第8卷第1期高校地质学报Vol.8No.1 2002年3月Geolog ical Journal of China Universities March2002钻孔和巷硐周围流体压力变化对围岩变形
及应力状态的影响
李晓昭1，张迪1，华安增2
(1.南京大学地球科学系，江苏南京210093; 2.中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州221008)
摘要：钻孔、巷硐周围流体压力的分布和变化对围岩变形和应力状态有着显著影响。但这是一
个涉及多个变量、多种响应的动态耦合过程，尚无法用解析法解算。孔硐周围的流体压力的动态
变化又难以实现物理模拟。以钻孔排放瓦斯为例，通过数值模拟，结合宏观观测结果和微观机制
pata
的分析，对其规律和一些工程现象与措施的机理作了初步分析。
关键词：孔硐围岩；流体压力；变形；应力状态；数值模拟；宏微观分析
中图分类号:P69文献标识码:A文章编号:1006O7493(2002)01O106O07
钻孔和巷硐周围流体压力的分布及其变化对围岩变形和应力状态有显著影响[1,2]。许多工程现象与此有关，比如：含水(气)岩层在巷硐掘进和使用过程中，容易产生底膨变形破坏；华东地区某些井筒由于冲积层中水的流失而造成井壁下沉和破裂；含气岩(煤)层采掘中，常常发生岩石(煤)和瓦斯突出等等。对此，人们曾采取了一些工程措施，主动改变流体压力的分布，促使围岩变形或用以改善围岩的应力状态。比如：用水压致裂法增加石油开采量；利用减压法增加煤层气开采；井点降水与注水、超前钻孔释放等。
这一课题的研究引起了国内外众多学者的兴趣[2~6]。然而，以均匀流体压力场中的岩块为试样的试验作得较多[3~6]，而孔硐开挖后流体压力的变化对围岩变形和应力状态的影响很难实现物理模拟[7]；由于这一过程的复杂性，解析法也显得无能为力。因此，对有关工程现象及工程措施的机理的认识尚停留在假说和推测阶段¹º。
本文结合数值模拟，对其规律及有关的工程现象和工程措施的机理作了初步分析。
1数值模拟及其结果
数值模拟的模拟过程分为两步:(1)模拟孔硐开挖后流体压力随时间的变化;(2)将第一步的计算结果作为已知条件，进行围岩变形和应力分析。作者在力学模型和数值算法研究的基础上，以现有的大型非线性有限元程序为基础，编制了含流体的固体的位移和应力分析有限元程序DSAFBM[8,9]。
2.1钻孔排放过程中流体压力的变化
采用Grank-Nicholson格式，进行钻孔瓦斯排放的一维径向流场[10]的有限差分分析。假设¹周世宁.关于钻孔预排瓦斯防止突出机理的探讨.四川煤矿第二届煤和瓦斯突出学术讨论会资料汇编.1978.116-118.
º李瑞群，叶宗之.预抽煤层瓦斯防止突出问题的探讨.四川煤矿第二届煤和瓦斯突出学术讨论会资料汇编.1978.119-126.基金项目：煤炭科学基金(92建10103)资助项目
第一作者简介：李晓昭，男,1968年生，副教授，博士。主要研究方向：工程地质、岩土力学及其数值分析。
瓦斯为理想气体，流动过程等温且符合线性流动定律[11]，并且只考虑快速解吸(符合Lagmiur 方程)。计算参数见表1。排放过程中不同时刻瓦斯压力分布的计算结果如图1所示。
表1 某一维径向流场实例计算参数一览表
Table.1 C alculation parameters of a
one -dimension radial flow example
参 数
inmyopinion
数 值灰分(%)
0.73水分(%)
6.2容重(t/m 3)
1.46最大吸附瓦斯量(m 3/t)
51.0吸附常数
1.0孔隙率
0.1煤层透气系数(mM Pa -2d -1)
0.1煤层原始瓦斯压力(M Pa)
3.9孔径(m)
0.1孔壁瓦斯压力(M Pa)0.
1图1 排放过程中围岩的瓦斯压力分布Fig.1 T he gas pr essure distribution in
sur rounding rockmass dur ing emissing
p 排放127小时(after 127hours emissing);o 拉断(排放127小时)(yield in tension after 127hours emissing);v
排放279小时(after 279hours emissing);ý拉断(排放
kill是什么意思279小时)(yield i n tension after 279hours emissi ng);¹,
cereal是什么意思Á单元编号图2 塑性区的高斯积分点分布F ig.2 Gauss integ ration points in plastic field
2.2 排放过程中围岩的应力分布及塑性
区的变化
算例：采用二维平面应变模型，有限元网
格剖分为81个单元,100个结点(图2)。选用
Drucker -Prager 材料模式，计算参数：弹性参数
E =800M Pa ,T =0.35；屈服参数A =0.1,K =
8MPa ；硬化参数W =0.05,D =0.01MPa ；抗
拉强度T =1M Pa ；初始等压屈服限0I a 1=业务员培训
-8.2MPa 。模拟过程：第一步,Y 、Z 方向受
均布压力载荷T 1=T 2=5.0MPa，原始瓦斯压
力P 0=3.9MPa ；第二步，开挖孔硐单元¹，采
用2.1节的计算方法分别模拟瓦斯排放127、
279、619小时后的围岩变形和应力分布。主要
计算结果见图2、图3、图4。3 对一些工程现象的机理分析
3.1 流体压力对岩体应力状态的影响
3.1.1 等压场中流体压力对岩块稳定性的影响
通过数值模拟发现[8]：在一定的流体压力下岩石的最大、最小主应力比不含流体时均有同比例的减小，表现为莫尔圆左移(图5)。
姚宇平(1988)进行的试验发现[5]：煤吸附瓦斯后，内聚力减小，内摩擦角不变，表现为极限莫尔圆包络线(破坏控制线)发生平移，孔隙压力越大，平移距离也越大(图6)。可见，在等压场中，随着流体压力增大，破坏控制线右移，莫尔圆左移，向着相互接触(破坏)的趋势发展。
1071期 李晓昭等：钻孔和巷硐周围流体压力变化对围岩变形及应力状态的影响
图3排放过程中围岩的最大主应力分布(Z=0.79)
F ig.3M ax imum pr incipal stress(sigma1)in
sur rounding rockmass dur ing emissing
四级听力答案
process 图4排放过程中围岩的最小主应力分布(Z=0.21)
applyforF ig.4M inimum principal stress(sig ma3)in
surrounding ro ckmass during emi ssing
process
1-P=1.3M Pa2-P=0
图5等压场中流体压力对岩块应力状态的影响
Fig.5Influence of fluid pr essure on
stress state of r ock
风信子英文
block
1-无孔隙压力2-充N2(2M Pa)3-充N2(4M Pa)
4-充CO2(4M Pa)5-充N2(6M Pa)
图6成型煤样的极限包路线[5]
F ig.6L imited intrinsic curve of moulded coal[5]
3.1.2流体降压漏斗的发展对孔硐围岩应力状态的影响
在等压场中，随着流体压力的增大，岩石的应力状态向材料破坏的方向发展。那么，流体的排放能否一定会使围岩的应力状态趋向稳定?情况较为复杂。
数值模拟发现:(1)在孔硐周围，降压梯度较大的区域内，随着流体压力的降低，围岩的最大主应力升高，而最小主应力反而降低，甚至出现拉应力，应力莫尔圆迅速扩大，应力状态恶化，孔硐周边的塑性区有所扩展(图2、图3、图4);(2)在一定的影响范围以外，流体压力的降低使得围岩的最大、最小主应力均升高(图3和图4)，有效应力增大，应力重分布的影响范围扩大。
3.2流体排放对孔硐周围岩体变形的影响
中国矿业学院和天府煤矿(1976)对天府南井110m水平南段9#石门在钻孔瓦斯排放过程中的瓦斯压力P、瓦斯流量Q和岩体变形E进行了长期观测(图7)¹。从图7可以看出，打108高校地质学报8卷
¹天府煤矿，中国矿业学院.多排钻孔预防石门突出.四川煤矿第二届煤和瓦斯突出学术讨论会资料汇编.1978.108-115.
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图7 钻孔排放过程中瓦斯压力、流量及岩体变形的变化¹
Fig.7T he chang e of gas pressure,flow r ate and rockmass str ain during emissing by bo reholes ¹
钻结束后半年多的时间内，随着瓦斯压力的降低，岩体变形不断增加，瓦斯压力下降得快，岩体变形增加得也快，瓦斯压力P 和岩体应变E 的发展大致成对称分布。由于钻孔取出岩石引起的岩体变形的稳定，一般不需要这么长的时间[12]。为此，结合围岩应力状态的分析，可以把瓦斯排放过程中伴随着瓦斯压力下降围岩变形不断发展的现象概括为如下三种力学机制:
(1)岩石颗粒内部的孔隙和未贯通的裂隙表面，受到气体/内压0作用，其结果是促使裂隙的张开；而完整的砂岩碎屑颗粒和粉碎型煤体中被分散介质包围的较大颗粒的外表面，受到气体的/外压0作用，使颗粒处于压缩状态。在孔硐周围，由于瓦斯迅速排放，气体/外压0作用大大减弱，使处于压缩状态的岩煤颗粒发生卸荷回弹，颗粒内部的裂隙体系快速发展(图8a)。
(2)流体降压梯度较大的区域内，随着瓦斯压力的降低，岩体的最大主应力进一步升高，而最小主应力反而降低，甚至出现拉应力(图4)，应力莫尔圆迅速扩大，岩体出现剪切或张拉破坏，造成裂隙的产生和发展(图8b)。
无论是由于气体/外压0作用减弱产生的颗粒的卸荷裂隙，还是由于岩体应力状态变化产生的张剪裂隙的发展，宏观上都表现为岩体的透气系数的增大。大量实测结果表明¹º；随着瓦斯压力的降低、岩体的透气系数显著增大，因此出现了上述机制。
(3)在围岩深部，岩体的最大、最小主应力均升高，而应力重分布的影响范围扩大，这必然伴随着岩体
变形的产生和积累(图3和图4)。
可见，瓦斯的排放、瓦斯压力的降低，不仅释放了瓦斯膨胀能，也同时释放了围岩变形能。
3.3 含气岩体突出及钻孔排放瓦斯防突机理的认识
基于对瓦斯排放引起的围岩变形和应力变化的分析，可以得到如下的认识：在地应力和瓦斯压力很高的岩层中，钻孔内瓦斯的排放，不仅仅释放了瓦斯膨胀能，也同时释放了围岩变形1091期 李晓昭等：钻孔和巷硐周围流体压力变化对围岩变形及应力状态的影响
¹周世宁.关于钻孔预排瓦斯防止突出机理的探讨.四川煤矿第二届煤和瓦斯突出学术讨论会资料汇编.1978.116-118.º李瑞群，叶宗之.预抽煤层瓦斯防止突出问题的探讨.四川煤矿第二届煤和瓦斯突出学术讨论会资料汇编.1978.119-126.
R C )径向应力;R H )切向应力the rundown
图8 瓦斯压力降低引起的围岩裂隙生成机理
F ig.8 Schematic diag rams showing the mechanism of gas pr essure
decrea induced fr actures in surrounding r ockmass
能，并使围岩应力峰值向深部发展。于是，在钻孔群周围形成了一个低瓦斯压力、低地应力的保护区。在这样的保护区内采掘，可以避免采掘扰动波及危险带，从而消除了突出危险性。这是钻孔排放瓦斯的防突机理。
如果突然大面积的揭露高地应力、高瓦斯压力的岩层，比如采用放大炮的方式深入，大体积洞穴的开挖会造成围岩强烈的应力集中和大规模的岩体破裂[13]。这些岩体一旦垮落，其深部岩体便失去高地应力的约束。而其中包含的高压瓦斯又没有来得及缓慢释放，必将突然膨胀，使岩块炸成粉末，反而造成了煤和瓦斯的突出。这就是震动放炮诱导突出的原因。由于瓦斯降压过程与围岩变形破裂和应力转移不是同步的，突出过程常常表现为几次动力现象接连发生，岩体应力形成的碎块和瓦斯作用产生的粉尘交替成层推积。这已为工程实践所证实[14,15]。
4 结 语
(1)通过数值模拟发现，在孔硐开挖后，流体降压漏斗的发展过程中，孔硐围岩应力状态的变化分为两个区:¹孔碉周围，降压梯度较大的区域内，最大主应力升高，最小主应力反而降低，围岩应力状态恶化，孔硐周边的塑性区有所扩展;º一定的影响范围以外，围岩的最大、最小主应力均升高，应力重分布的影响范围扩大。
(2)排放过程中瓦斯压力下降引起的围岩变形有三种力学机制：气体/外压0作用减弱，颗粒内部卸荷裂隙快速发育；降压梯度较大的区域内，由于最小主应力降低，岩体出现剪切或张拉破坏；围岩深部，伴随着应力水平的升高和影响范围的扩大，围岩变形不断积累。大量实测结果表明，伴随着瓦斯压力下降，煤体渗透系数显著增大，围岩变形不断发展，这正是上述机制的反映。
(3)钻孔内瓦斯的排放，不仅释放了瓦斯膨胀能，而且释放了围岩变形能，并使应力峰值向深部转移，有利于消除突出危险性；而突然大体积揭露高瓦斯岩层时，造成围岩强烈的应力集中和大规模的岩体破裂。一旦这些岩体垮落，其深部岩体便失去高地应力的约束，在其中的高110
高 校 地 质 学 报 8卷
