多截齿协同破岩机理及单孔模拟结果分析

图3.8　表面应力集中区分布图

图3.9　内部应力集中区分布图

对比图3.8岩体表面应力集中区分布图和图3.9垂直于X轴方向进行切片所得的岩体内部应力集中区分布图可知，二者之间存在较大差异。岩体表面应力出现不规则的应力集中区域，而在岩体内部应力集中区呈现不规则的形状。但还不能确定对于不同钻孔深度和钻孔直径岩体的应力集中区域是否有类似的规律。所以，通过改变钻孔深度和钻孔直径研究岩体内部应力集中区的分布规律以及钻孔后的岩体卸荷残余应力。

切片法是结合CT技术的思想将三维模型转化为二维平面研究的一种方法，对岩体沿钻孔方向切片，以研究应力集中区域在岩体内部的分布。

（1）不同钻孔深度的影响分析

以直径为50mm的钻头分别钻进岩体50cm、80cm、120cm和150cm，对岩体内部应力集中区进行对比分析，图3.10～图3.13为不同深度、不同切片处的应力集中区云图，根据切片法分别沿垂直于Z轴方向切片，分别取岩体表面、沿孔深15cm处、沿孔深30cm处和沿孔深45cm处4个切面。

根据图3.10～图3.13不同钻孔深度、不同切片处的应力云图可以看出：钻孔卸荷后，在同一深度的应力集中区，从岩体表面到岩体内部应力集中区减小，在岩体内部应力集中区几乎相同，在钻孔底部，由于钻孔结构使应力集中的原因，应力集中区略有增大。其中，当深度为120cm时，位于岩体钻孔底部的应力集中区约为岩体表面的1/3。当切片位置相同时，随钻孔深度的增加，应力集中区域在岩体表面呈现先增大后减小的趋势，而在岩体内部应力集中区的增加趋势并不明显。钻孔深度为50cm时，应力集中区最小，钻孔深度为120cm和150cm时，内部应力集中区域几乎一致。但是，由于钻孔深度越大所消耗的工时以及能量越大，所以，根据4组深度应力云图分析结果可得，在50MPa地应力工况下，120cm是最理想的钻孔深度。

图3.10　钻孔深度50cm切片云图

如图3.14所示，（a）、（b）、（c）、（d）分别为钻孔深度为50cm、80cm、120cm和150cm 4处切片位置的最大应力在钻孔过程中的变化曲线，由此来分析钻孔卸荷的效果以及不同钻孔深度对卸荷效果的影响。

图3.11　钻孔深度80cm切片云图

图3.12　钻孔深度120cm切片云图

图3.13　钻孔深度150cm切片云图

对比分析图3.14中（a）、（b）、（c）、（d）4幅图可知：在钻孔开始后的极短时间内，整个岩体的压力迅速降低，之后呈现上下波动的变化。当钻孔钻进某一位置时，该处的应力为最低波谷，如图3.14（d）中，钻孔深度为150cm，在2/3切片处钻进100cm的曲线。最后当钻头钻出时，岩体内部应力在－10～10MPa范围内波动，表明钻孔对于高应力围岩具有非常好的卸荷效果。根据图3.14可知，各钻孔深度最大应力曲线趋势大致相同，但在钻出阶段钻孔深度为120cm时，各切片处应力最接近0MPa，卸荷效果最为理想。所以，结合应力云图和最大应力曲线图以及实际钻孔条件可得，在地应力50MPa的工况下，120cm是4组数据中最理想的钻孔深度。

图3.14　不同钻孔深度、不同切片处最大应力曲线图(www.xing528.com)

（2）不同钻孔直径的影响分析

在不同钻孔直径的工况下，分别以直径为30mm、50mm、80mm和100mm钻头钻进岩体100cm处，对岩体内部应力集中区进行对比分析，如图3.15～图3.18所示。用切片法分别取岩体表面、沿孔深1/3处、沿孔深2/3处和接近钻孔底部4处应力云图。

图3.15　岩体表面应力集中区应力云图

图3.16　沿钻孔深度1/3处应力集中区应力云图

由图3.15～图3.18 4种工况下4处切片位置的切片应力云图可以得出：钻孔直径越大，岩体应力集中区越大。切片深度越大，应力集中区会逐渐减小，但是，在接近钻孔底部时，由于钻孔结构原因，应力集中区会有一定幅度的增大。根据4种钻孔直径应力云图所示，钻孔直径为100mm时，应力集中区域最为理想，卸压效果最好，钻孔直径为100mm时的应力集中区大小约为直径为80mm时的1.3倍，但是考虑到实际工况，以及钻孔直径越大所需要消耗的能量越多、投资越大，并且深部花岗岩坚固等级约为Ⅲ级，坚固性系数约为13，钻直径为100mm的孔所需能量约为直径为80mm的1.35倍［92－93］。所以，应选择直径为80mm的钻头为最佳。

图3.17　沿钻孔深度2/3处应力集中区应力云图

图3.18　接近孔底处应力集中区应力云图

如图3.19所示，图3.19（a）～（d）分别为钻孔直径为30mm、50mm、80mm和100mm 4处切片位置的最大应力在钻孔过程中的变化曲线，由此来分析不同钻孔直径对卸压效果的影响。

图3.19　不同钻孔直径、不同切片处最大应力曲线图

对比分析图3.19（a）～（d）4幅图可知：不同直径钻头钻入时，岩体内部应力急剧下降且同一直径下降趋势几乎一致。当钻头钻入某一位置时，该处的最大应力最低，即为曲线图的最低波谷点。由图3.19可以看出，在钻出阶段，岩体内部的最大应力在－10～10MPa之间波动，说明卸荷效果显著。对比不同钻孔直径钻出阶段处的最大应力可知，在直径为50mm和80mm时，岩体内部的最大应力最小且相差不大，所以，无法确定最合理的钻孔直径。对此，按照最合理的钻孔深度120cm对直径80mm钻头钻孔模拟，分析应力分布云图和最大应力曲线图与图3.12和图3.14（c），以及直径为50mm钻头钻入120cm时的应力云图和最大应力曲线图对比，以确定在最佳钻孔深度时的最佳钻孔直径。直径为80mm钻头钻入岩体120cm深时，钻进速度为1.2m/s。各切片处应力云图和最大应力曲线图如图3.20和图3.21所示。

图3.20　钻孔直径80mm切片应力云图

图3.21　钻孔直径80mm不同切片处最大应力曲线图

对比图3.12和图3.20可知：当钻孔深度同为120cm时，钻孔直径为80mm的应力集中区分布云图略大于钻孔直径为50mm的应力云图。对比图3.14（c）和图3.21可知：在钻出阶段，钻孔直径为80mm时，钻孔卸荷后的岩体内部应力更接近0MPa，小于钻孔直径为50mm时钻孔卸荷后岩体内部应力，由此可见，80mm时卸荷效果更好。所以，直径为80mm为更加理想的钻孔直径。