Abaqus 模拟钻孔排布对煤体强度的影响

1 实验研究背景

钻孔卸压是冲击地压防治的常用手段：在煤层中钻孔，人为破坏局部煤体的完整性，把高应力区转移出去，从而降低冲击危险。它的施工工艺简单、成本可控，在各类煤层条件下都有应用。

钻孔的直径、深度、间距这些单一参数，已有较多研究和现场经验可循。但钻孔怎么排布（单列、多列、交错……）对煤体内部应力传递路径和劣化规律的影响要复杂得多，相关研究还不充分——而这恰恰决定了同样数量的钻孔能否发挥最大卸压效果。

本文用 Abaqus 做一组对照计算：在相同尺寸的煤体试件上布置 5 种不同的钻孔排布方案，其余条件完全一致，用单轴压缩下的轴向位移来比较各方案对煤体刚度的削弱程度，为钻孔排布的选择提供依据。

2 实验方法介绍

数值模拟的适用前提是煤体在宏观尺度上可视为连续介质——其应力、应变的传递符合材料力学的基本假设。本文用 Abaqus 建立与实际煤体物理力学特性一致的模型，经有限元离散后求解其在荷载下的响应。

流程分三步：（1）按文献与同类煤体试验数据取弹性模量、泊松比等参数，建立实体模型；（2）施加边界条件与载荷——煤柱上表面受均布轴向压力，下表面限制竖直位移与水平两个方向的转角；（3）求解并后处理，输出应力、应变、位移云图。

3 模拟实验方案

模型尺寸：本实验采用模拟软件构建标准长方体煤体试件模型，尺寸精准设定为50mm×50mm×100mm（长×宽×高）。中间布置至少2个钻孔，孔径8mm。

本构模型：煤体作为典型的脆性岩石类材料，在受力过程中会经历弹性变形。基于此，本实验选用弹性本构模型，具体设定如下：弹性模量2.5GPa、泊松比0.3等，上述参数组合可确保模型精准复刻目标煤体的力学特性。

边界条件：对模型底部施加全约束，模拟煤体下部岩层的支撑作用；模型顶部不施加约束，设为自由受力面，为后续竖向加载提供受力空间。该边界条件的设计核心是还原煤体在地下开采过程中的单向受力状态（主要承受上覆岩层产生的竖向地应力，侧向应力相对较小），有效排除侧向额外应力对实验结果的干扰，确保模拟场景与工程实际受力环境的一致性，为后续加载试验的准确性提供保障。

加载方式：结合煤矿井下地应力缓慢施加的实际工况，本实验采用单轴压缩加载方式。加载方向沿模型竖向，大小为1MPa的压强载荷。与煤体实际承受的竖向地应力方向一致。通过该加载方案，可获取煤体在受压过程中的完整荷载—位移曲线，为后续力学参数分析提供基础数据。

试验变量：为精准探究钻孔排布形式对煤体强度的影响规律，本实验采用控制变量法，将钻孔排布形式设为唯一试验变量，其余参数（如钻孔直径、模型尺寸等）均保持一致。结合工程实际中常用的钻孔布置形式，共设计5种典型钻孔排布组合，具体方案如下：

本文中使用的Abaqus版本是2025。

3.1 方案1（钻孔1×2）

2个钻孔沿模型竖直中轴线分布，钻孔中心间距为30mm，距离上下边界为35mm；

方案1 Abaqus源文件点此处下载。

图3.1 方案1（钻孔1×2）试件截面草图

用Abaqus进行仿真，绘制的应力、应变、位移云图如下。

图3.2 方案1（钻孔1×2）试件应力云图（等轴视图）

图3.3 方案1（钻孔1×2）试件应力云图（前视图）

图3.4 方案1（钻孔1×2）试件应变云图（等轴视图）

图3.5 方案1（钻孔1×2）试件应变云图（前视图）

图3.6 方案1（钻孔1×2）试件位移云图（等轴视图）

图3.7 方案1（钻孔1×2）试件位移云图（前视图）

3.2 方案2（钻孔1×3）

3个钻孔沿模型竖直中轴线分布，钻孔中心间距为30mm，距离上下边界为20mm；

方案2 Abaqus源文件点此处下载。

图3.8 方案2（钻孔1×3）试件截面草图

用Abaqus进行仿真，绘制的应力、应变、位移云图如下。

图3.9 方案2（钻孔1×3）试件应力云图（等轴视图）

图3.10 方案2（钻孔1×3）试件应力云图（前视图）

图3.11 方案2（钻孔1×3）试件应变云图（等轴视图）

图3.12 方案2（钻孔1×3）试件应变云图（前视图）

图3.13 方案2（钻孔1×3）试件位移云图（等轴视图）

图3.14 方案2（钻孔1×3）试件位移云图（前视图）

3.3 方案3（钻孔2×1）

2个钻孔沿模型水平中轴线分布，钻孔中心间距为30mm，距离左右边界为10mm；

方案3 Abaqus源文件点此处下载。

图3.15 方案3（钻孔2×1）试件截面草图

用Abaqus进行仿真，绘制的应力、应变、位移云图如下。

图3.16 方案3（钻孔2×1）试件应力云图（等轴视图）

图3.17 方案3（钻孔2×1）试件应力云图（前视图）

图3.18 方案3（钻孔2×1）试件应变云图（等轴视图）

图3.19 方案3（钻孔2×1）试件应变云图（前视图）

图3.20 方案3（钻孔2×1）试件位移云图（等轴视图）

图3.21 方案3（钻孔2×1）试件位移云图（前视图）

3.4 方案4（钻孔2×2）

4个钻孔于模型中心2×2分布，钻孔中心间距为30mm，距离左右边界为10mm，距离上下边界为35mm；

方案4 Abaqus源文件点此处下载。

图3.22 方案4（钻孔2×2）试件截面草图

用Abaqus进行仿真，绘制的应力、应变、位移云图如下。

图3.23 方案4（钻孔2×2）试件应力云图（等轴视图）

图3.24 方案4（钻孔2×2）试件应力云图（前视图）

图3.25 方案4（钻孔2×2）试件应变云图（等轴视图）

图3.26 方案4（钻孔2×2）试件应变云图（前视图）

图3.27 方案4（钻孔2×2）试件位移云图（等轴视图）

图3.28 方案4（钻孔2×2）试件位移云图（前视图）

3.5 方案5（钻孔2×3）

6个钻孔于模型中心2×3分布，钻孔中心间距为30mm，距离左右边界为10mm，距离上下边界为20mm。

方案5 Abaqus源文件点此处下载。

图3.29 方案5（钻孔2×3）试件截面草图

用Abaqus进行仿真，绘制的应力、应变、位移云图如下。

图3.30 方案5（钻孔2×3）试件应力云图（等轴视图）

图3.31 方案5（钻孔2×3）试件应力云图（前视图）

图3.32 方案5（钻孔2×3）试件应变云图（等轴视图）

图3.33 方案5（钻孔2×3）试件应变云图（前视图）

图3.34 方案5（钻孔2×3）试件位移云图（等轴视图）

图3.35 方案5（钻孔2×3）试件位移云图（前视图）

4 总结

提取各方案上表面竖直方向的位移，并与无孔时的解析解进行比较，见表 4.1。

表 4.1 各方案上表面竖直方向的位移

方案	轴向位移
无孔	$4.00\times10^{-5}$
1x2	$4.13\times10^{-5}$
1x3	$4.17\times10^{-5}$
2x1	$4.19\times10^{-5}$
2x2	$4.45\times10^{-5}$
2x3	$4.69\times10^{-5}$

由表 4.1 可以看出，钻孔会增大煤体在轴向压缩下的位移，且钻孔数量越多、位移越大。在同样 1MPa 压强下，位移越大意味着煤体刚度越低、承载能力越弱——这与钻孔卸压的工程目的是一致的：通过钻孔削弱煤体的整体强度，把高应力区让出去，降低冲击危险。

按位移相对无孔的增幅排列各方案：

排布方案	钻孔数	轴向位移	相对无孔的增幅
无孔	$0$	$4.00\times10^{-5}$	$-$
1×2	$2$	$4.13\times10^{-5}$	$3.2\%$
1×3	$3$	$4.17\times10^{-5}$	$4.2\%$
2×1	$2$	$4.19\times10^{-5}$	$4.7\%$
2×2	$4$	$4.45\times10^{-5}$	$11.2\%$
2×3	$6$	$4.69\times10^{-5}$	$17.2\%$

规律有两条。其一，钻孔数量是主因：位移增幅基本随孔数单调上升（2 孔约 $3\sim5\%$ ，4 孔 $11.2\%$ ，6 孔 $17.2\%$ ）。其二，相同孔数下排布方式也有影响：同为 2 孔，2×1 排布（两孔横向并列）的削弱效果（ $4.7\%$ ）大于 1×2 排布（两孔纵向串联， $3.2\%$ ）。这说明在钻孔总数相同的前提下，把钻孔布置成横向多列比纵向多行的卸压效果更好。