李樹剛，劉思博，林海飛，雙海清，李磊明，于涵旭，羅榮衛(wèi)

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；3.煤炭行業(yè)西部礦井瓦斯智能抽采工程研究中心，陜西 西安 710054)

0 引 言

我國煤層瓦斯含量普遍較高，礦井瓦斯災害較為嚴重，目前鉆孔抽采是預防瓦斯突出的重要手段[1]。但是由于煤層瓦斯抽采鉆孔易變形、坍塌失穩(wěn)，大幅降低了瓦斯抽采效率，使得煤與瓦斯的高效共采難以順利實施[2-4]。

目前，已有眾多學者對瓦斯抽采鉆孔的穩(wěn)定特性進行了大量研究。在鉆孔變形失穩(wěn)的理論分析方面，劉春[5]建立了考慮孔隙流體滲流的鉆孔變形失穩(wěn)的線彈性模型，對鉆孔破壞的埋深效應、孔隙壓力效應及側壓系數(shù)效應進行深入研究。王振等[6]研究了孔底及孔壁的破壞形式，建立了鉆孔失穩(wěn)的力學模型。李松濤等[7]基于Hoke-Brown強度準則研究了鉆孔圍巖塑性區(qū)分布特征。文獻[8-10]通過研究鉆孔應力理論模型，探討鉆孔變形破壞機理。在鉆孔變形失穩(wěn)的物理試驗研究方面，楊偉東等[11]研究了鉆孔密封段煤-水泥異質結構的變形破壞特征。張英[12]依據(jù)鉆孔變形破壞特征，在現(xiàn)場采用孔口注漿固化、孔內(nèi)主動支護措施后，鉆孔抽采效果良好，穩(wěn)定性較高。高亞斌[13]采用雙軸加載試驗模式，通過聲發(fā)射事件數(shù)和能量研究了含孔試樣的損傷特征。李忠輝等[14]以松軟煤層鉆孔為研究對象，分析了瓦斯抽采鉆孔服役壽命周期特征及其破壞規(guī)律。張飛燕等[15]通過數(shù)值模擬分析了煤層鉆孔變形破壞特征，發(fā)現(xiàn)鉆孔主要以剪切破壞為主。

以上研究表明，大多數(shù)學者研究了單調加載下瓦斯抽采鉆孔的變形破壞特征，對采動影響下抽采鉆孔應力的動態(tài)變化特征考慮較少，而采動條件下工作面前方煤體受到周期性載荷作用[16-17]，因此需進一步研究循環(huán)載荷條件下鉆孔失穩(wěn)機理。筆者開展了含鉆孔型煤試件的單調加載和分級循環(huán)加卸載試驗，通過數(shù)字散斑技術(XTDIC)研究單軸壓縮過程中試樣的裂紋、變形局部化帶位移及孔周位移演化規(guī)律，有助于揭示采動影響下瓦斯抽采鉆孔的失穩(wěn)破壞機制。

1 分級循環(huán)加卸載試驗方案設計

1.1 試樣制備

試驗煤樣選自貴州青龍煤礦11813工作面，破碎后篩選粒徑為0.425～1.000 mm的煤粉，加腐植酸鈉、水(煤粉、腐植酸鈉、水的質量比為8∶2∶1)調制成具有一定黏性的混合材料，利用高低頻沖擊儀進行制樣，加載速率為0.05 mm/s，加載至120 kN時保持穩(wěn)壓狀態(tài)10 min，試樣長寬高均為70 mm，制作按照GB/T 23561.7—2009《煤和巖石物理力學性質測定方法》嚴格執(zhí)行。成型后，試樣在養(yǎng)護箱放置7～14 d，設置溫度25 ℃，濕度60%。

1.2 分級循環(huán)加卸載試驗設備

1.2.1 DYD-10電子萬能試驗機

筆者通過自行研制的DYD-10電子萬能試驗機進行單軸壓縮試驗，加載系統(tǒng)可選擇多種控制方式，如開環(huán)、負荷、變形和位移等，試驗采用加載速率為0.5 mm/min的位移控制加載系統(tǒng)，試驗機加載過程中可自動采集時間、軸向載荷、位移等數(shù)據(jù)。

1.2.2 XTDIC系統(tǒng)

XTDIC系統(tǒng)將數(shù)字圖像相關技術(DIC)與雙目立體視覺技術相結合，基于試樣表面設置的種子點，通過追蹤加載過程中的散斑點，實現(xiàn)試樣不同加載狀態(tài)的變形測量，XTDIC監(jiān)測如圖1所示。

圖1 XTDIC監(jiān)測示意Fig.1 Schematic of XTDIC monitoring

1.3 分級循環(huán)加卸載試驗方案

試驗開始前，先對試樣表面進行散斑布點，然后將電子萬能試驗機及XTDIC系統(tǒng)同步開啟進行試驗，試驗結束后同時停止，試樣加載路徑如圖2所示，其中O為試樣初始加載點，A、C、E、G、I、K為每次循環(huán)的加載頂點，B、D、F、H、J、L為每次循環(huán)的卸載低點，M、N為穩(wěn)壓打鉆階段的起始點與終止點。

圖2 試樣加載路徑Fig.2 Specimen loading path

預設穩(wěn)壓壓力(MN段)為本試驗含鉆孔型煤試件線彈性階段初期應力[18](試驗結果約0.5 kN)，穩(wěn)壓3 min，穩(wěn)壓期間內(nèi)在試樣中心進行鉆孔，鉆孔傾角0°，直徑5 mm，然后按照圖2加載路徑進行加載試驗。設置第1次循環(huán)的加載峰值為單調加載試樣的線彈性階段應力(1.5 kN)，并根據(jù)試樣的單軸抗壓強度，設置6個卸載點，有6個卸載點既能充分了解試樣各階段的變形破壞特征，又能夠盡量減小分級加卸載的次數(shù)。在工程實踐中，煤巖體在周期荷載作用下的每次加載應力峰值有所不同，如果加載應力峰值比前一次小，則煤巖體產(chǎn)生的損傷可以忽略不計，所以采用應力不斷遞增的分級加卸載方式更符合工程實際[19]，試驗設計每次循環(huán)比上次循環(huán)應力峰值遞增0.5 kN，同時為保證DYD-10電子萬能試驗機保持穩(wěn)定及試驗數(shù)據(jù)的連續(xù)性，試樣每次循環(huán)加載至峰值載荷后，均卸載至1 kN。

2 分級循環(huán)加卸載試驗結果

2.1 不同加載路徑下試樣強度特征

根據(jù)試驗方案對含鉆孔型煤試樣進行壓縮試驗，得到試樣應力應變曲線在不同加載路徑下的結果如圖3所示。

圖3 不同加載路徑下的應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curves for different loading paths

由圖3可知，與單調加載試樣相比，分級循環(huán)加卸載路徑下試樣抗壓強度由1.002 MPa減小至0.956 MPa，減小幅度為4.59%。循環(huán)加卸載條件下，理想彈塑性狀態(tài)下試樣應力應變曲線同步對應，但由于試樣自身存在大量的微結構，在加載過程中應力應變曲線不完全對應，并形成滯回環(huán)，如圖3b所示。試樣加載過程中產(chǎn)生的變形包括不可逆變形、彈性變形，在卸載階段試樣彈性變形可恢復，而不可逆變形會對試樣造成永久性的損傷，因此分級循環(huán)加卸載路徑下試樣抗壓強度減小。

2.2 不同加載路徑下的裂紋演化規(guī)律

2.2.1 單調加載煤體裂紋演化

通過XTDIC系統(tǒng)對鉆孔周圍裂紋發(fā)生顯著變化且有代表性的圖像處理，得到單調加載路徑下不同應力狀態(tài)試樣的裂紋演化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知，軸向應力為0.101 MPa時，試樣內(nèi)部原生裂隙壓實閉合，表面發(fā)生微小變形，無明顯應變集中帶出現(xiàn)；軸向應力為0.277 MPa時，鉆孔施工完成，上部出現(xiàn)1條剪切裂紋，下部出現(xiàn)1條拉伸裂紋；軸向應力為0.592 MPa時，鉆孔上部剪切裂紋、下部拉伸裂紋向外延伸，同時鉆孔左上方有微小的遠場裂紋產(chǎn)生，左下方新增1條剪切裂紋；峰值應力時刻，鉆孔右下方新增1條剪切裂紋，左上方微小的遠場裂紋演變?yōu)榕c鉆孔貫通的剪切裂紋；最終破壞時刻，鉆孔右側遠場裂紋持續(xù)發(fā)育并迅速貫通試樣邊界，鉆孔下方2條剪切裂紋延伸至試樣底部使試樣發(fā)生結構性失穩(wěn)破壞，強度失效，試樣破壞模式屬于以剪切破壞為主的拉剪復合破壞，破壞形狀呈“X”狀。

圖4 單調加載路徑下試樣裂紋演化Fig.4 Crack evolution of specimen under monotonic loading path

2.2.2 分級循環(huán)加卸載煤體裂紋演化

為分析循環(huán)加卸載過程中煤體裂紋演化規(guī)律，對圖2中試樣典型受力狀態(tài)進行標識，根據(jù)標識狀態(tài)分析試樣裂紋演化，結果如圖5所示。

圖5 分級循環(huán)加卸載路徑下試樣裂紋演化規(guī)律Fig.5 Crack evolution of specimens under multistage cyclical loading-unloading paths

由圖5可知，含孔試樣在標識點M時，此時試樣未施工鉆孔，處于壓密階段，在壓縮過程中存在局部變形，變形整體較?。辉跇俗R點N時，此時鉆孔施工完成，打破原有的應力平衡狀態(tài)，使鉆孔周圍出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，表現(xiàn)為鉆孔周圍變形增大，上部出現(xiàn)2條微小剪切裂紋，下部出現(xiàn)1條拉伸裂紋，裂紋整體較小。在標識點A時，試樣處于第1次循環(huán)加載峰值狀態(tài)，鉆孔周圍原有的3條微小裂紋緩慢發(fā)育，由于此時應力較低，試樣表面沒有新生裂紋出現(xiàn)。在標識點B時，試樣表面裂紋無明顯變化。直至標識點G處，此時試樣處于第4次循環(huán)加載峰值狀態(tài)，應力相對較高，在鉆孔下部出現(xiàn)3條微小的遠場裂紋。在標識點L處，試樣表面多條裂紋持續(xù)發(fā)育擴展。在峰值應力時刻，鉆孔下部遠場裂紋與鉆孔貫通，裂紋發(fā)育擴展速度較快。在最終破壞時刻，鉆孔左上方剪切裂紋與左側貫穿試樣表面的遠場裂紋貫通，致使試樣強度驟減，遭到破壞。

綜上分析，試樣首先在鉆孔上、下方產(chǎn)生與鉆孔貫通的初始裂紋，隨后產(chǎn)生距鉆孔較遠的遠場裂紋，在峰值應力時刻，遠場裂紋擴展速度加快，與鉆孔兩側的剪切裂紋貫通，形成宏觀破裂帶，從而導致整個試樣破壞，宏觀破裂帶以拉伸型破壞為主，剪切型破壞為輔，鉆孔周圍破壞呈“X”狀。

3 不同加載路徑下煤體位移演化特征

XTDIC系統(tǒng)通過采集不同加載時刻試樣表面的散斑圖像，與加載前標定的圖像進行對比分析，隨后通過一系列的計算能夠獲得試樣表面位移演化特征。

3.1 局部化帶位移演化分析

3.1.1 虛擬引伸計

由于從XTDIC系統(tǒng)監(jiān)測的位移場中無法直接獲得裂紋起裂時間及張開錯動位移值，為深入研究裂紋演化規(guī)律，筆者采用“虛擬引伸計”處理XTDIC數(shù)據(jù)，這種方法與傳統(tǒng)的引伸計原理相似，但不需要在試樣表面布置傳感器[20]。首先，通過XTDIC處理圖像得到試樣不同加載時刻對應的變形特征；其次，根據(jù)應變場中應變集中帶定位裂紋位置。最后，根據(jù)研究需要確定“安裝”引伸計的位置。

“虛擬引伸計”計算原理如圖6所示，通過在裂紋垂直方向兩側對稱布置2個測點，根據(jù)XTDIC監(jiān)測結果計算可得到裂紋張拉、錯動位移，公式為

(1)

式中：δ1、δ2分別為裂紋張開量、錯動量；u1、u2為測點x方向位移；v1、v2為y方向位移；θ為x軸與測點連線的夾角。

圖6 虛擬引伸計計算原理Fig.6 Principle of virtual extensometer calculation

不同加載路徑下試樣峰值應力時刻對應的裂紋形態(tài)如圖7所示，筆者選取與鉆孔貫通的裂紋進行局部化帶位移演化分析，并規(guī)定張開位移量以張為正，壓為負。同時，為使試樣錯動位移在同一象限內(nèi)，便于比較[21]，文中規(guī)定局部化帶a、d、e、h以順時針方向錯動為正，局部化帶b、c、f、g以逆時針方向錯動為正。

圖7 不同加載路徑下試樣峰值應力時刻裂紋形態(tài)Fig.7 Crack pattern at moment of peak stress in specimen under different loading paths

3.1.2 局部化帶位移演化分析結果

按照上述分析方法對不同加載路徑下試樣的局部化帶位移進行分析，結果如圖8、圖9所示。

圖8 單調加載過程局部化帶位移演化曲線Fig.8 Displacements of localization bands evolution curves during monotonic loading

由圖8可知，單調加載試樣張拉位移、錯動位移均隨著時間的增長而增大。局部化帶b、d張拉位移在加載初期相對較大，位移增長速度快，通過分析裂紋演化特征發(fā)現(xiàn)局部化帶b、d出現(xiàn)較早。局部化帶a、c張拉位移分別在347、455 s時增長速度加快，表明局部化帶a、c在此刻形成。綜合分析發(fā)現(xiàn)局部化帶c錯動位移值最大，局部化帶b張拉位移值最大，是導致鉆孔失穩(wěn)的主要因素。

圖9 分級循環(huán)加卸載過程局部化帶位移演化曲線Fig.9 Displacements of localization bands evolution curves during multistage cyclical loading-unloading

由圖9可知，局部化帶g在穩(wěn)壓階段完成鉆孔施工后張拉位移迅速增長，局部化帶h在前3個循環(huán)加卸載過程中張拉位移增長較小，自第4個循環(huán)開始，增長速度較快。

通過對圖5試樣裂紋演化規(guī)律分析發(fā)現(xiàn)，局部化帶g在鉆孔施工完成后可明顯監(jiān)測到，而此時局部化帶e、f相對不明顯，局部化帶h直至第4次循環(huán)才被監(jiān)測到。通過對比試樣不同時刻裂紋演化發(fā)現(xiàn)，峰值應力時刻試樣表面裂紋發(fā)育程度加快，此時對應的錯動位移、張拉位移增長迅速。

試樣加載、卸載階段局部化帶位移演化在時間尺度上均滯后于應力變化，這主要是因為試樣的非均質特性，并且內(nèi)部存在諸多微結構，試樣加載過程中內(nèi)部微結構發(fā)生接觸黏合、黏滑摩擦等造成局部化帶位移滯后于應力變化[21]。

綜上分析，試樣在加載頂點與卸載低點的張拉、錯動位移隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，局部化帶位移演化曲線總體上呈現(xiàn)波動上升，并且在時間上滯后于應力變化。

3.2 孔周位移演化分析

為進一步定量化分析試樣加載過程中鉆孔周圍位移演化特征，在鉆孔上方、下方及左側分別布置3個測點，如圖10所示。

圖10 測點布置Fig.10 Arrangement of measurement points

不同加載路徑下試樣測點位移演化曲線如圖11所示，在初始加載階段，不同加載路徑下試樣表面各測點位移變化較大，主要是因為此時試樣所受應力較小，內(nèi)部存在原始微小裂隙被壓密。在穩(wěn)壓階段，試樣測點位移增長緩慢。隨著加載應力進一步增大，單調加載路徑下試樣各測點位移呈線性增長，臨近破壞時刻，位移值突增。分級循環(huán)加卸載路徑下試樣在卸載階段，測點位移變化較小，有輕微的恢復現(xiàn)象，最大恢復量為0.149 mm，位移隨時間增長表現(xiàn)為“臺階式”遞增現(xiàn)象。綜合分析發(fā)現(xiàn)不同加載路徑下各位移測點層位越高，加載過程中相同時刻的位移值越大。

圖11 不同加載路徑下試樣測點位移曲線Fig.11 Displacement curves of specimen measurement points under different loading paths

4 結 論

1)與單調加載試樣相比，分級循環(huán)加卸載路徑下試樣抗壓強度由1.002 MPa減小至0.956 MPa，減小幅度為4.59%。

2)分級循環(huán)加卸載路徑下，含鉆孔試樣的最終破壞是由遠場裂紋與鉆孔兩側的剪切裂紋貫通形成宏觀破裂帶導致，破壞模式為拉剪復合破壞，破壞形態(tài)呈“X”狀。

3)試樣在加載頂點與卸載低點的張拉、錯動位移隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，位移演化曲線總體上呈現(xiàn)波動上升趨勢，并且在時間上滯后于應力變化。

4)不同加載路徑下位移測點層位越高，加載過程中相同時刻的位移值越大。分級循環(huán)加卸載路徑下試樣在卸載階段，測點位移變化較小，有輕微的恢復現(xiàn)象，最大恢復量為0.149 mm，位移隨時間增長表現(xiàn)為“臺階式”遞增現(xiàn)象。