考虑钻孔周围损伤变形的多场分析

本案例耦合损伤场-扩散场-渗流场-煤层变形场，探讨损伤前后煤体应力应变以及渗透率变化。用到的损伤模型为如图1，此损伤破坏模型在岩石中应用广泛。该损伤模型需要反复迭代，累计损伤，直至稳定，此过程煤体弹性模量逐渐减小。本案例的几何模型为煤层顺层钻孔开采，顶部为垂直地应力，左右两边为棍支撑，下边为固定约束，如图2。假设煤层为各向同性均质，研究钻孔周围损伤破坏情况。

图3为应力分布状况，不考虑钻孔损伤时，在钻孔周围不存在应力卸压区，而考虑钻孔损伤时，在钻孔周围出现卸压区、集中区与原始应力区，如图3所示。损伤过程，钻孔周围弹性模量减小，强度减小，处于软化阶段，此时受到的应力降低，直至发生破坏。钻孔周围损伤量如图4所示，越靠近钻孔，损伤量越大，即煤体发生的破坏程度越大，同时破坏产生了次生裂隙，使得钻孔周围煤层渗透率增大。钻孔周围最大渗透率比初始渗透率大180倍左右，增幅明显。图5为钻孔周围瓦斯压力分布状况，在损伤区瓦斯压力明显降低，与此区域渗透率增透有关。该案例做出部分展示，模型还有待完善，欢迎大家讨论交流。

图1 损伤控制方程

图2 几何模型及边界条件

图3 应力状态分布

图4 钻孔周围损伤量与渗透率比值情况

图5 钻孔周围瓦斯压力分布状况

图7 不同加载步时损伤分布