单轴压缩状态下瓦斯抽采钻孔破裂规律的实验研究

张峰瑞，　肖福坤，2,　申志亮，　王一斐

(1. 黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室， 哈尔滨 150022 2. 七台河宝泰隆煤化工股份有限公司， 黑龙江 七台河 154600)



单轴压缩状态下瓦斯抽采钻孔破裂规律的实验研究

张峰瑞1，肖福坤1，2,申志亮1，王一斐1

(1. 黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室， 哈尔滨 150022 2. 七台河宝泰隆煤化工股份有限公司， 黑龙江 七台河 154600)

为研究瓦斯抽放钻孔对煤体破裂的影响，采用电液伺服岩石实验机分别对不同倾角瓦斯抽放钻孔原煤煤样和水平瓦斯抽放钻孔原煤煤样进行单轴压缩实验，分析钻孔周围煤体的破裂规律。结果表明：原煤煤样钻孔水平边界处出现应力集中现象，最先发生破坏。随着钻孔倾角的增大，钻孔煤体的单轴抗压强度有增大趋势，钻孔煤体更加趋于稳定，不易发生破坏。原煤煤样水平瓦斯抽放钻孔周围存在不同形式的裂隙，钻孔的破坏过程与破坏形态也不相同。该研究对提高瓦斯抽采效果具有指导意义。

瓦斯抽放； 钻孔倾角； 煤体破裂； 裂纹扩展

0　引　言

煤矿事故死亡人数在10人以上的重大事故中，有77%的死亡是由矿井瓦斯引起的，因此，煤矿瓦斯是引起煤矿事故的主要原因。目前，世界上还没有行之有效的煤矿瓦斯处理方式，较为常用的方法就是采前预抽瓦斯。我国的瓦斯抽采大部分是在煤层内抽采，抽采形式有上向、水平倾斜、垂直等，钻孔有顺层钻孔和穿层钻孔两种。抽采钻孔形成之后，由于开采扰动和矿山压力的变化，使得钻孔发生破裂，对瓦斯抽采和煤矿安全生产产生重要的影响。钻孔破裂成为瓦斯抽采的瓶颈，然而一些轻微的破坏，却又能够提高瓦斯抽采的效果。因此，研究瓦斯抽放钻孔煤体破裂规律对提高瓦斯抽采效率和瓦斯动力灾害的防治具有一定的指导意义。

目前，针对瓦斯抽放钻孔的研究文献尚不多见，尤其是深入瓦斯抽放钻孔的破坏形态方面。陈兴梗等[1-3]在多年的现场工作实践经验的基础上，查找影响孔壁稳定性的因素，分析孔壁稳定条件，结合现场的地质条件寻找合理的瓦斯抽采钻孔布置方位，从而减少瓦斯抽放钻孔破环的发生，增加成孔率。蔺海晓等[4-7]分别采用离散单元法的UDEC软件、有限单元法的FLAC软件以及RFPA软件对钻孔煤岩体的围岩应力场进行模拟计算。肖福坤等[8-9]开展了单轴和三轴含瓦斯抽放钻孔煤体的声发射特性实验，得到含瓦斯抽放钻孔煤体破坏过程的声发射规律。郤保平等[10-14]在实验室利用高温岩石三轴实验机研究了高温高压下钻孔花岗岩的变形破坏特征，并且得出了钻孔花岗岩的蠕变破坏规律，找到了钻孔花岗岩破坏的极限温度与荷载条件。

基于以上研究，笔者分别对不同倾角瓦斯抽放钻孔原煤和水平倾角瓦斯抽放钻孔原煤进行实验研究，研究不同倾角瓦斯抽放钻孔对煤体强度的影响，分析钻孔附近及整体破坏过程，对典型破坏形态进行分类，并分析钻孔附近的应力变化，以印证破坏形态，为现场瓦斯抽采提供理论指导。

1　实　验

1.1煤样制备

龙煤集团鹤岗分公司新兴煤矿1993年被鉴定为高瓦斯矿井，2009年11月21日发生特大煤与瓦斯突出事故。煤样取自该矿15煤层，煤体质软、易碎，含有较多的层理和裂隙。由于现场取回样品节理裂隙发育，采用取芯机制取的圆柱形标准试件极易断裂，不能满足标准要求，故依据GB 23561.7—2009《煤和岩石物理力学性质测定方法》，采用切割方式制取50 mm×50 mm×100 mm标准试样。按照煤体地质赋存情况，受载方向与节理方向垂直，切割首先采用双刀片100 mm标准距离与节理方向平行进刀，再进行双刀片50 mm标准距离与节理方向垂直进刀，旋转方向重复一次，粗糙试样加工完成，最后通过双端面磨平机将端面不平整度控制在0.02 mm以内。

1.2实验装置

实验设备采用吉林金力研制的高精度TYJ-500 kN微机控制电液伺服岩石流变实验系统，如图1所示。该装置由加载系统和采集系统两部分组成，加载装置是本机器动力源，采用进口控制阀，可进行开环、负荷、变形和位移等多种控制方式，采集系统包括压力传感器和引申计，压力传感器精度可达0.001 kN，位移传感器精度高达0.000 1 mm，且可在10 kHz高频下采样。实际情况下瓦斯抽放钻孔处于双向应力状态，一是孔的断面切线方向，一是孔的轴线方向。由于实验条件的限制，目前只能研究单轴压缩状态下瓦斯抽放钻孔煤体破裂状态，虽然只是单向加载，然而瓦斯抽放钻孔也是承受双向的力，上下两侧承受实验仪器的压力，左右两侧承受煤体压力，抽象地看单轴压缩实验中瓦斯抽放钻孔所受的力与实际情况是一样的。

图1　单轴压缩变形测试系统

1.3实验方法

1.3.1水平瓦斯抽放钻孔原煤实验

为了研究瓦斯抽放钻孔的破坏规律，采用原煤进行实验。由于实验试件的尺寸较小，钻孔位置布置和钻孔直径的确定十分关键。钻孔布置位置不同，就会受到不同端部效应的影响。钻孔直径过大，端部效应影响更加严重，因此，统一取钻孔直径为5 mm。为了减少端部效应的影响，在加工的50 mm×50 mm×100 mm方形煤柱的中心部位用钻机打出直径5 mm的水平钻孔，保证所有试件钻孔处于同一位置。为了保证实验数据的准确性和多变性，选取14个煤样进行单轴压缩实验，观察钻孔周围裂隙节理的扩展状况，研究钻孔的破坏规律。图2为部分原煤煤样。

图2　原煤钻孔煤样

1.3.2不同倾角瓦斯抽放钻孔原煤实验

为了研究不同倾角瓦斯抽放钻孔对煤体强度的影响，利用长钻头在原煤煤样上打上钻孔。为减少端部效应的影响，钻孔统一布置在煤样的中心部分，保证所有试件钻孔处于同一位置，钻孔直径为5 mm，钻孔的倾角分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。为了保证实验数据的准确性，每个角度的试样做三个。将试样放在刚性实验机上进行单轴压缩实验，取每种角度三个试样强度的平均值作为最后煤样的单轴抗压强度。

2　结果与分析

2.1煤样单轴压缩破环形态

原煤煤样单轴压缩破环形态如图3所示。

图3　原煤煤样单轴压缩破环形态

从图3可以看出，实验过程中钻孔纵向顶底边缘最先出现裂纹，发生破坏。这是由于在单向应力状态下，钻孔周边横向水平两侧边缘受压，纵向顶底边缘受拉，而煤样的抗拉强度小于抗压强度，因此，钻孔纵向顶底边缘最先发生破环。随着荷载的不断增加，裂纹向斜上下两个方向扩展，最终形成倾斜裂隙，裂隙与纵向大概呈30°夹角，破坏形式属于剪切破坏。

2.2煤样强度随倾角变化情况

钻孔煤样的单轴压缩强度σd变化曲线如图4所示。从图4可以看出，钻孔倾角为0°～75°时，煤样的单轴抗压强度随着钻孔倾角的增大，基本呈线性增大。没有钻孔时煤样的强度与有钻孔后煤样的强度相差很大，说明钻孔对煤样单轴抗压强度的影响较大。90°钻孔煤样的单轴抗压强度比0°～75°钻孔煤样的单轴抗压强度明显升高，但比没有钻孔时煤样的单轴抗压强度低。可以认为，90°钻孔只是改变了煤样的高径比，对煤样的单轴抗压强度有影响，但没有0°～75°钻孔对煤样强度的影响大。参考虎克布朗强度理论，分析无钻孔煤样和0°～75°钻孔煤样的强度，对数据进行线性回归分析得到如下线性公式：

(1)

式中：σθ——钻孔煤样强度,MPa;

θ——钻孔倾角,(°)；

图4　煤样强度随钻孔倾角的变化曲线

Fig. 4Variation graph of coal strength with borehole inclination

当然，对于具有不同成分、力学性质有差异的煤样，式(1)不足以描述钻孔煤样强度的复杂变化情况，但可以应用这种方法进行钻孔煤样的力学性质影响分析，寻找钻孔对煤样体强度的影响规律。

2.3裂隙钻孔破环情况

受开采扰动和运输等人为因素影响，从现场采集回来的煤样内部存在密集的节理裂隙，对煤的力学性质会产生很大的影响。如图2所示，在煤样上分布有各个方向的裂隙、节理，有的煤样内存在弱面，夹杂矸石。钻孔周围分布的不同形式的节理裂隙对钻孔强度的影响也不相同，在受力破坏过程中的破坏形态也会各式各样。比较典型的钻孔周边裂隙有纵向裂隙、水平方向裂隙、一定倾角的裂隙、弱面、多种倾角混合裂隙及弱面和裂隙六种。

文中就实验所遇到的纵向裂隙和弱面钻孔破环情况进行分析。

2.3.1纵向裂隙钻孔破坏情况

图5给出了纵向裂隙钻孔应力σ-应变ε曲线以及对应的钻孔裂隙扩展情况。如图5b中①所示,在初始压密阶段，钻孔上方有竖直方向裂隙，下方有与竖直方向成35°夹角裂隙。从图5b②裂隙扩展阶段可以看出，在钻孔左边与竖直方向成35°夹角的裂隙首先张开扩展，随后钻孔上方的竖直裂隙张开。钻孔左边有水平裂隙弱面的位置出现小块剥落，35°裂隙继续扩展至下方，与存在的一条竖直小裂隙接通，导致竖直小裂隙张开。随着加载的继续，竖直裂隙和35°裂隙的张开度增大，钻孔边界的剥落面积也不断增大。从图5b③、④可以看出，钻孔与裂隙出现瞬时贯通，曲线应力瞬时下掉。因此，煤样首先在35°裂隙处发生剪切破坏，随后竖直裂隙受拉应力而扩张，水平方向的裂隙弱面导致了煤面剥落。

a　应力-应变曲线

b　破环形态

2.3.2弱面钻孔破坏情况

如果钻孔周围存在一定角度的弱面，由于弱面的强度较低，在受力过程中会首先从弱面开始发生破坏。如图6b①所示，钻孔周围存在与竖直方向成25°夹角的弱面。从图6b②～⑤可以看出，在加载过程中钻孔边界沿着弱面的方向首先产生裂隙，随着载荷的增加裂隙逐渐扩展，最后沿着弱面产生滑移破坏。

弱面钻孔的轴向应力-应变曲线如图6a所示。由图6a可见，在形成图6b③形状的裂隙时，应力-应变曲线达到峰值，继续加载应力值在峰值上下波动，逐渐形成如图6b④形状的破坏，随着破坏的加剧，应力值急剧下降最后形成图6b⑤形式的破坏形态。

a　应力-应变曲线

b　破环形态

3　结　论

(1)随着瓦斯抽放钻孔倾角的改变，瓦斯抽放钻孔最先发生破坏的区域始终是在钻孔水平边界处。当钻孔发生破坏后，在水平钻孔边界处产生裂缝，分别向上下63°(煤样尖角)方向扩展，最终形成剪切滑移破坏。

(2)钻孔倾角在0°～75°之间煤样的单轴抗压强度随着钻孔倾角的逐渐增大基本呈线性增大，无钻孔煤样的强度与有钻孔煤样的强度相差很大，钻孔对煤样单轴抗压强度有很大影响。

(3)煤样水平钻孔周围分布不同方向裂隙，钻孔的破坏方式也不相同。如果钻孔边界有倾斜方向的裂隙，在受压破坏过程中与竖直方向成35°～50°夹角的裂隙会首先扩展，随后是竖直方向的裂隙，水平方向的裂隙不再发生扩展，而是在挤压之下，形成剥落离层。如果钻孔周围存在一定角度的弱面，在受力过程中首先从弱面开始发生破坏，钻孔边界会沿着弱面的方向首先产生裂隙，随着载荷的增加裂隙逐渐扩展，最后沿着弱面产生滑移破坏。

致谢：

该研究得到中国博士后科学基金面上项目(2014M561384)、黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室开放课题(F2313-01)、黑龙江科技大学硕士研究生创新科研项目(YJSCX2015-109HKD)的支持。

[1]陈兴梗. 大口径钻孔孔壁稳定性分析[J]. 海峡科学， 2010(3)： 36-38.

[2]梁运培. 地面采空区瓦斯抽放钻孔稳定性分析[J]. 煤矿安全， 2007(3)： 1-4.

[3]孙海涛. 地面瓦斯抽采钻孔变形破坏影响因素及防治措施分析[J]. 矿业安全与环保， 2010， 37(2)： 79-85.

[4]蔺海晓. 煤层钻孔周围应力场的分析与模拟[J].河南理工大学学报，2011， 30(2)： 137-144.

[5]孙泽宏. 深部软岩层钻孔变形失稳数值模拟及成孔方法研究[J].中州煤炭， 2011(7)： 13-17.

[6]姚向荣. 深部围岩遇弱结构瓦斯抽采钻孔失稳分析与成孔方法[J]. 煤炭学报， 2010， 35(12)： 73-81.

[7]宋卫华. 卸压(排放)钻孔破坏半径的数值模拟分析[J].辽宁工程技术大学学报， 2006， 25(S1)：13-15.

[8]肖福坤， 樊慧强,刘刚, 等. 三轴压缩下含瓦斯煤样破坏过程声发射特性研究[J]. 黑龙江科技学院学报， 2013， 23(1): 12-17．

[9]肖福坤，刘刚， 樊慧强, 等. 含瓦斯抽放钻孔煤样单轴压缩下破坏过程声发射特性试验研究[J]．煤矿开采， 2013， 18(2): 131-135．

[10]郤保平. 高温高压下花岗岩中钻孔变形规律实验研究[J]. 岩土工程学报， 2010， 32(2)： 253-258.

[11]郤保平. 高温高压下花岗岩中钻孔围岩的热物理及力学特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2010， 29(6)：1245-1253.

[12]郤保平. 高温静水应力状态花岗岩中钻孔围岩的流变实验研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2008， 27(8)： 1659-1666.

[13]赵阳生. 高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件研究[J]. 岩石力学与工程学报，2009， 28(5)： 865-874.

[14]冯子军. 高温4000m静水压力下钻进过程中花岗岩体变形特征[J].岩石力学与工程学报，2010，29(S1)：4108-4112.

(编辑荀海鑫)

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

中国博士后科学基金面上项目(2014M561384)

张峰瑞(1990-)，男，江苏省连云港人，硕士，研究方向：矿山压力与岩层控制，E-mail：15104585257@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.005

TD712

2095-7262(2016)01-0017-04

A