钻孔冲击实验与冲击地压应力判据的探讨
段克信，陈学华，张文军
(辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁阜新123000)
摘 要:概述了国内外钻孔冲击实验的情况，介绍了钻孔冲击实验的方法。对3个矿的钻孔冲击实验进行了分析，结果表明存在一个临界压力，可作为发生冲击地压应力条件的判据；随着施加在煤样上的载荷增加，钻孔冲击次数显著增多，冲击强度增大。用RFPA软件对钻孔冲击进行了数值模拟，验证了钻孔冲击实验得出的临界压力，并研究了钻孔冲击前、后的应力降及声发射等特征，对钻孔冲击的原理进行了探讨。现场冲击地压显现的应力条件符合钻孔冲击实验得出的判据。
关键词：钻孔冲击；冲击地压；临界压力
中图分类号：TD324 文献标识码：A
迄今真正的冲击地压在试验室里还没能模拟出来，但钻孔效应可在试验室条件下加以模拟，只不过其规模要比实际的小些而已。根据已有的试验结果，对这种试验进行了改进，可较准确地模拟现场实际发生的钻孔效应。德国、波兰的学者曾进行过类似的试验。在中国，仅有辽宁工程技术大学利用自制的围压装置进行过兖州东滩矿、辽源西安矿和鸡西滴道矿煤样的钻孔冲击实验。从国内外研究来看，该方法简单易行，费用低，所得到的结果稳定，与实际有较好的一致性，可用于确定冲击地压发生的应力条件。应用RFPA软件，对钻孔冲击效应进行了模拟，既对实验室试验进行了验证，又得到许多有价值的研究成果。
1 钻孔冲击的试验方法
1.1 试验装置
试验装置由围压盒、加压装置及传力柱组成。围压盒是一个四周封闭的钢盒，盒壁厚度为30 mm。在一个侧壁上有一个孔，通过它向试件钻孔。加压装置为2000kN的压力机。在围压盒的两侧分别贴上应变片，用于测量围压盒侧壁的应变量，以便计算在加载过程中的侧向压力。钻头选用φ5、8、10、12、14mm五种。围压盒装置如图1所示：
1.2 煤样的尺寸
煤样尺寸为7cmx7cmx7cm或者10cmx10cmx10cm的正方体.试验时垂直压力比煤样单轴抗压强度大得多，以便模拟出井下的钻孔效应。兖州东滩矿、辽源西安矿和鸡西滴道矿煤层的动力现象的类型分别是冲击地压、突出与冲击混合和突出，试验的煤样采自这3个矿的工作面。
1.3 加载方式及加载压力的选择
破坏性冲击地压和突出都是在支承压力区内发生的，由于区内煤层的破裂扩容，以及顶板岩层与煤层之间变形参数的差异，使得高峰区附近煤层的载荷很不稳定，往往出现瞬间少量卸载.为了模拟这种载荷状态，采用两种加载方式，一种是在钻孔过程中通过油泵后续加压的方式保持压力不变，即保压加载法；另一种是压力变化非控制式，钻孔后不再继续加压，即非保压加载法。非保压加载法的卸载率平均约为0.8MPa/s。每个试件加载2或3次。非保压加载法第1次加载并钻孔后，再重复加载到原始初压，再分别钻孔1或2次。东滩矿试件26个，试验78次，其中保压式14件42次，非保压式12件36次;西安矿试件42个，试验84次，其中保压式12件24次，非保压式30件60次;滴道矿试件20个，试验40次，其中保压式8件16次，非保压式12件24次。
(1)压力等级：从40~140 MPa, 每增加10MPa为1个等级，共分为11个等级。
(2)测试内容：冲击次数；冲击声响；侧向应变；钻粉量；始压和终压，即开始打钻时的压力和打钻结束时的压力；每次发生冲击时的始压和终。
(3)打钻时间：40~60s。
1.4 侧向压力的计算
在这种实验条件下，围压盒侧壁的受力是十分复杂的，通过以下两个假设，可将问题简化成理想的计算模型，并且误差很小。
(1)假设围压盒侧壁均匀受力；(2)围压盒边角处不发生位移。
这样就可将计算模型简化为两端固支的梁，梁上受均布载荷，通过在围压盒侧壁贴的应变片测量梁中点处的应变值E，可计算出梁中点处的载荷，即围压盒侧壁所受的载荷q。经计算，当围压盒壁厚为30mm时，有q=7.56x10∈.根据测量结果，可计算出q/p=0.1~0.5，即侧向应力为垂直应力的0.1~0.5倍。
