钻孔与释压下煤体破裂扩展的机理

为什么更安全的煤矿需要更聪明的钻孔

深部煤矿会突发释放积累的能量，导致围岩破裂并危及矿工安全。一种常见的安全措施是向煤体钻孔，使其“呼吸”并释放应力。本研究提出了一个简单但关键的问题：钻孔究竟如何改变煤体的破裂与失稳模式？我们如何设计这些孔以在不显著削弱巷道围岩的前提下降低危险性？

倾听煤体破裂时的声音

为探索这一点，研究者取自中国某煤矿的煤块，在实验室中施加可控荷载。通过压缩样件模拟地下应力，并在保持荷载的情况下钻孔，同时用仪器监测每一次微小的断裂。一个关键工具是声发射，这有点像岩石的心电图：每当煤体出现裂缝时，都会释放出短促的声脉冲，被传感器捕捉到。通过追踪这些信号发生的时间、位置及能量，团队得以重建在条件变化过程中煤体内部的隐性破裂活动。

从平静应变到突发破裂的四个阶段

试验分为四个阶段：初始加荷、在保持荷载下钻孔、静置监测期，以及最终再次加荷直至试样失稳。起初，煤体近似弹性储能，只有少量微弱的声发射信号，主要来自既有缺陷闭合和微小裂纹形成。钻孔及静置阶段，整体结构大体保持，但围井周围的局部应力与内部构造发生了细微重排。真正的转折出现在最后的加荷阶段：声发射事件数与能量激增，裂缝迅速连通并形成主导破裂带。煤体由离散的微裂纹活动转为失控式破坏，表明先前的钻孔已为后续更有组织的破坏模式“埋下伏笔”。

裂缝如何移动与应力如何旋转

除了简单统计断裂事件外，团队还使用先进的数学方法解读信号。通过反演记录的波形，他们将每个事件归类为以剪切（滑动）、拉张（张开）或压缩（挤压）为主的破坏形式。全程来看，剪切破裂占主导，但在临近崩溃的最终加荷阶段，拉张事件的比例上升。他们还重建了煤体内部总体应力场的演化。起始时主应力大致自西南至东北排列，利于剪切型破裂。钻孔与静置后，应力状态变得更均匀，仿佛煤体短暂放松。重新加荷下，应力方向发生旋转，剪切效应再度增强，并伴随张性作用，促使裂缝互联并扩展。

为什么孔径与地应力很重要

为将实验洞见与矿山设计相联接，作者建立了钻孔周围煤体的力学模型。结果显示，塑性区的形状与尺寸——即已屈服并软化的煤体范围——强烈依赖于侧向地压、整体应力水平与孔径。当侧向地压较低时，应力在孔的两侧集中；当侧向地压较高时，应力集中区转向孔的上下部位。均匀环形压力会形成较为均匀的受力圈。改变孔径也显著影响试验中的破裂样式：小孔导致离散的微裂纹， 中等孔径会引起少量能量极大的局部突发，可能阻碍进一步裂缝扩展，而较大孔径则有利于裂缝连通网络的形成和类似级联的能量释放。

不同破裂对应不同“声色”

最后，团队分析了声发射信号的频谱特征。剪切裂缝倾向于发出短促而尖锐的高频脉冲，拉张裂缝表现为中频能量并持续稍长时间，压缩过程（例如孔隙闭合）则产生低频且相对平稳的信号。这些频谱“指纹”有助于实时区分不同类型的破裂，为在运行矿井中实现更灵敏的监测提供了可能。

这对矿山安全意味着什么

简言之，研究表明钻孔并非简单地在煤体上“戳一个洞”。它重塑了隐蔽的应力格局，悄然播下新的薄弱区，并改变了随后能量释放的时机与方式。通过理解裂缝模式和应力场如何响应不同孔径与应力条件，工程师可以更好地在两项目标之间取得平衡：缓解危险应力以降低突发突发的风险，同时保持巷道围岩足够强度以维持结构稳定。这类知识可用于指导更合理的钻孔布局与实时监测策略，从而提升深部煤矿的安全性。

引用: Liu, K., Liu, Y., Lu, CP. et al. Mechanism of coal mass fracture expansion under drilling and pressure relief. Sci Rep 16, 15138 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44731-x

关键词: 煤体破裂, 释压钻孔, 防突安全, 声发射, 地下采矿