徐超，秦亮亮，李曉敏，楊港，孫浩石

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)共伴生能源精準(zhǔn)開采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；3.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266590

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)煤炭資源的需求量和開采強(qiáng)度不斷增加，淺部資源已不能滿足當(dāng)前發(fā)展需求，煤礦開采逐漸向深部延伸[1-4]。由于深部煤體受強(qiáng)開采擾動(dòng)的影響，加載-卸荷的過程會(huì)反復(fù)作用在煤體上，造成工作面前方煤體受力狀態(tài)發(fā)生改變，使煤體的損傷變形程度加深，滲透率發(fā)生改變，給煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害治理增加難度[5-8]。加載-卸荷重復(fù)作用在采動(dòng)煤體的過程中，加卸載方式、軸壓加載速率、圍壓卸荷速率、圍壓等多重因素均會(huì)影響著煤體的損傷-滲透特性變化規(guī)律，因此開展加卸載煤體損傷-滲透特性的影響因素研究是十分必要的。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采動(dòng)煤體的損傷-滲透特性規(guī)律開展了大量的研究。姜永東等[9]開展了煤在聲場(chǎng)作用下的滲透率演化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了煤體滲透率可以被聲場(chǎng)作用有效地提高。劉永茜[10]進(jìn)行了煤體在循環(huán)荷載作用下的滲透率演化實(shí)驗(yàn)，分析了煤體在應(yīng)力循環(huán)作用下滲透率的演化規(guī)律。徐超等[6，11]研究了型煤試樣在不同力學(xué)路徑條件下的損傷-滲透時(shí)效特性。李東印等[12]分析了雙向應(yīng)力作用下的煤樣在不同力學(xué)路徑下滲透率的演化規(guī)律。王辰霖等[13]開展了高度不同的原煤煤樣在循環(huán)加卸載作用下的滲流實(shí)驗(yàn)，得到了在循環(huán)加卸載作用下高徑比對(duì)滲透率的影響。薛燕光等[14]得到了不同圍壓、軸壓、瓦斯壓力對(duì)原煤滲透性的影響規(guī)律。Yang等[15]開展了循環(huán)加卸載條件下，煤的各向異性滲透率實(shí)驗(yàn)，得出煤樣的滲透率在卸載過程中存在不可逆性。Chen等[16-17]利用CT掃描，研究了不同力學(xué)路徑下原煤滲透率的演化規(guī)律。Jia等[18]結(jié)合力學(xué)滲流實(shí)驗(yàn)得到了煤樣滲透率與軸向應(yīng)變的關(guān)系。

總之，目前學(xué)者針對(duì)不同條件下煤體的滲透率規(guī)律做了大量研究，但綜合考慮加卸載煤體損傷-滲透特性影響因素的實(shí)驗(yàn)研究較少。因此，本文根據(jù)煤體所處的實(shí)際力學(xué)環(huán)境，設(shè)置合理的力學(xué)路徑，實(shí)驗(yàn)研究加卸載方式、軸壓加載速率、圍壓卸荷速率和圍壓等因素對(duì)煤體的損傷-滲透特性的影響規(guī)律，可為深部煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害防治提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備為煤巖吸附-滲流-力學(xué)耦合特性測(cè)定儀器，原理如圖1所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包含荷載模塊、滲流模塊和聲發(fā)射(AE)模塊[19]。AE傳感器位置在圍壓罐體之外，由于罐內(nèi)煤樣四周充滿了高壓狀態(tài)的液壓油，可近似視為密實(shí)體，且煤樣離傳感器距離較小，對(duì)AE信號(hào)傳播作用的影響可以忽略不計(jì)。此次實(shí)驗(yàn)采用瞬態(tài)法測(cè)定滲透率，AE信號(hào)參數(shù)中的能量累計(jì)數(shù)用以分析煤樣在各力學(xué)路徑下的損傷-滲透率的演化規(guī)律。

1.2 煤樣制備

此次實(shí)驗(yàn)煤樣來自楊柳煤礦104采區(qū)10號(hào)煤層。由于該礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，被采樣煤層經(jīng)構(gòu)造切割，煤體硬度和強(qiáng)度均較低，無法直接選取大塊的煤樣用以制作符合標(biāo)準(zhǔn)的原煤煤樣。有研究表明[20]，原煤與型煤的力學(xué)參數(shù)存在相似性，在實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，兩者的變化規(guī)律相似，因此本次實(shí)驗(yàn)用型煤為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。將取回的小煤塊處理為粒度為0.20～0.25 mm的煤顆粒，向其噴射霧化水?dāng)嚢杈鶆蚝蠓湃胄兔褐谱髂＞?，持續(xù)施加100 MPa的壓力3 h后，在60 ℃的真空干燥箱中干燥24 h，然后將型煤加工為φ50 mm×100 mm的試樣[19]。型煤試樣的單軸抗壓強(qiáng)度為3.1 MPa，彈性模量為0.38 GPa，當(dāng)圍壓為2 MPa、4 MPa、7 MPa時(shí)，其三軸抗壓強(qiáng)度依次為14.84 MPa、21.64 MPa、29.80 MPa[11]。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

為研究加卸載方式、軸壓加載速率、圍壓卸荷速率和圍壓等因素對(duì)煤體損傷-滲透特性的影響規(guī)律，對(duì)煤體所受的實(shí)際力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)3種力學(xué)路徑分別為恒圍壓加軸壓(路徑1)、恒軸壓卸圍壓(路徑2)以及同時(shí)加軸壓卸圍壓(路徑3)。各路徑參數(shù)見表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 加卸載方式的影響

以3種力學(xué)路徑中編號(hào)1-5、2-4、3-2的試樣為例，研究型煤試樣在不同加卸載方式下的損傷-滲透規(guī)律(圖2)。

由圖2可知，在3種不同的加卸載路徑下，試樣發(fā)生損傷破壞的時(shí)間從1 180 s降為342 s，差應(yīng)力峰值分別為23.8 MPa、8.6 MPa、14.6 MPa。試樣破壞時(shí)的軸向應(yīng)變分別為5.02%、1.18%、3.22%，徑向應(yīng)變分別為-2.47%、-1.22%、-1.81%。由于型煤試樣的抗壓和抗剪強(qiáng)度隨圍壓的升高而變大，試樣發(fā)生損傷破壞變困難，時(shí)間也變長(zhǎng)，因此在圍壓較高的情況下，型煤的變形特性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?，使其軸向/徑向應(yīng)變發(fā)生上述變化。

在3種力學(xué)路徑下，AE信號(hào)分別為0.18×104aJ、3.77×104aJ、5.61×104aJ。原因是，路徑1比3圍壓高，其他實(shí)驗(yàn)條件相同，導(dǎo)致試樣變形更接近于塑性變形，隨著加載持續(xù)進(jìn)行，試樣發(fā)生損傷擴(kuò)容，消耗大部分外力功，因此路徑1的能量累計(jì)遠(yuǎn)小于路徑3。路徑2比3軸向應(yīng)力小，其他實(shí)驗(yàn)條件相同，實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)型煤試樣做功后者多于前者，型煤試樣存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能也就后者多，因此其發(fā)生損傷破壞而耗散的能量也更多。不同路徑對(duì)煤體損傷程度依次排序是：路徑1<路徑2<路徑3。

在3種力學(xué)路徑下，滲透率最低點(diǎn)處分別為0.662k0、0.660k0、0.574k0(k0為原始滲透率，即向型煤試樣施加靜水壓力后所測(cè)得的滲透率)。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，型煤試樣進(jìn)入塑性變形階段，滲透率逐漸恢復(fù)，最終分別為0.811k0、1.930k0、1.152k0。因?yàn)樵诜迩半A段，當(dāng)路徑3與1的軸向荷載量相同時(shí)，作用在試樣上的圍壓前者更小，造成前者的損傷擴(kuò)容程度、滲透率增幅大于后者。當(dāng)路徑3與2圍壓相同時(shí)，作用在試樣上的軸向荷載量前者更大，造成其損傷擴(kuò)容程度、滲透率增幅也更大。在峰后階段，路徑2作用在試樣上的圍壓小于路徑1和3，裂隙發(fā)育較完全，因此路徑2的滲透率最終增幅最大。

圖2 加卸載方式對(duì)煤體損傷-滲透特性影響規(guī)律

2.2 軸壓加載速率的影響

以恒圍壓加軸壓(路徑1)中試樣1-2、1-3、1-4及同時(shí)加軸壓卸圍壓(路徑3)中試樣3-1、3-2、3-3為例，研究型煤試樣在不同軸壓加載速率下的損傷-滲透規(guī)律(圖3)。

在路徑1中，隨軸壓加載速率的增大，型煤試樣損傷破壞時(shí)間從810 s降為652 s，差應(yīng)力峰值從17.66 MPa降為17.16 MPa，降幅較小破壞時(shí)的軸向應(yīng)變從3.80%降為3.26%，而徑向應(yīng)變從 -2.14%增至-1.73%。因?yàn)?，?dāng)作用在試樣上的圍壓恒為5 MPa時(shí)，隨軸壓加載速率的增高，試樣發(fā)生破壞的時(shí)間提前。在型煤試樣損傷發(fā)展中，顆粒界面滑移及裂隙擴(kuò)展均需要時(shí)間，當(dāng)軸壓加載速率較低時(shí)，發(fā)育時(shí)間充分，造成符合穩(wěn)態(tài)累計(jì)規(guī)律的損傷發(fā)生時(shí)間較早，而當(dāng)軸壓加載速率較高時(shí)，卻與之相反。軸向/徑向應(yīng)變的變化說明，試樣突然崩潰式破壞易于出現(xiàn)。加載速率對(duì)試樣損傷過程影響較大，但對(duì)其抵抗能力影響微乎其微。

在路徑3中，隨軸壓加載速率的增長(zhǎng)，型煤試樣損傷破壞時(shí)間從360 s降為205 s；而差應(yīng)力峰值卻由11.5 MPa增至16.8 MPa。因?yàn)?，?dāng)圍壓卸荷速率都是10 N/s，軸向荷載量增至同一值時(shí)，高軸向加載速率對(duì)應(yīng)圍壓更大，因此試樣損傷破壞的時(shí)間較快。時(shí)間短導(dǎo)致試樣內(nèi)部顆粒界面滑移以及微裂紋靜態(tài)擴(kuò)展均得不到充分發(fā)育，導(dǎo)致試樣突然崩潰式破壞易于出現(xiàn)。

在1和3兩種力學(xué)路徑下，試樣的AE信號(hào)變化趨勢(shì)開始增速較小，在試樣破壞后呈爆炸式增長(zhǎng)。在路徑1的實(shí)驗(yàn)中，隨軸壓加載速率的增高，AE信號(hào)分別為0.16×104aJ、1.62×104aJ、4.32×104aJ。在路徑3的實(shí)驗(yàn)中，分別為3.44×104aJ、5.61×104aJ、6.02×104aJ。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程中，試樣損傷程度隨軸向壓頭對(duì)其做功增大而增大，且表現(xiàn)為非穩(wěn)態(tài)累積，釋放能量更多。能量累計(jì)量陡然增加是型煤試樣局部損傷和應(yīng)變的表現(xiàn)。

隨軸壓加載速率的增高，在路徑1的實(shí)驗(yàn)下，滲透率最低點(diǎn)處的滲透率分別為0.665k0、0.747k0、0.722k0，滲透率最終恢復(fù)為0.846k0、0.85k0、0.823k0。在路徑3實(shí)驗(yàn)中，滲透率最低點(diǎn)處的滲透率分別為0.734k0、0.574k0、0.693k0，滲透率最終恢復(fù)為2.276k0、1.516k0、1.671k0。因?yàn)?，在路?中，隨軸壓加載速率的增高，試樣的損傷程度增大，但由于圍壓保持不變，試樣損傷擴(kuò)容程度較小，使?jié)B透率值最終恢復(fù)不到k0。在路徑3中，加載速率高，對(duì)應(yīng)作用在試樣上的圍壓也高，在加載速率低的情況下，試樣損傷破壞程度高，滲透率值在最終階段大于k0。此實(shí)驗(yàn)還說明，圍壓對(duì)滲透率的敏感性比軸壓加載速率更大。

圖3 加載速率對(duì)煤體損傷-滲透特性影響規(guī)律

2.3 圍壓卸荷速率的影響

以恒軸壓卸圍壓(路徑2)中試樣2-1、2-2、2-3及同時(shí)加軸壓卸圍壓(路徑3)中試樣3-2、3-4、3-5為例，研究型煤試樣在不同圍壓卸荷速率下的損傷-滲透規(guī)律。

在圖4中，隨圍壓卸荷速率的增大，在路徑2中，損傷破壞時(shí)間以及差應(yīng)力峰值均降低，而破壞時(shí)軸向/徑向應(yīng)變卻增高；在路徑3的實(shí)驗(yàn)中，損傷破壞時(shí)間、差應(yīng)力峰值以及軸向應(yīng)變均降低，而徑向應(yīng)變卻增高。因?yàn)?，軸向差應(yīng)力增幅與圍壓卸荷速率呈正相關(guān)關(guān)系，導(dǎo)致發(fā)生損傷破壞時(shí)間變短。在路徑1中，峰值強(qiáng)度降低很小，說明試樣的損傷過程對(duì)于圍壓卸荷速率很敏感，但卸荷速率不改變?cè)嚇拥挚蛊茐牡哪芰?。在路?中，相同時(shí)間內(nèi)，圍壓卸荷速率越高，圍壓降幅越大，越接近于峰值強(qiáng)度，因此軸向差應(yīng)力峰值越小。

由圖4(c)(d)可知，在路徑2和路徑3兩種力學(xué)路徑下，AE信號(hào)變化趨勢(shì)與2.2節(jié)相同。隨著圍壓卸荷速率的增高，在路徑2的實(shí)驗(yàn)中，AE信號(hào)分別為7.91×104aJ、71.01×104aJ、60.04×104aJ；在路徑3的實(shí)驗(yàn)中，AE信號(hào)分別為5.61×104aJ、3.99×104aJ、6.28×104aJ。在路徑2中，試樣損傷是由于內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性應(yīng)變能的釋放所引發(fā)，釋放速度隨圍壓卸荷速率的變大而變快，使呈非穩(wěn)態(tài)累計(jì)的損傷程度也變嚴(yán)重。在路徑3中，試樣內(nèi)部?jī)?chǔ)能的釋放與外力做功共同導(dǎo)致試樣損傷破壞，且圍壓卸荷速率與釋放的能量呈非線性關(guān)系。

由圖4(c)和(d)的k/k0曲線可知，隨圍壓卸荷速率的增高，路徑2最低點(diǎn)處的滲透率由0.708k0降為0.656k0，而路徑3由0.574k0增至0.750k0，路徑2滲透率由1.630k0增至2.063k0，路徑3由1.516k0增至2.495k0。因?yàn)椋诼窂?中，隨圍壓卸荷速率的增高，試樣裂隙擴(kuò)展和內(nèi)部顆?；瓢l(fā)育的時(shí)間變短，導(dǎo)致滲透率最低點(diǎn)值比較小，出現(xiàn)時(shí)間比較晚。綜上分析，試樣滲透率的恢復(fù)程度與圍壓的卸荷速率呈正相關(guān)關(guān)系。在路徑3中，試樣發(fā)生損傷破壞時(shí)的圍壓值隨圍壓卸荷速率的增高而降低，則圍壓卸荷速率和低圍壓作用共同影響試樣的滲透率使其出現(xiàn)陡增現(xiàn)象。

圖4 卸荷速率對(duì)煤體損傷-滲透特性影響規(guī)律

2.4 圍壓的影響

以恒圍壓加軸壓(路徑1)中試樣1-1、1-3、1-5為例，研究型煤試樣在不同圍壓下的損傷-滲透規(guī)律。

由圖5可以看出，路徑1下3組實(shí)驗(yàn)中，型煤試樣從初始加載到發(fā)生損傷破壞的時(shí)間隨圍壓增高而增大(由606 s增至1 180 s)，且試樣損傷破壞的差應(yīng)力峰值也是隨圍壓的增高而增大(由 12.9 MPa增至23.8 MPa)；破壞時(shí)的軸向應(yīng)變隨圍壓的增高而增大(由3.34%增至5.02%)，徑向應(yīng)變卻與之相反，由-1.79%降為-2.47%。由摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則可知，煤巖的三軸抗壓強(qiáng)度與圍壓成線性關(guān)系，型煤試樣的抗壓和抗剪強(qiáng)度均隨圍壓的增高而增大。圍壓越高，試樣發(fā)生損傷破壞越困難，則從初始加載至發(fā)生損傷破壞的時(shí)間變長(zhǎng)。其變形特性隨試樣所受圍壓的增高逐漸轉(zhuǎn)變塑性，造成上述軸向/徑向應(yīng)變的變化，且破壞后的應(yīng)力跌落水平較小。

由圖5(b)可知，在路徑1下，AE信號(hào)隨圍壓的增大而逐漸降低，分別為2.26×104aJ、1.62×104aJ、0.18×104aJ。原因有兩個(gè)：第一，型煤試樣的抗壓和抗剪強(qiáng)度與圍壓呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)其發(fā)生破壞時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)試樣做功隨圍壓的增高而增大；第二，型煤試樣在高圍壓作用下，其變形趨向于塑性，試樣損傷過程中體應(yīng)變與軸向荷載量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。圍壓越高，型煤試樣裂隙越發(fā)育，則需消耗外力功的很大部分，因此向外放散的能量較少。低圍壓作用時(shí)，型煤試樣變形特征與高圍壓作用時(shí)相反，因此向外放散的能量較大。

3組實(shí)驗(yàn)中，隨圍壓的增大，滲透率最低點(diǎn)處分別為0.719k0、0.747k0、0.662k0，滲透率最終恢復(fù)程度逐漸降低，由0.966k0降為0.811k0。綜上分析得，試樣的抗壓和抗剪強(qiáng)度隨圍壓的增高而增大，發(fā)生損傷破壞也就越困難，從初始加載到發(fā)生損傷破壞的時(shí)間也越長(zhǎng)。在高圍壓作用下，由于型煤試樣處于塑性變形階段，使其滲透率最低點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間比應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時(shí)間早。高圍壓情況下，試樣的最終損傷程度、滲透率恢復(fù)程度低于低圍壓情況，這種情況說明型煤試樣的滲透率變化規(guī)律具有顯著的圍壓效應(yīng)。

圖5 圍壓對(duì)煤體損傷-滲透特性影響規(guī)律

在3種不同的加卸載方式下，將AE信號(hào)中的能量累計(jì)量(E)與試樣損傷擴(kuò)容后相對(duì)滲透率(k/k0)分別進(jìn)行擬合，結(jié)果見表2。發(fā)現(xiàn)E與時(shí)間(t)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，k/k0隨t的變化規(guī)律滿足冪函數(shù)關(guān)系。其中E的擬合函數(shù)中指數(shù)的擬合常數(shù)表示試樣損傷程度，k/k0的擬合函數(shù)中底數(shù)的擬合常數(shù)表示試樣損傷前滲透率(k)的衰減程度，指數(shù)表示試樣損傷后滲透率(k)的恢復(fù)速度，滲透率的最終恢復(fù)程度由上述兩者共同決定。

表2 不同卸載條件下AE信號(hào)、滲透率與時(shí)間的關(guān)系

3 討 論

綜上所述，在不同力學(xué)路徑下加卸載方式、軸壓加載速率、圍壓卸載速率和圍壓等因素均對(duì)煤體損傷-滲透特性產(chǎn)生顯著影響，與淺部煤體相比，深部煤體受采動(dòng)影響規(guī)律表現(xiàn)更為明顯，因此研究結(jié)果可對(duì)深部煤層安全開采的工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

3種力學(xué)路徑在現(xiàn)實(shí)的煤層開采過程中分別對(duì)應(yīng)著不同的工程條件，如圖6所示。圖6中每個(gè)狀態(tài)箭頭的粗細(xì)和方向代表應(yīng)力的大小和方向。狀態(tài)1表征經(jīng)歷路徑1的煤體所處的力學(xué)狀態(tài)，此時(shí)煤體所受的垂向應(yīng)力集中，水平應(yīng)力不變，代表著工作面較遠(yuǎn)處的煤體所處的應(yīng)力環(huán)境。狀態(tài)2表征經(jīng)歷路徑2的煤體所處的力學(xué)狀態(tài)，此時(shí)煤體受采動(dòng)影響，水平應(yīng)力解除，垂向應(yīng)力不變，代表著煤層開采過程中，鄰近層卸壓范圍內(nèi)煤體所處的應(yīng)力環(huán)境。狀態(tài)3表征經(jīng)歷路徑3的煤體所處的力學(xué)狀態(tài)，此時(shí)煤體一方面圍壓解除，另一方面垂向應(yīng)力集中，代表著工作面前方的煤體所處的力學(xué)環(huán)境。相對(duì)而言，路徑1和2都是在較為理想的情況下煤體受力狀態(tài)，而實(shí)際情況是，受采動(dòng)影響的煤體不存在水平應(yīng)力或垂向應(yīng)力永恒不變的狀況，因此路徑3更為真實(shí)地表征采動(dòng)煤體的受力狀態(tài)。

加卸載方式研究結(jié)果表明，同時(shí)加軸壓卸圍壓對(duì)煤體損傷程度最大，則在煤層開采過程中，當(dāng)煤層頂板巖層中存在厚硬巖層時(shí)，應(yīng)注意在水平應(yīng)力解除的同時(shí)，受采動(dòng)影響的巖層破斷所造成煤層所受垂向荷載量會(huì)陡然增大，煤體所受差應(yīng)力比陡增，導(dǎo)致煤體的損傷程度增大，從而致使煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。軸壓加載率以及圍壓卸荷速率的分析結(jié)果表明，煤體的損傷程度與滲透率、加卸載速率呈正相關(guān)，因此在煤層開采過程中應(yīng)著重避免采動(dòng)應(yīng)力集中，更要控制工作面的回采速度，防止頂板失穩(wěn)破斷所產(chǎn)生的垂向荷載速率使煤體損傷破壞程度加重，并且可以結(jié)合表2中k/k0的冪函數(shù)公式，掌握煤體滲透率的變化規(guī)律，為瓦斯抽采設(shè)計(jì)提供合理的理論依據(jù)，更有效地治理和利用礦井瓦斯。隨著圍壓的增大，煤體發(fā)生損傷變形越困難，損傷程度越低，滲透率最終恢復(fù)程度越低的分析結(jié)果表明，在煤層開采過程中，在水平應(yīng)力解除區(qū)域應(yīng)及時(shí)、有效地采取合理的應(yīng)對(duì)措施，避免發(fā)生以應(yīng)力主導(dǎo)的煤與瓦斯突出、沖擊礦壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害。

圖6 煤層開采過程中采動(dòng)煤巖體應(yīng)力狀態(tài)

4 結(jié) 論

本文根據(jù)煤體所受的實(shí)際力學(xué)狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)了恒圍壓加軸壓(路徑1)、恒軸壓卸圍壓(路徑2)和同時(shí)加軸壓卸圍壓(路徑3)3種力學(xué)路徑的實(shí)驗(yàn)，通過觀察型煤試樣的應(yīng)力-應(yīng)變、AE信號(hào)、滲透率的變化來分析加卸載方式、軸壓加載速率、圍壓卸荷速率以及圍壓對(duì)楊柳煤礦煤體損傷-滲透特性影響，主要得到以下結(jié)論：

(1) 不同的加卸載方式下，按型煤試樣損傷嚴(yán)重程度以及時(shí)間響應(yīng)速度排序是：路徑1<路徑2<路徑3，而路徑2的滲透率最終增幅最大；試樣的抗壓強(qiáng)度隨加卸載速率的增高越容易達(dá)到；型煤試樣隨著圍壓的增高，變形特性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?，滲透率最終恢復(fù)程度隨圍壓的增大而降低，且煤體的損傷、滲透特性具有顯著的圍壓效應(yīng)。

(2) 對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的能量累計(jì)量和損傷擴(kuò)容后的相對(duì)滲透率進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)3種力學(xué)路徑下的能量累計(jì)量(E)隨時(shí)間的變化規(guī)律符合指數(shù)函數(shù)的關(guān)系，試樣損傷擴(kuò)容后相對(duì)滲透率(k/k0)隨時(shí)間(t)的變化趨勢(shì)符合冪函數(shù)關(guān)系。

(3) 分別介紹了3種力學(xué)路徑所代表的工程條件，分析了4種影響因素對(duì)煤體損傷-滲透特性的影響規(guī)律，及其對(duì)楊柳煤礦工程實(shí)踐的指導(dǎo)作用。在煤層開采過程中，應(yīng)適當(dāng)控制工作面的回采速度，避免采動(dòng)應(yīng)力的集中，注意關(guān)鍵層的失穩(wěn)破斷對(duì)下伏煤體的影響，盡量減緩頂板失穩(wěn)破斷所產(chǎn)生的垂向荷載速率，降低采動(dòng)應(yīng)力對(duì)煤體的損傷-滲透特性的影響，避免煤巖動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。