā)射探頭(圖1)，線路連接完畢后，在SWAE聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集軟件中構建試驗所對應的立體模型，設置聲發(fā)射采集參數(shù)，聲發(fā)射采集門限設為95 dB；(4) 按設定的加載壓力進行非保壓加載，同時采集側向應變、聲發(fā)射信號；當壓力達到設計壓力后，在壓力機上進行保壓，用電鉆開始打鉆，打鉆深度控制在50 mm左右，記錄打鉆時間、沖擊聲響；(5) 打鉆結束后，停止各類數(shù)據(jù)采集，收集鉆屑量，整理實驗器材。

圖2　打鉆過程應力變化與鉆孔噴孔時間Fig.2　Stress change during drilling and time of spray-drilling-hole

2　鉆孔噴孔試驗結果與分析

2.1　鉆孔噴孔現(xiàn)象特征和加壓過程分析

試驗過程中，隨著打鉆時間的增加，試件逐漸卸壓；其中，加載壓力為30 MPa的A1試件未發(fā)生鉆孔噴孔，加載壓力為50 MPa的A3試件在打鉆后8 s和34 s發(fā)生2次沖擊，加載壓力為70 MPa的A5試件在打鉆后7 s和15 s發(fā)生2次沖擊(圖2)。鉆孔噴孔會出現(xiàn)瞬間卸載并伴有頂鉆的感覺和明顯聲響，聲響可傳至幾米到數(shù)十米遠，而且噴孔加載壓力越大，頂鉆越明顯，聲響越強烈，卸載越多，沖擊強度越大。

由表1和圖3可知，隨加載壓力的增大，試件的鉆屑量增多，頂鉆現(xiàn)象越明顯，鉆孔噴孔次數(shù)也逐漸增多，相同加載壓力條件下的2個煤樣的鉆屑量存在較小差異。

另外，隨著加載壓力增大，平均鉆屑粒度逐漸減小，但是A3和A5煤樣在發(fā)生鉆孔噴孔時所鉆出煤屑粒度驟然增大，這與現(xiàn)場易發(fā)生動力災害的構造煤具有相似特征。說明在發(fā)生噴孔現(xiàn)象時，由于壓力增加和擾動而破壞的煤體，會在瞬間能量釋放的瞬間噴出，從試驗角度很好的說明了煤體失穩(wěn)破壞的條件和作用因素。

圖3　煤試件的鉆屑形態(tài)Fig.3　The form of cuttings in coal samples

試件編號加載壓力/MPa打鉆時長/s鉆屑量/g聲響次數(shù)/次A1A230420.880320.720A3A450451.362431.253A5A670331.733311.822

2.2　側向應力特征

2.2.1應力計算方法

圍壓盒在加載過程中的受力是比較復雜的，為了獲取圍壓盒的側向應力，假設：①圍壓盒材質均勻，側壁均勻受力；②圍壓盒邊角處在加壓過程中不發(fā)生位移或變形。因此，計算模型可簡化為兩端固定且受均布載荷的支撐梁。

由材料力學可知[16]，固支梁的撓度可表示為：

(1)

式中：ω為固支梁的撓度，m；q為試件加載過程中作用于圍壓盒側面的載荷，Pa；l為固支梁長度，m；E為圍壓盒材質(45#碳鋼)的彈性模量，Pa；I為圍壓盒變形過程的慣性矩，m4。

其中：

(2)

(3)

式中：b為荷載作用長度，m；h為材料厚度，m；ε為圍壓盒應變。

將式(1)～(3)聯(lián)立，并取圍壓盒受載長度為70 mm，圍壓盒壁厚為25 mm，側面中心位置的應變值E=210 GPa，可得：

q=8.25×1010ε

(4)

從而計算出梁中點處的載荷，即圍壓盒的側向應力為q。根據(jù)測量結果，可計算出側向應力與荷載的比值λ=q/p=0.1～0.3，即側向應力為垂直應力的0.1～0.3倍。

2.2.2煤樣實驗過程應變規(guī)律

A1，A3和A5煤樣在整個加載過程及打鉆過程中的側向應變曲線如圖4所示。

圖4　A1, A3, A5試樣應變曲線Fig.4　Strain curves of sample A1, A3, A5

由圖4可知，A1，A3，A5煤試樣在加載過程中，側向應變隨著加載時間的增加而增加，當試驗機進入保壓狀態(tài)后，側向應變也趨于穩(wěn)定。

打鉆過程中，A1煤試樣的側向應變基本維持不變(a，b)；A3和A5煤試樣的側向應變各有2次突然減小或經過短暫的增加后驟然減小(c～f)，與鉆孔噴孔事件相對應。以A5煤試件第二次噴孔為例，應變量驟然降低8με，側向應力降低0.6 MPa。

2.3　聲發(fā)射特征

2.3.1煤試件加載破壞過程的聲發(fā)射再現(xiàn)

煤巖試件破壞過程中伴隨著聲發(fā)射事件的發(fā)生，SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)通過3個以上的聲發(fā)射探頭即可定位1個聲發(fā)射事件的位置。

本次實驗中，通過在聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集軟件中構建與A1～A5煤試件同等大小的模型，再現(xiàn)了煤試件的破壞過程。A1～A5煤試件打鉆前后的聲發(fā)射事件立體圖如圖5所示。圖5中，四周較大的黑點表示傳感器探頭布置的位置，中間零星的點表示聲發(fā)射事件所在位置，點越密集，表示聲發(fā)射事件越多。

圖5　A1, A3, A5試件打鉆前后聲發(fā)射立體定位Fig.5　Acoustic emission stereo positioning of sample A1, A3, A5 before and after drilling

無論是打鉆前還是打鉆后，高加載應力條件下的煤試件聲發(fā)射事件更多(A5>A3>A1)。對于同一煤試件，打鉆后的聲發(fā)射事件均遠大于打鉆前，且加載應力越高，聲發(fā)射事件變化量越大(與鉆孔噴孔數(shù)相吻合)。從聲發(fā)射事件分布的空間位置來看，主要分布在試件的中上部，除鉆孔周圍比較密集外，每個試件也有呈條帶狀分布的區(qū)域。

2.3.2聲發(fā)射事件與載荷關系

煤試件在受載過程中的聲發(fā)射事件與載荷大小息息相關，如圖6～圖8。各煤試件在受載初期，聲發(fā)射事件個數(shù)和載荷增速相對較緩；隨后載荷增速變大，聲發(fā)射事件個數(shù)也迅速增加；當試件保壓后，聲發(fā)射事件個數(shù)也趨于穩(wěn)定；但打鉆過程差異明顯。

圖6　A1試件聲發(fā)射事件與載荷關系Fig.6　Relationship between AE event and load of sample A1

圖7　A3試件聲發(fā)射事件與載荷關系Fig.7　Relationship between AE event and load of sample A3

圖8　A5試件聲發(fā)射事件與載荷關系Fig.8　Relationship between AE event and load of sample A5

開始打鉆后，A1試件載荷略微降低，聲發(fā)射事件個數(shù)稍稍增加，總事件個數(shù)約4 000個。A3試件開始打鉆一段時間后，載荷迅速降低，發(fā)生第一次噴孔，聲發(fā)射事件個數(shù)迅速增加，后續(xù)發(fā)生的第二次噴孔以及A5試件的載荷與聲發(fā)射事件個數(shù)的關系與此類似。A3、A5試件聲發(fā)射事件總個數(shù)分別為6 000和8 500個，載荷越大，聲發(fā)射事件越多，越易出現(xiàn)噴孔現(xiàn)象。

2.3.3煤試樣噴孔的其他聲發(fā)射特征表征

煤試件加載過程中同時還伴隨著振鈴計數(shù)、能量、振幅等聲發(fā)射特征參數(shù)的變化。以A3煤試件為例，隨著加載時間的增加，聲發(fā)射振鈴計數(shù)、能量和振幅的數(shù)值均增大，尤其是在打鉆過程中出現(xiàn)的2次噴孔現(xiàn)象表現(xiàn)更為明顯(圖9)。A5煤試件與此類似，此處就不再贅述。

3　鉆孔噴孔機理探討

鉆孔噴孔是一種典型的小型動力現(xiàn)象，發(fā)生鉆孔噴孔現(xiàn)象的必要條件是三向高應力條件和鉆進擾動，發(fā)生鉆孔噴孔的臨界條件與煤巖體的物理性質和賦存條件有關。在高應力環(huán)境下，煤巖體所聚集的彈性能較大，內部大量微裂紋萌生、擴展和貫通，應力重新分布。打鉆擾動過程使原本處于三向應力狀態(tài)的煤巖體變成雙向甚至是單向受力狀態(tài)，在鉆孔周圍容易形成高應力集中區(qū)，該區(qū)域內圍巖的物理力學特性將發(fā)生變化。而在鉆進過程中，應力集中區(qū)將進一步演化，圍巖物理力學狀態(tài)隨著應力分布的變化而改變，當應力小于巖體強度，圍巖便處于彈塑性狀態(tài)，當應力大于巖體強度時，巷道周邊首先產生應力集中，達到一定程度后圍巖就由彈性狀態(tài)轉化為塑性狀態(tài)，在圍巖中形成塑性松動圈，從而使圍巖發(fā)生進一步的損傷，導致其承載力及穩(wěn)定性降低。當他超過圍巖屈服極限時，彈性應變能突然釋放，鉆孔壁和鉆孔前端煤體發(fā)生瞬間崩落，發(fā)生失穩(wěn)破裂，形成噴孔現(xiàn)象。

在實際礦井開采中，采掘空間周圍煤巖體在高應力和開采擾動作用下發(fā)生局部失穩(wěn)，使煤巖體拋向采掘空間，是鉆孔噴孔的宏觀動力現(xiàn)象，在井巷或回采工作面圍煤巖體內，以突然、急劇、猛烈破壞為特征，并通常伴有巨大聲響、煤體振動和沖擊波，若有瓦斯參與以上過程，將形成煤與瓦斯突出災害。在煤巖體強度較大和構造發(fā)育的區(qū)域，動力現(xiàn)象現(xiàn)象會更加劇烈。

4　結論

1) 鉆孔噴孔試驗是一種在實驗室條件下模擬礦井動力現(xiàn)象的可行方法，具有簡單易行、費用低廉的特點，可有效揭示動力災害所發(fā)生的應力條件。

2) 三向高應力環(huán)境是發(fā)生鉆孔噴孔的必要條件之一，加載壓力越大，煤試件的鉆屑量越多，頂鉆現(xiàn)象越明顯，鉆孔噴孔次數(shù)越多，鉆屑顆粒不均勻性程度增加。

3) 側向應力和聲發(fā)射是鉆孔噴孔的有效表征，隨著煤巖體所受載荷的不斷增大，對應的側向應力和聲發(fā)射事件也相應增大，一旦發(fā)生鉆孔噴孔，側向應力和聲發(fā)射也發(fā)生相應突變，側向應力與載荷大小均降低，聲發(fā)射事件數(shù)量增加。

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