三维应力场中不同空间角下钻孔稳定性研究

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作   者：

刘洪涛;  韩子俊;  韩洲;  郭林峰;  韩向阳;  刘勤裕;  陈子晗;  张荣光; 

作者机构：

中国矿业大学(北京)能源与矿业学院; 

关键词：

钻孔倾角;  钻孔应力分布;  围岩稳定性;  塑性区;  坐标转换;  偏应力第二不变量J₂; 

期刊名称：

中国矿业大学学报

i s s n：

1000-1964

年卷期：

2024 年 53 卷 005 期

页   码：

925-942

摘   要：

为了探究不同空间角对钻孔稳定性的影响，基于单轴和三轴试验探究了不同钻孔角度的岩体力学特性，建立了三维应力场中不同空间角度钻孔力学计算模型，基于欧拉变换建立了地应力坐标系、空间直角坐标系和钻孔柱坐标系之间的相互关系，结合Mohr-Coulomb强度准则的三维表达式推导出三维应力环境中不同空间角下钻孔围岩的塑性区边界隐式方程，寻求了描述钻孔周围应力分布特征的综合应力指标偏应力张量第二不变量J2,通过变化井斜角和方位角研究了不同方案下的钻孔孔周偏应力J2大小及形态分布特征，分析了不同空间角下的塑性区分布范围及形态.建立了偏应力J2与塑性区之间的相互对应关系，揭示了钻孔围岩的变形破坏本质，并基于理论分析提出了工程应用指导.研究结果表明：不同空间角下钻孔周边产生不同程度的应力集中，导致岩体的强度特性与声发射特征存在较大差异；不同井斜角和方位角条件下，钻孔孔周各处的偏应力集中程度存在较大差异，井斜角和方位角的改变对孔周J2最大集中位置所在的角度具有重要影响，不同方案下的J2应力扩展角与钻孔周边的J2最大值所对应的极角完全一致，且J2应力偏转角基本稳定在38°～42°;不同井斜角和方位角条件下钻孔塑性区破坏程度、破坏扩展最大尺寸以及破坏形态存在较大差异；偏应力J2等值线形态演化规律与塑性区形态演化规律具有一致性，在不同空间角下J2及塑性区形态均呈现“蝶形单翼扩展”的非对称扩展特征，且不同方案下塑性区最大破坏位置与偏应力J2最大集中位置所在的角度差值为3°～5°.研究结果对煤层瓦斯抽采和钻孔卸压具有重要的理论意义和参考价值.