孔維庫, 陳陸望, 李蕊瑞, 任星星

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

鉆孔,尤其是豎直/垂直鉆孔,被廣泛應(yīng)用于巖土和地質(zhì)行業(yè)。隨著鉆頭向深部鉆進(jìn),圍巖原位地應(yīng)力增加,在孔壁處出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力超過巖體屈服強(qiáng)度時,鉆孔圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài),開始產(chǎn)生塑性變形,裂紋開始發(fā)育[1]。隨著深度增加,塑性區(qū)范圍和塑性變形不斷增大,圍巖持續(xù)破壞,其穩(wěn)定性降低。這將可能造成塌孔、卡鉆、擠毀套管等工程事故,導(dǎo)致鉆孔報廢,造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。近年來,隨著鉆探工程的施工深度逐漸加大,相關(guān)工程事故多有發(fā)生。因此，研究鉆孔圍巖的破壞機(jī)理及動態(tài)發(fā)育過程對于預(yù)測、評價深部鉆孔圍巖穩(wěn)定性和減少工程損失顯得尤為重要。

針對鉆孔圍巖穩(wěn)定性問題,研究者通過現(xiàn)場探測、室內(nèi)試驗、理論分析和數(shù)值模擬等方法進(jìn)行了大量研究。

理論方面,主要是基于不同假設(shè)和一些常用屈服準(zhǔn)則,如MohrCoulomb準(zhǔn)則[1,4]、Drucker-Prager準(zhǔn)則[5-6]和統(tǒng)一強(qiáng)度理論[3-7]的圍巖彈塑性解;還有研究進(jìn)一步考慮圍巖的損傷、應(yīng)變軟化等效應(yīng),建立了更具有針對性的圍巖彈塑性模型[8-11]。數(shù)值模擬方面,通過設(shè)置不同應(yīng)力加載條件,對鉆孔圍巖的應(yīng)力和位移等變化規(guī)律進(jìn)行模擬研究,發(fā)現(xiàn)孔周應(yīng)力及位移隨深度增加呈現(xiàn)出冪指數(shù)關(guān)系,且鉆孔圍巖破壞形式以剪切破壞為主;同時對一些影響鉆孔圍巖穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了研究分析[12-18]。相關(guān)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性主要取決于是否選擇能準(zhǔn)確描述圍巖力學(xué)性質(zhì)的本構(gòu)模型,從而求解圍巖應(yīng)力-應(yīng)變特征和塑性區(qū)發(fā)育范圍等。需要指出的是,巖石材料在應(yīng)力達(dá)到峰值后,隨著變形的繼續(xù)增加,其強(qiáng)度將下降至較低的水平,進(jìn)而發(fā)生明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象[19]。針對巖石這一特性,研究者通過試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬等方法研究了圍巖的穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn),相較于以往把巖石強(qiáng)度當(dāng)成常數(shù)的方法,應(yīng)變軟化模型更符合圍巖力學(xué)特征[11,20-23]。

試驗方面,通過研究中間主應(yīng)力對鉆孔圍巖變形和強(qiáng)度性質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)隨著中間主應(yīng)力系數(shù)增大,圍巖強(qiáng)度先增大后減小,并基于修正Lade準(zhǔn)則分析了塑性區(qū)的發(fā)育特性[24-25];通過研究高溫高壓下花崗巖鉆孔圍巖的變形失穩(wěn)和力學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)不同埋深下,圍巖變形經(jīng)過了微弱階段、快速增長階段和平穩(wěn)階段[26-27];通過模擬煤層鉆進(jìn)過程,得出不同試驗條件下的孔周應(yīng)力變化及孔壁、孔底破壞特征[28]?，F(xiàn)場探測方面,超聲波探測法、鉆孔觸探法及鉆孔剪切法等[29]能夠較為直觀準(zhǔn)確測得圍巖原位強(qiáng)度,可為圍巖穩(wěn)定性評價提供可靠的參數(shù)。此外鉆孔電視作為一種可視化技術(shù),可直觀地獲得圍巖的完整性、裂隙發(fā)育及破壞情況,在圍巖穩(wěn)定性分析及評價中得到廣泛應(yīng)用[30-32]。

這些研究手段各有優(yōu)點,但也都具有一定的局限性。理論分析和數(shù)值模擬手段往往基于諸多假設(shè),并把復(fù)雜的原位地質(zhì)條件進(jìn)行簡化;模擬試驗不一定能真實反映實際工程中復(fù)雜的鉆孔圍巖條件;現(xiàn)場探測成本較高且無法在施工前進(jìn)行預(yù)測。以往圍巖穩(wěn)定性的研究往往采取單一方法,未能將多種手段結(jié)合綜合研究鉆孔圍巖穩(wěn)定性問題,研究結(jié)果相對較為片面。此外現(xiàn)有的研究多集中于討論特定應(yīng)力條件下圍巖的破壞,不能很好地表現(xiàn)鉆頭鉆進(jìn)這一動態(tài)施工過程中應(yīng)力條件改變下的圍巖破壞過程。

結(jié)合已有的研究手段和研究成果,本文從鉆孔物理模型試驗出發(fā),根據(jù)圍巖材料在應(yīng)力達(dá)到峰值后承載能力大幅下降這一特性,采用FLAC3D中的應(yīng)變軟化模型進(jìn)行數(shù)值模擬,研究地下均勻應(yīng)力場中豎直鉆孔鉆進(jìn)過程的圍巖破壞機(jī)理,揭示隨載荷增加過程中圍巖不同塑性變形階段特征,并與淮北青東礦839工作面鉆孔電視觀測結(jié)果進(jìn)行對比驗證。研究旨在為地下鉆孔工程順利施工,降低工程損失提供一定的參考。

1 物理模型試驗

1.1 物理模型試件

圍巖的力學(xué)特征分析是開展數(shù)值模擬研究的前提,因此需要對圍巖主要力學(xué)參數(shù)進(jìn)行合理賦值。本研究團(tuán)隊前期選用石英砂、石膏、水泥、水等配制了相應(yīng)的物理模型材料,并開展了大量力學(xué)加載試驗研究,進(jìn)而獲得了材料的相關(guān)力學(xué)參數(shù)[33-34]。鑒于此,本次模擬選擇該物理模型材料作為目標(biāo)圍巖,模擬過程中涉及到圍巖的力學(xué)參數(shù)主要包括彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。分析材料的巖石單軸壓縮試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。單軸抗壓強(qiáng)度σc選取軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值,即σc=8.43 MPa;彈性模量E選取σc/2處軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率,即E=2.5 GPa;泊松比μ選取σc/2處徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值,即μ=0.21。此外,由劈裂試驗得到材料的抗拉強(qiáng)度σt=0.75 MPa。物理模型材料的制作及力學(xué)加載試驗結(jié)果詳見文獻(xiàn)[33]。

圖1 模型材料單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

用上述物理模型材料制作尺寸為800 mm×800 mm×200 mm(長×寬×厚)、中心φ160 mm的鉆孔物理模型試件,并在中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所大型真三軸模型試驗機(jī)上開展平面應(yīng)變模型試驗,如圖2所示。在鉆孔模型試件四周(即圖2中試件上下左右4個面)施加相同大小的荷載,以模擬地下均勻應(yīng)力場。試驗荷載從2.50 MPa開始加載,以0.18 MPa/min的速度增加,從而模擬豎直鉆孔鉆進(jìn)過程中隨天然應(yīng)力增加條件下圍巖的破壞過程。在整個試驗加載過程中對模型孔壁進(jìn)行內(nèi)窺攝影觀測。物理模型試驗流程參見文獻(xiàn)[33-34]。

圖2 鉆孔模型試件及真三軸試驗機(jī)

1.2 試驗過程及結(jié)果

試驗過程的鉆孔內(nèi)窺攝影照片如圖3所示。由圖3可知:當(dāng)試驗應(yīng)力加載到3.88 MPa時,孔壁左上角出現(xiàn)肉眼可見的微小裂紋,這表明圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài),產(chǎn)生了塑性變形;在3.94 MPa時,孔壁裂紋迅速擴(kuò)展,貫通到整個孔壁,且伴隨著一定的碎片剝離;之后的一段應(yīng)力范圍內(nèi),圍巖未表現(xiàn)出新的破壞特征,破壞過程出現(xiàn)相對穩(wěn)定期;然而當(dāng)應(yīng)力加載至4.44 MPa時,圍巖突發(fā)顯著破壞,裂紋快速擴(kuò)張,孔壁大范圍內(nèi)出現(xiàn)碎屑和碎塊的崩塌、垮落;之后應(yīng)力加載至4.88 MPa的過程中,圍巖未發(fā)生明顯破壞,破壞過程再次進(jìn)入相對穩(wěn)定期。

圖3 不同應(yīng)力下模型試驗鉆孔壁破壞內(nèi)窺攝影照片

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

根據(jù)圖1的物理模型材料室內(nèi)單軸試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線,應(yīng)力達(dá)到峰值后,模型材料承載能力迅速降低。這表明隨著塑性應(yīng)變的增加,模型材料將發(fā)生顯著的應(yīng)變軟化效應(yīng)。因此可選取FLAC3D中的應(yīng)變軟化模型模擬鉆孔圍巖的破壞過程。該模型是基于與剪切流動法則不相關(guān)聯(lián)而與拉力流動法則相關(guān)聯(lián)的MohrCoulomb模型,圍巖塑性屈服后,黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、剪脹角γ

和抗拉強(qiáng)度σt發(fā)生弱化[35]。

為得到相關(guān)計算參數(shù),首先通過數(shù)值試驗確定模型材料強(qiáng)度參數(shù)隨塑性應(yīng)變?nèi)趸木€性關(guān)系?；谑覂?nèi)試驗基本參數(shù),采用應(yīng)變軟化模型進(jìn)行單軸壓縮數(shù)值試驗,得到了與室內(nèi)單軸試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似性較高的數(shù)值試驗曲線。選取此時的強(qiáng)度參數(shù)c、φ、γ與剪切軟化參數(shù)εps、σt與拉伸軟化參數(shù)εpt的關(guān)系作為數(shù)值模型的計算參數(shù)[36],如圖4所示。

由圖4可知,當(dāng)塑性應(yīng)變超過0.1,圍巖強(qiáng)度便下降為殘余強(qiáng)度值。

圖4 應(yīng)變軟化模型計算參數(shù)

數(shù)值模型的幾何尺寸、邊界條件及加載條件與物理模型試驗一致,模型及網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 數(shù)值模型及其網(wǎng)格劃分

2.2 模擬結(jié)果

模擬得到應(yīng)力增加過程中鉆孔圍巖單元塑性區(qū)的發(fā)展過程如圖6所示。

從圖6可以看出：應(yīng)力為3.88 MPa時,圍巖已進(jìn)入塑性狀態(tài),孔壁周圍出現(xiàn)較小范圍塑性區(qū),結(jié)合物理模型試驗過程中圍巖的破壞特征,這一階段可稱之為塑性變形初始階段;應(yīng)力從3.88 MPa到3.94 MPa的低幅度增加過程中,圍巖單元的塑性區(qū)擴(kuò)展較快,范圍明顯增加,稱之為塑性變形敏感階段;此后應(yīng)力到4.38 MPa的過程中,塑性區(qū)發(fā)展緩慢,變化不大,稱之為塑性變形穩(wěn)定階段;當(dāng)應(yīng)力達(dá)到4.44 MPa時,圍巖塑性區(qū)再次迅速擴(kuò)展,范圍顯著增大,具有明顯的突發(fā)性,稱之為塑性變形突發(fā)階段;而后應(yīng)力增加過程中,塑性區(qū)發(fā)展卻表現(xiàn)為速度減緩,增大不明顯,可稱之為塑性變形后期緩增階段。

從圖6的模擬結(jié)果可以看出,鉆孔圍巖單元主要處于shear-p(過去剪切)和shear-n(現(xiàn)在剪切)狀態(tài),因此剪切破壞是鉆孔圍巖的主要破壞形式。

圖6 數(shù)值模擬圍巖單元塑性區(qū)發(fā)展過程

數(shù)值模擬得到的各應(yīng)力下圍巖單元塑性區(qū)體積變化如圖7所示。

由圖7中各段折線斜率可看出,圍巖單元塑性區(qū)體積的變化并不是隨應(yīng)力增加而線性增加的。

塑性變形初始階段(應(yīng)力為3.88 MPa),圍巖開始出現(xiàn)塑性區(qū);塑性變形敏感階段(應(yīng)力為3.94 MPa),塑性區(qū)體積在較短應(yīng)力增幅內(nèi)增長較快;塑性變形穩(wěn)定階段(應(yīng)力為4.38 MPa),塑性區(qū)體積在較長應(yīng)力范圍內(nèi)增長較緩;塑性變形突發(fā)階段(應(yīng)力為4.44 MPa),塑性區(qū)體積在較短應(yīng)力增幅內(nèi)迅速增加;塑性變形后期緩增階段(應(yīng)力為4.88 MPa),塑性區(qū)體積在較長應(yīng)力范圍內(nèi)增長緩慢。

圖7 數(shù)值模擬圍巖單元塑性區(qū)體積變化

由圖4可知,當(dāng)圍巖塑性應(yīng)變大于0.1,其強(qiáng)度下降為殘余強(qiáng)度值,這一區(qū)域稱之為殘余區(qū)[5-24]。模擬可進(jìn)一步得到應(yīng)力增加過程中,鉆孔圍巖單元殘余區(qū)的發(fā)展過程,如圖8所示。

圖8 數(shù)值模擬圍巖單元殘余區(qū)發(fā)展過程

在經(jīng)歷較長的塑性變形發(fā)展后,圍巖在塑性變形穩(wěn)定階段后(應(yīng)力為4.38 MPa)開始出現(xiàn)未連通的殘余區(qū);并且在塑性變形突發(fā)階段(應(yīng)力為4.44 MPa),殘余區(qū)迅速擴(kuò)展貫通,且范圍明顯增加;在之后較長的塑性變形后期緩增階段(應(yīng)力為4.88 MPa)，圍巖殘余區(qū)發(fā)展緩慢,變化并不明顯。

2.3 模擬結(jié)果對比及分析

采取圍巖應(yīng)變軟化模型得到的數(shù)值模擬結(jié)果,清晰地展現(xiàn)了鉆孔圍巖塑性區(qū)、殘余區(qū)的發(fā)展變化過程,從塑性應(yīng)變的角度定量地表現(xiàn)了鉆孔圍巖的破壞過程,較好地對應(yīng)了物理模型試驗中定性描述的圍巖破壞過程。

從圖3可以看出,物理模型試驗中,應(yīng)力達(dá)到4.44 MPa時,圍巖較大范圍出現(xiàn)碎屑和碎塊,破壞程度突增,但在其他應(yīng)力過程中,圍巖整體的破壞程度變化并不是很明顯。在圍巖塑性區(qū)中,殘余區(qū)的塑性應(yīng)變最大,其破壞程度也最大,因此可以從圍巖殘余區(qū)的發(fā)展過程來解釋這一現(xiàn)象。試驗前期圍巖殘余區(qū)未出現(xiàn)或范圍較小,故圍巖整體破壞不明顯;但應(yīng)力達(dá)到4.44 MPa時,殘余區(qū)迅速擴(kuò)展,故圍巖破壞程度顯著增大;之后的過程中殘余區(qū)變化較小,圍巖未發(fā)生明顯破壞。

對數(shù)值和物理模擬中鉆孔圍巖的破壞過程進(jìn)行分析可知，開始施加荷載后,孔壁的應(yīng)力集中最大,但在較低應(yīng)力狀態(tài)下,整體呈現(xiàn)彈性狀態(tài);當(dāng)應(yīng)力加載至3.88 MPa時,孔壁處的應(yīng)力超過了圍巖屈服極限,圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài),開始產(chǎn)生塑性變形,塑性區(qū)開始發(fā)育,孔壁出現(xiàn)微小裂紋;隨著應(yīng)力持續(xù)增大,塑性變形和塑性區(qū)范圍不斷增加,孔壁的破壞程度和范圍也持續(xù)增大。

根據(jù)圖1,該材料在應(yīng)變達(dá)到一定值時承載力明顯下降,即抵抗變形的能力下降,因此圍巖的變形不僅與應(yīng)力有關(guān),還受先前的應(yīng)變所制約。圍巖的變形和破壞不僅僅是簡單地隨應(yīng)力增加而加劇,而是當(dāng)應(yīng)力超過一定閾值后,其變形和破壞可能表現(xiàn)出一定的突發(fā)性和穩(wěn)定性。

當(dāng)應(yīng)力為3.94 MPa時,由于先前加載過程中積累的應(yīng)變,較小范圍內(nèi)圍巖的承載能力迅速下降,塑性區(qū)范圍迅速增加,孔壁裂紋迅速擴(kuò)展貫通;當(dāng)應(yīng)力達(dá)到4.44 MPa時,更大范圍的圍巖承載能力迅速下降或下降到更低水平(即殘余區(qū)范圍顯著增加),故而塑性區(qū)范圍和圍巖的破壞程度都表現(xiàn)為突發(fā)性增大。在以上2次圍巖發(fā)生顯著破壞后的一段應(yīng)力過程中,圍巖承載力下降不大,同時圍巖應(yīng)力也得到了調(diào)整和釋放,故圍巖變形破壞特征不明顯。

3 工程實例驗證分析

青東礦位于安徽省淮北市濉溪縣。該礦839工作面位于三采區(qū)東部,近年來開展了大量的補(bǔ)勘工程。為了探究補(bǔ)勘鉆孔圍巖破壞情況,采用鉆孔彩色電視對839工作面典型補(bǔ)勘鉆孔進(jìn)行了觀測,收集到部分埋深及對應(yīng)的原位地應(yīng)力處砂巖鉆孔照片,如圖9所示。

圖9 砂巖鉆孔電視照片

從圖9可以明顯地看出:埋深280 m處(應(yīng)力8.7 MPa),巖石原生裂隙發(fā)育,完整性一般;從埋深331 m處開始(應(yīng)力10.7 MPa),在原生裂隙的基礎(chǔ)上,少數(shù)孔壁裂隙得到了擴(kuò)展、貫通,對應(yīng)模擬中的塑性變形初始階段;之后一段埋深內(nèi)孔壁裂隙繼續(xù)發(fā)育、貫通,在埋深377 m處(應(yīng)力12.4 MPa)孔壁出現(xiàn)多條貫通的裂隙,對應(yīng)模擬中的塑性變形敏感階段;在埋深389 m處(應(yīng)力12.9 MPa),孔壁破壞情況與377 m處相近,對應(yīng)模擬中的塑性變形穩(wěn)定階段;在埋深413 m處,此時應(yīng)力高達(dá)13.8 MPa,鉆孔圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重破壞,被分裂成較大、較多的碎塊,部分崩落后孔壁出現(xiàn)較大縫隙,對應(yīng)模擬中的塑性變形突發(fā)階段。

由于鉆孔觀測深度的限制,本研究未能進(jìn)一步觀看到圍巖塑性變形后期緩增階段的鉆孔電視照片。

根據(jù)鉆孔圍巖的破壞程度及圍巖的穩(wěn)定性,可以把其破壞過程分為2個部分、埋深389 m之前,圍巖裂隙逐漸發(fā)育貫通,圍巖破壞程度較小,且過程相對穩(wěn)定,對圍巖穩(wěn)定性影響較小;在389 m之后的有限埋深范圍內(nèi),孔壁周圍的圍巖被顯著分裂,破壞嚴(yán)重,表現(xiàn)出一定的突發(fā)性破壞特征,鉆孔的圍巖穩(wěn)定性大幅下降。

綜上所述,由工程實例觀測得到的鉆孔圍巖破壞過程及其特征與數(shù)值和物理模擬研究結(jié)果相一致。

4 結(jié) 論

(1) 隨鉆進(jìn)深度的增加,鉆孔圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)后開始逐漸發(fā)生破壞。首先是裂紋的產(chǎn)生和發(fā)育貫通,裂紋數(shù)量較多后逐漸形成連續(xù)的破裂帶,最后孔壁周圍的圍巖被分裂成大小不一的碎塊。此處圍巖破壞嚴(yán)重,主要破壞模式為剪切破壞,穩(wěn)定性大幅下降,容易發(fā)生塌孔、卡鉆,甚至擠毀套管等工程事故。

(2) 鉆孔圍巖破壞程度并不隨深度線性增加,而是表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性和突發(fā)性。穩(wěn)定性表現(xiàn)為鉆孔施工到一定范圍內(nèi)圍巖的破壞程度隨深度增加不明顯;突發(fā)性表現(xiàn)為鉆孔施工到一定范圍內(nèi)孔壁裂隙隨深度快速增加,圍巖被分裂成大小不一的巖塊,破壞顯著。

(3) 研究區(qū)選定的鉆孔圍巖破壞隨著深度的變化表現(xiàn)出由塑性變形初始階段到敏感階段、到穩(wěn)定階段、再到突發(fā)階段遞進(jìn)的過程?？紤]圍巖應(yīng)變軟化特性的數(shù)值模擬結(jié)果與物理模擬結(jié)果基本一致,與鉆孔電視觀測的現(xiàn)場實際相符,可為鉆孔圍巖穩(wěn)定性研究提供有效的方法指導(dǎo)。