李　勝，楊鴻智，羅明坤，任延平

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0　引言

鉆孔噴孔試驗(yàn)方法是一種在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬開(kāi)采擾動(dòng)所引起的小規(guī)模礦井動(dòng)力災(zāi)害的有效研究手段。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者從不同角度對(duì)煤巖失穩(wěn)破壞規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探究礦井動(dòng)力現(xiàn)象[1-6]發(fā)生的機(jī)理和提供預(yù)測(cè)預(yù)警的判據(jù)。趙洪寶等[7]運(yùn)用MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)和PCI-2全數(shù)字聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)具有突出傾向性煤體的型煤試件進(jìn)行了單軸壓縮和循環(huán)加載過(guò)程中的聲發(fā)射試驗(yàn)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(yīng)力與縱波波速的耦合關(guān)系，建立了應(yīng)力與縱波波速之間的試驗(yàn)關(guān)系模型；段克信等[9]研究了鉆孔沖擊實(shí)驗(yàn)方法，并對(duì)鉆孔沖擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值分析；陳學(xué)華等[10]用RFPA軟件對(duì)煤樣鉆孔沖擊進(jìn)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(guò)程中的聲電效應(yīng)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(guò)進(jìn)行三軸條件下的鉆孔損傷沖擊試驗(yàn)?zāi)M，分析了煤損傷演化過(guò)程并對(duì)組合煤巖沖擊傾向性演化及聲電效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究；王曉南等[15]對(duì)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(biāo)間的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

目前對(duì)礦井動(dòng)力現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)室研究還存在一定的局限性，本文通過(guò)鉆孔噴孔試驗(yàn)研究深部條件下煤礦沖擊動(dòng)力現(xiàn)象，并且基于應(yīng)力、應(yīng)變、鉆屑量和聲發(fā)射等多參量進(jìn)行試驗(yàn)分析，揭示鉆孔噴孔規(guī)律。

1　鉆孔噴孔試驗(yàn)方法

1.1　試驗(yàn)系統(tǒng)研制

鉆孔噴孔試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括圍壓盒、傳力塊、YA-2000C微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)、DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)、SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)和鉆機(jī)(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(cè)向壓力；在圍壓盒的一個(gè)側(cè)面設(shè)計(jì)了一個(gè)直徑為20 mm的圓孔，用于向試件打鉆；通過(guò)在圍壓盒側(cè)面貼電阻應(yīng)變片，利用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)采集應(yīng)變量，從而獲取加載過(guò)程中的側(cè)向應(yīng)力；同時(shí)在圍壓盒側(cè)面布置4個(gè)聲發(fā)射探頭，利用SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)采集加載過(guò)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(yàn)系統(tǒng)能同時(shí)觀測(cè)鉆孔噴孔過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變、鉆屑量和聲發(fā)射等參數(shù)的變化規(guī)律。

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

1.2　試驗(yàn)煤樣性質(zhì)及制備

試驗(yàn)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(qiáng)度為16.28 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度為1.42 MPa，內(nèi)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(dòng)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(guò)巖石切割機(jī)切割、打磨得到，加工過(guò)程中盡量使煤樣的高度略小于70 mm，保證傳力塊在加載過(guò)程中能有效對(duì)準(zhǔn)煤樣，避免傳力塊與圍壓盒擠壓損壞試驗(yàn)裝置。本次試驗(yàn)共制備6個(gè)煤樣。

1.3　試驗(yàn)方案

測(cè)試方案：利用鉆孔噴孔試驗(yàn)系統(tǒng)分別按加載壓力為30，50，70 MPa對(duì)煤試件進(jìn)行非保壓加載，測(cè)試煤試件加載過(guò)程中的側(cè)向應(yīng)力、聲發(fā)射、鉆屑量、沖擊次數(shù)等參數(shù)，打鉆時(shí)間控制在30～50 s，每個(gè)壓力等級(jí)進(jìn)行2次測(cè)試。

測(cè)試步驟：(1) 將圍壓盒置于壓力機(jī)測(cè)試中心位置，并將制備好的煤樣放入圍壓盒，為保證測(cè)試過(guò)程中應(yīng)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(shí)，最后將傳力塊置于煤樣正上方；(2) 在圍壓盒左側(cè)和后側(cè)各布置一個(gè)電阻應(yīng)變片(圖1)，并將應(yīng)變片與DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)相連，信號(hào)采集頻率為5Hz；(3) 在圍壓盒的各個(gè)側(cè)面分別布置一個(gè)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(gòu)建試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的立體模型，設(shè)置聲發(fā)射采集參數(shù)，聲發(fā)射采集門(mén)限設(shè)為95 dB；(4) 按設(shè)定的加載壓力進(jìn)行非保壓加載，同時(shí)采集側(cè)向應(yīng)變、聲發(fā)射信號(hào)；當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后，在壓力機(jī)上進(jìn)行保壓，用電鉆開(kāi)始打鉆，打鉆深度控制在50 mm左右，記錄打鉆時(shí)間、沖擊聲響；(5) 打鉆結(jié)束后，停止各類(lèi)數(shù)據(jù)采集，收集鉆屑量，整理實(shí)驗(yàn)器材。

圖2　打鉆過(guò)程應(yīng)力變化與鉆孔噴孔時(shí)間Fig.2　Stress change during drilling and time of spray-drilling-hole

2　鉆孔噴孔試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　鉆孔噴孔現(xiàn)象特征和加壓過(guò)程分析

試驗(yàn)過(guò)程中，隨著打鉆時(shí)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(huì)出現(xiàn)瞬間卸載并伴有頂鉆的感覺(jué)和明顯聲響，聲響可傳至幾米到數(shù)十米遠(yuǎn)，而且噴孔加載壓力越大，頂鉆越明顯，聲響越強(qiáng)烈，卸載越多，沖擊強(qiáng)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(gè)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(shí)所鉆出煤屑粒度驟然增大，這與現(xiàn)場(chǎng)易發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害的構(gòu)造煤具有相似特征。說(shuō)明在發(fā)生噴孔現(xiàn)象時(shí)，由于壓力增加和擾動(dòng)而破壞的煤體，會(huì)在瞬間能量釋放的瞬間噴出，從試驗(yàn)角度很好的說(shuō)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(hào)加載壓力/MPa打鉆時(shí)長(zhǎng)/s鉆屑量/g聲響次數(shù)/次A1A230420.880320.720A3A450451.362431.253A5A670331.733311.822

2.2　側(cè)向應(yīng)力特征

2.2.1應(yīng)力計(jì)算方法

圍壓盒在加載過(guò)程中的受力是比較復(fù)雜的，為了獲取圍壓盒的側(cè)向應(yīng)力，假設(shè)：①?lài)鷫汉胁馁|(zhì)均勻，側(cè)壁均勻受力；②圍壓盒邊角處在加壓過(guò)程中不發(fā)生位移或變形。因此，計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為兩端固定且受均布載荷的支撐梁。

由材料力學(xué)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(guò)程中作用于圍壓盒側(cè)面的載荷，Pa；l為固支梁長(zhǎng)度，m；E為圍壓盒材質(zhì)(45#碳鋼)的彈性模量，Pa；I為圍壓盒變形過(guò)程的慣性矩，m4。

其中：

(2)

(3)

式中：b為荷載作用長(zhǎng)度，m；h為材料厚度，m；ε為圍壓盒應(yīng)變。

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

q=8.25×1010ε

(4)

從而計(jì)算出梁中點(diǎn)處的載荷，即圍壓盒的側(cè)向應(yīng)力為q。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，可計(jì)算出側(cè)向應(yīng)力與荷載的比值λ=q/p=0.1～0.3，即側(cè)向應(yīng)力為垂直應(yīng)力的0.1～0.3倍。

2.2.2煤樣實(shí)驗(yàn)過(guò)程應(yīng)變規(guī)律

A1，A3和A5煤樣在整個(gè)加載過(guò)程及打鉆過(guò)程中的側(cè)向應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4　A1, A3, A5試樣應(yīng)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(guò)程中，側(cè)向應(yīng)變隨著加載時(shí)間的增加而增加，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)入保壓狀態(tài)后，側(cè)向應(yīng)變也趨于穩(wěn)定。

打鉆過(guò)程中，A1煤試樣的側(cè)向應(yīng)變基本維持不變(a，b)；A3和A5煤試樣的側(cè)向應(yīng)變各有2次突然減小或經(jīng)過(guò)短暫的增加后驟然減小(c～f)，與鉆孔噴孔事件相對(duì)應(yīng)。以A5煤試件第二次噴孔為例，應(yīng)變量驟然降低8με，側(cè)向應(yīng)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(guò)程的聲發(fā)射再現(xiàn)

煤巖試件破壞過(guò)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(guò)3個(gè)以上的聲發(fā)射探頭即可定位1個(gè)聲發(fā)射事件的位置。

本次實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)在聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集軟件中構(gòu)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(guò)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(diǎn)表示傳感器探頭布置的位置，中間零星的點(diǎn)表示聲發(fā)射事件所在位置，點(diǎn)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(wú)論是打鉆前還是打鉆后，高加載應(yīng)力條件下的煤試件聲發(fā)射事件更多(A5>A3>A1)。對(duì)于同一煤試件，打鉆后的聲發(fā)射事件均遠(yuǎn)大于打鉆前，且加載應(yīng)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(lái)看，主要分布在試件的中上部，除鉆孔周?chē)容^密集外，每個(gè)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(guān)系

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

圖6　A1試件聲發(fā)射事件與載荷關(guān)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(guān)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(guān)系Fig.8　Relationship between AE event and load of sample A5

開(kāi)始打鉆后，A1試件載荷略微降低，聲發(fā)射事件個(gè)數(shù)稍稍增加，總事件個(gè)數(shù)約4 000個(gè)。A3試件開(kāi)始打鉆一段時(shí)間后，載荷迅速降低，發(fā)生第一次噴孔，聲發(fā)射事件個(gè)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(gè)數(shù)的關(guān)系與此類(lèi)似。A3、A5試件聲發(fā)射事件總個(gè)數(shù)分別為6 000和8 500個(gè)，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(guò)程中同時(shí)還伴隨著振鈴計(jì)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(shí)間的增加，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、能量和振幅的數(shù)值均增大，尤其是在打鉆過(guò)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(lèi)似，此處就不再贅述。

3　鉆孔噴孔機(jī)理探討

鉆孔噴孔是一種典型的小型動(dòng)力現(xiàn)象，發(fā)生鉆孔噴孔現(xiàn)象的必要條件是三向高應(yīng)力條件和鉆進(jìn)擾動(dòng)，發(fā)生鉆孔噴孔的臨界條件與煤巖體的物理性質(zhì)和賦存條件有關(guān)。在高應(yīng)力環(huán)境下，煤巖體所聚集的彈性能較大，內(nèi)部大量微裂紋萌生、擴(kuò)展和貫通，應(yīng)力重新分布。打鉆擾動(dòng)過(guò)程使原本處于三向應(yīng)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?chē)菀仔纬筛邞?yīng)力集中區(qū)，該區(qū)域內(nèi)圍巖的物理力學(xué)特性將發(fā)生變化。而在鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)力集中區(qū)將進(jìn)一步演化，圍巖物理力學(xué)狀態(tài)隨著應(yīng)力分布的變化而改變，當(dāng)應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度，圍巖便處于彈塑性狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力大于巖體強(qiáng)度時(shí)，巷道周邊首先產(chǎn)生應(yīng)力集中，達(dá)到一定程度后圍巖就由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，在圍巖中形成塑性松動(dòng)圈，從而使圍巖發(fā)生進(jìn)一步的損傷，導(dǎo)致其承載力及穩(wěn)定性降低。當(dāng)他超過(guò)圍巖屈服極限時(shí)，彈性應(yīng)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(shí)際礦井開(kāi)采中，采掘空間周?chē)簬r體在高應(yīng)力和開(kāi)采擾動(dòng)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(dòng)力現(xiàn)象，在井巷或回采工作面圍煤巖體內(nèi)，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(dòng)和沖擊波，若有瓦斯參與以上過(guò)程，將形成煤與瓦斯突出災(zāi)害。在煤巖體強(qiáng)度較大和構(gòu)造發(fā)育的區(qū)域，動(dòng)力現(xiàn)象現(xiàn)象會(huì)更加劇烈。

4　結(jié)論

1) 鉆孔噴孔試驗(yàn)是一種在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬礦井動(dòng)力現(xiàn)象的可行方法，具有簡(jiǎn)單易行、費(fèi)用低廉的特點(diǎn)，可有效揭示動(dòng)力災(zāi)害所發(fā)生的應(yīng)力條件。

2) 三向高應(yīng)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(cè)向應(yīng)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(duì)應(yīng)的側(cè)向應(yīng)力和聲發(fā)射事件也相應(yīng)增大，一旦發(fā)生鉆孔噴孔，側(cè)向應(yīng)力和聲發(fā)射也發(fā)生相應(yīng)突變，側(cè)向應(yīng)力與載荷大小均降低，聲發(fā)射事件數(shù)量增加。

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