不同钻孔底部位置对砂岩能量特性及损伤演化机制的三轴卸荷效应对比研究

针对深部煤矿开采中钻孔卸荷与采动扰动引发的顶板灾害问题，研究人员通过开展不同径向应力梯度下砂岩的钻孔底部位置对比试验，结合声发射(AE)监测与能量演化分析，揭示了钻孔深度非线性劣化效应，建立了耦合钻孔位置与应力梯度的损伤本构模型，为优化钻孔卸压参数及顶板支护设计提供了理论依据。

　　

随着浅部煤炭资源枯竭，我国煤矿开采深度以每年10-25米的速度向深部延伸。深部复杂地层条件导致巷道变形失稳、顶板垮落、冲击地压等工程灾害频发。这些灾害并非由单一采矿工艺决定，而是采矿方法与地质环境共同作用的结果。其中，冲击地压和瓦斯灾害尤为突出，而钻孔技术作为工程防灾体系的核心手段，广泛应用于瓦斯抽采、顶板卸压、煤层注水等领域。然而，当前针对不同径向应力梯度下钻孔底部位置对砂岩力学行为影响的研究仍存在空白，尤其缺乏对钻孔位置与应力梯度耦合作用的系统性分析。

为攻克这一难题，中国矿业大学（北京）的Huan Zhang、Tao Wang等研究团队在《Geomechanics for Energy and the Environment》发表了创新性成果。研究团队设计了三轴卸荷条件下含中心孔砂岩的对比试验，通过声发射(AE)实时监测、能量演化分析和统计损伤建模，首次揭示了钻孔深度对砂岩力学特性的非线性劣化规律。研究发现，当钻孔深度从0mm增至100mm时，砂岩三轴抗压强度呈现先急剧下降后趋于平缓的变化趋势，其中75mm深度组的能量耗散率较无孔试样提升达42.3%。基于塑性剪切应变与耗散能构建的损伤本构模型，成功预测了不同钻孔位置试样的应力-应变曲线，模型相关系数R²>0.91。该研究为深部煤矿精准卸压钻孔布置提供了量化依据，对预防顶板灾害具有重要工程价值。

关键技术方法包括：1）采用50mm×100mm标准砂岩试样，设置0/25/50/75/100mm五组钻孔深度；2）通过20MPa围压下三轴卸荷试验模拟开采扰动；3）结合声发射(AE)技术监测裂纹扩展；4）基于弹性厚壁筒理论计算径向-切向应力场；5）建立耦合钻孔位置与应力梯度的统计损伤模型。

【样本制备】
按SL/T 264-2020标准制备均质砂岩试样，采用X射线衍射确认矿物组分，石英含量达63.5%。通过精密机床加工不同深度(0-100mm)的中心孔，孔径6mm，孔底锥角60°。

【孔周应力分析】
基于平面应变弹性理论，推导出厚壁筒模型的径向应力σ_r与切向应力σ_θ分布方程。计算表明：当径向应力梯度Δσ达15MPa/mm时，75mm孔深试样的切向应力集中系数较无孔试样增加2.8倍。

【损伤模型构建】
创新性引入塑性剪切应变γ^p与耗散能U_d作为随机变量，建立Weibull分布损伤模型。参数求解显示：特征参数λ与孔深呈指数关系，形状参数m随应力梯度增大而减小。

【结论与意义】
研究证实：1）径向应力梯度会加剧孔周裂纹扩展，50mm孔深试样的AE累计计数峰值较无孔组提前12.7%；2）钻孔深度通过改变能量分配比例影响破坏模式，75mm孔深试样的弹性能占比下降至58.4%；3）提出的损伤模型有效反映孔深与应力梯度的耦合效应，预测误差<8.3%。该成果不仅深化了对钻孔卸压机理的认识，更为深部矿井"一孔多效"（卸压-瓦斯抽采-顶板控制）技术优化提供了理论支撑。如现场应用表明，采用75-100mm优化孔深可使顶板下沉量减少34%，同时维持经济成本可控。

这项研究通过多尺度实验与理论建模的深度融合，为破解深部开采"强扰动-大变形-难控制"的工程困局提供了新思路。未来可进一步结合数字孪生技术，实现钻孔参数与地质条件的动态匹配，推动智能化精准卸压技术的发展。