崔 峰，賈 沖，來興平，陳建強(qiáng)，張隨林，何仕鳳

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.自然資源部 煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021；4.國(guó)家能源集團(tuán) 新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002)

煤炭資源開采使得工作面前方煤巖經(jīng)歷了從原巖應(yīng)力、軸向應(yīng)力升高而圍壓遞減(卸載)到破壞卸荷的采動(dòng)力學(xué)過程，受加載、卸載的擾動(dòng)影響，煤巖力學(xué)行為與災(zāi)變過程極其復(fù)雜。隨著煤炭資源開采深度的增加，礦井沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害日益加劇，威脅著煤礦安全、高效開采，因而亟待展開推進(jìn)速度采動(dòng)影響下的加卸載效應(yīng)分析。

現(xiàn)階段，部分學(xué)者將我國(guó)綜放開采單次采出最大厚度達(dá)20 m的煤層稱為巨厚煤層。急傾斜煤厚為20 m以上的礦井充分利用其煤層易垮落、頂板穩(wěn)固性較好的特點(diǎn)，使得水平分段放頂煤采煤法得到廣泛應(yīng)用。伴隨著急傾斜煤層開采深度與強(qiáng)度不斷增大，工作面采動(dòng)影響產(chǎn)生加卸載作用的破壞趨勢(shì)與沖擊效應(yīng)日趨嚴(yán)重。

近年來，隨著沖擊地壓擾動(dòng)響應(yīng)失穩(wěn)理論、沖擊地壓?jiǎn)?dòng)理論等的提出，煤巖動(dòng)力災(zāi)害防控理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)等的應(yīng)用，使沖擊地壓機(jī)理及其防治工作逐步向前推進(jìn)。然而沖擊地壓影響因素眾多，以往推進(jìn)速度作為眾多開采技術(shù)客觀影響因素之一，對(duì)沖擊地壓的影響易被弱化，近些年來沖擊地壓研究工作趨于精細(xì)，推進(jìn)速度引起采動(dòng)加卸載的沖擊效應(yīng)逐漸受到重視。截至2021年1月，全國(guó)138處沖擊地壓礦井中47處需核減產(chǎn)能1 316萬t/a，顯示出降低工作面推進(jìn)速度已成為控制采動(dòng)效應(yīng)的一種重要手段。

工作面過快推進(jìn)雖在一定時(shí)間提高了生產(chǎn)效益，但其防治成本明顯增加，復(fù)雜地段易誘發(fā)沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害問題，使礦井面臨減產(chǎn)甚至停止作業(yè)。在工作面推進(jìn)速度的綜合分析方面，王家臣等發(fā)現(xiàn)工作面推進(jìn)速度越快基本頂斷裂伴生的初始動(dòng)能越大，對(duì)支架造成的動(dòng)載沖擊明顯。馮龍飛等由微震監(jiān)測(cè)得到堅(jiān)硬頂板大采高工作面臨界回采速度為4 m/d。劉金海等由工作面1.6，4.0，6.4 m/d推進(jìn)速度得到推進(jìn)越快其微震響應(yīng)越明顯。趙同彬等以東灘煤礦分析得到回采速度4.0 m/d左右的微震活動(dòng)有利于頂板彈性能緩慢釋放。馬海峰等通過1.2，2.0，3.0 MPa/min的軸壓加載速率代表2，4，6 m/d推進(jìn)速度展開力學(xué)行為研究，得到不同推進(jìn)速度條件下煤體破壞時(shí)的峰值應(yīng)力隨軸壓加載速率的增加基本呈線性增加趨勢(shì)。崔峰等由微震監(jiān)測(cè)確定了寬溝煤礦B4-1煤層最佳推進(jìn)速度為4 m/d，得到了上行開采覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的煤柱剩余尺寸。譚云亮等通過動(dòng)能計(jì)算公式推演，得到開采進(jìn)尺越大其產(chǎn)生的動(dòng)能越高。

采動(dòng)影響下的循環(huán)加卸載試驗(yàn)，有助于深化對(duì)煤層變形及其損傷特征的研究，其中王振等分析了不同應(yīng)力分布對(duì)煤層動(dòng)力災(zāi)害的控制作用。楊繼華等以輸入的地震加速度作為加、卸載，以洞室圍巖的加速度作為響應(yīng)，確定了洞室群的加、卸載響應(yīng)區(qū)段。夏冬等探討了巖石力學(xué)特性、聲發(fā)射特征、加卸載響應(yīng)比的變化情況。張浪平等建立且分析了損傷變量與加卸載響應(yīng)比之間的聯(lián)系。

諸多學(xué)者的研究成果為工作面不同推進(jìn)速度采動(dòng)影響下的煤樣力學(xué)行為研究奠定了基礎(chǔ)，但對(duì)采動(dòng)應(yīng)力路徑下的煤樣力學(xué)特性研究較少，且鮮有應(yīng)用加卸載響應(yīng)比來進(jìn)行沖擊地壓礦井工作面推進(jìn)速度的研究，鑒于此，筆者以國(guó)能烏東煤礦為背景，采用數(shù)值模擬與煤樣力學(xué)試驗(yàn)方法，進(jìn)行急傾斜巨厚煤層推進(jìn)速度影響的采動(dòng)應(yīng)力路徑分析，并由此路徑為煤樣加卸載循環(huán)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)，引入加卸載響應(yīng)比對(duì)采動(dòng)影響下的沖擊煤樣類型進(jìn)行表征，旨在為工作面的安全高效開采提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 急傾斜巨厚煤巖體賦存特征

烏東煤礦主采的南區(qū)急傾斜巨厚煤層，力學(xué)結(jié)構(gòu)和煤巖體賦存特征如圖1所示，礦井現(xiàn)主采B1+2，B3+6煤層的平均傾角均為87°平均厚度分別為28.00，40.51 m，礦井采用水平分段綜放開采的工作面沿傾向布置、沿走向推進(jìn)，其煤層厚度即為工作面的寬度。兩層煤中間的巖柱自西向東逐漸變窄，厚度在50～110 m。烏東煤礦自2013年7月以來發(fā)生過多起沖擊地壓事故，而被確定為沖擊地壓礦井。礦井目前開采+425 m水平的B3+6煤層具有弱沖擊傾向性，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定煤層。

圖1 急傾斜巨厚煤層力學(xué)結(jié)構(gòu)和煤巖體賦存特征

2 推進(jìn)速度對(duì)采動(dòng)應(yīng)力路徑影響的數(shù)值模擬

本次采用具有應(yīng)力漸變特征的有限元FLAC3D數(shù)值計(jì)算模擬軟件，通過調(diào)整單次開采下三維網(wǎng)格中多面體單元長(zhǎng)度來擬合實(shí)際單次推進(jìn)距離，進(jìn)行工作面不同推進(jìn)速度下的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬與采動(dòng)應(yīng)力特征分析。根據(jù)烏東煤礦的南區(qū)地質(zhì)資料與鉆孔窺視的巖層柱狀圖，繪制出水平方向的烏東煤礦巖層結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，除煤層外礦井巖性主要為灰質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖及炭質(zhì)泥巖。

圖2 烏東煤礦煤巖層柱狀結(jié)構(gòu)示意

業(yè)內(nèi)學(xué)者大多采用了4 m/d作為安全或中等推進(jìn)速度，因而本文暫采用4.0 m/d以下、4.0～6.0 m/d、6.0 m/d以上，將急傾斜巨厚煤層推進(jìn)速度劃分為低速、中速、高速3個(gè)區(qū)域范圍。結(jié)合烏東煤礦南區(qū)0.8 m的單次截深，選取3.2，4.8，6.4 m/d作為低速、中速、高速推進(jìn)速度，并據(jù)此展開急傾斜煤層不同推進(jìn)速度下的采動(dòng)應(yīng)力路徑研究。

2.1 不同推進(jìn)速度模擬方案與模型構(gòu)建

根據(jù)地層結(jié)構(gòu)與工程背景，利用FLAC3D有限元數(shù)值模擬軟件，構(gòu)建出的三維數(shù)值分析模型如圖3所示，模型外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為300 m×400 m× 500 m。網(wǎng)格劃分采用3.2，4.8，6.4 m/d推進(jìn)速度下的最大公因子1.6 m，對(duì)推進(jìn)速度方向即將方向的塊體進(jìn)行劃分，以此保證了同一模型便可進(jìn)行方案設(shè)計(jì)下的3種推進(jìn)速度的采動(dòng)應(yīng)力分析。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建

由于本次的數(shù)值計(jì)算模型模擬至地表，因而模型上表面未施加邊界應(yīng)力，初始條件設(shè)置的重力為0，重力加速度為9.8 m/s，水平方向施加有初始梯度應(yīng)力，除模型上表面未進(jìn)行邊界限定外，其余5個(gè)邊界表面均設(shè)置允許的變形量為0.2 m，以此限制模型的側(cè)向和底部位移。

急傾斜煤巖體部分巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1，表1中的急傾斜煤巖體部分巖層與建模巖層一一對(duì)應(yīng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查與巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果綜合確定了煤巖力學(xué)參數(shù)，在FLAC數(shù)值模擬賦參時(shí)根據(jù)開采實(shí)踐結(jié)果進(jìn)行了適當(dāng)折減。王金安等在研究綜放工作面推進(jìn)速度對(duì)圍巖應(yīng)力影響時(shí)，通過給定單次開采計(jì)算步時(shí)，并由單次開挖塊體長(zhǎng)度的不同，達(dá)到不同推進(jìn)速度的模擬效果。本次數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究將其思路加以應(yīng)用，由多次開采至平衡的平均步時(shí)作為給定的單次開采計(jì)算步時(shí)，并由單次開挖的塊體長(zhǎng)度分別為3.2，4.8，6.4 m，盡可能的達(dá)到3.2，4.8，6.4 m/d的不同推進(jìn)速度模擬效果。由不同推進(jìn)速度過程中工作面前方、模型中部150 m處塊體垂直應(yīng)力的平均值作為綜放工作面推進(jìn)過程中的采動(dòng)應(yīng)力。

表1 急傾斜煤巖體部分巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 不同推進(jìn)速度下的采動(dòng)應(yīng)力路徑

在模型邊界留設(shè)32 m進(jìn)行開切眼，在工作面推進(jìn)方向的147.2 m處布置應(yīng)力測(cè)線，采用3.2，4.8，6.4 m/d的推進(jìn)速度至+425 m水平開采結(jié)束。以3.2 m/d推進(jìn)速度為例，結(jié)合開切眼前方115.2 m測(cè)線處第6個(gè)測(cè)點(diǎn)的采動(dòng)應(yīng)力變化，其+425 m水平覆巖應(yīng)力分布及其采動(dòng)應(yīng)力路徑如圖4所示。隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)其采動(dòng)應(yīng)力呈循環(huán)加卸載式的逐級(jí)遞增趨勢(shì)，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其加卸載幅度逐步增加，接近測(cè)點(diǎn)的最后一次推進(jìn)時(shí)其應(yīng)力卸載幅度較大，明顯降低，但其應(yīng)力大小依舊明顯高于煤層開采前的初始應(yīng)力。

圖4 +425 m水平覆巖應(yīng)力分布及其采動(dòng)應(yīng)力路徑

由于工作面初始推進(jìn)57.6 m(3種不同推進(jìn)速度的公倍數(shù))過程中，測(cè)線處的應(yīng)力變化差異性較小，因而對(duì)工作面再次推進(jìn)57.6 m過程中較為明顯的應(yīng)力變化加以監(jiān)測(cè)，其工作面推進(jìn)57.6 m的煤層與頂?shù)装鍛?yīng)力變化特征如圖5所示，以此對(duì)3種推進(jìn)速度方案下的采動(dòng)應(yīng)力路徑進(jìn)行分析。

圖5 工作面推進(jìn)57.6 m的煤層與頂?shù)装鍛?yīng)力變化特征

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算不用推進(jìn)速度下的采動(dòng)力學(xué)行為，得到工作面開采過程中的采動(dòng)應(yīng)力分布特征，由于初始推進(jìn)過程中的采動(dòng)應(yīng)力相對(duì)平穩(wěn)，因而結(jié)合推進(jìn)速度、開采時(shí)間、垂直應(yīng)力變化以及峰值位置，繪制出57.6 m范圍內(nèi)的不同推進(jìn)速度下采動(dòng)應(yīng)力演化特征如圖6所示，其低速、中速、高速分別以3.2，4.8，6.4 m/d推進(jìn)18,12,9 d。

圖6 不同推進(jìn)速度下采動(dòng)應(yīng)力演化特征

由圖6(a)可知，3.2 m/d采動(dòng)應(yīng)力共經(jīng)歷14個(gè)明顯的加卸載循環(huán)，應(yīng)力明顯區(qū)域范圍為44.8 m，其中7處加載幅度略大與加卸幅度較大區(qū)域范圍為22.4 m。由圖6(b)可知，4.8 m/d采動(dòng)應(yīng)力共經(jīng)歷10個(gè)明顯的加卸載循環(huán)，采動(dòng)應(yīng)力明顯區(qū)域范圍為48.0 m，其中5處為加載幅度略大區(qū)域與加卸幅度較大區(qū)域，區(qū)域范圍為24.0 m。由圖6(c)可知，6.4 m/d采動(dòng)應(yīng)力共經(jīng)歷8個(gè)明顯的加卸載循環(huán)，采動(dòng)應(yīng)力明顯區(qū)域范圍為51.2 m，其中5處為加載幅度略大區(qū)域與加卸幅度較大區(qū)域，區(qū)域范圍為32.0 m。

由圖6可知，3.2，4.8，6.4 m/d推進(jìn)下的采動(dòng)應(yīng)力分別經(jīng)歷14，10，8個(gè)明顯加卸載循環(huán)，明顯應(yīng)力區(qū)域范圍分別為44.8，48.0，51.2 m。低速、中速、高速加卸載路徑下的峰值應(yīng)力分別為11.66，14.26，15.20 MPa，其中中速、高速推進(jìn)下的應(yīng)力峰值較低速分別增加22.3%，30.4%。且隨著推進(jìn)速度增加其采動(dòng)應(yīng)力路徑的循環(huán)加卸載幅度增加，次數(shù)減小，主要影響區(qū)域范圍增加，作用時(shí)間減小。

3 采動(dòng)應(yīng)力路徑下煤樣力學(xué)行為分析

3.1 采動(dòng)應(yīng)力路徑下煤樣加卸試驗(yàn)方案

按照我國(guó)國(guó)標(biāo)GB/T 25217.2—2010《沖擊地壓測(cè)定、監(jiān)測(cè)與防治方法》中“試驗(yàn)機(jī)以0.5～1.0 MPa/s的速率加載直至煤樣破壞”的規(guī)定，先采用0.50 MPa/s的加載速率進(jìn)行常規(guī)加載試驗(yàn)，因循環(huán)加卸載階段的應(yīng)力變化幅度較小，0.5 MPa/s加載速率過快，因而再采用0.05 MPa/s加載速率進(jìn)行煤樣常規(guī)加載及其采動(dòng)影響的循環(huán)加卸載試驗(yàn)。

煤樣力學(xué)試驗(yàn)方案匯總見表2，不同推進(jìn)速度應(yīng)力路徑的加卸載參數(shù)見表3，其中，，分別為某一循環(huán)加卸載過程中加載應(yīng)力的最大值與卸載應(yīng)力的最小值。

表2 煤樣力學(xué)試驗(yàn)方案匯總

表3 不同推進(jìn)速度應(yīng)力路徑的加卸載參數(shù)

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算的采動(dòng)應(yīng)力變化進(jìn)行煤樣的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，因應(yīng)力路徑中初始若干次的加卸載幅度較小，為確保足夠的加卸載時(shí)長(zhǎng)，因而剔除加卸載幅度小于0.05 MPa的循環(huán)加卸載路徑，并將循環(huán)加卸載前的階段視為0.05 MPa/s等速加載。

加卸載路徑如圖7所示，不同推進(jìn)速度下預(yù)加載階段應(yīng)力路徑相同，3種推進(jìn)速度均以0.05 MPa/s加載速率持續(xù)加載至+425 m水平采前煤層處原巖應(yīng)力6.72 MPa，而后等應(yīng)力保載，以原巖應(yīng)力狀態(tài)持續(xù)30 s，再進(jìn)行循環(huán)加卸載階段，至循環(huán)結(jié)束后加載至破壞階段，采用0.05 MPa/s的加載速率直至煤樣破壞。

圖7 煤樣力學(xué)試驗(yàn)循環(huán)加卸載應(yīng)力路徑

3.2 采動(dòng)應(yīng)力路徑下的煤樣力學(xué)特性

通過B3+6煤層+425 m水平現(xiàn)場(chǎng)取樣后將其加工成50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體煤樣，其煤樣的制備嚴(yán)格控制其取樣精度，2個(gè)端面的最大不平整度不超過0.1 mm，端面垂直于試樣軸線，煤巖高度誤差不超過0.3 mm。煤樣制備后將其密封，以隔絕空氣，防止風(fēng)化，為滿足試驗(yàn)所需充足的煤樣每種試驗(yàn)方案共制備4個(gè)煤樣，以供篩選。

壓力試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)及其試驗(yàn)流程如圖8所示，經(jīng)由RSM-SY5(T)非金屬聲波檢測(cè)設(shè)備的煤樣波速測(cè)量后，剔除波速差異明顯的煤樣，選取剩余煤樣進(jìn)行既定方案下的力學(xué)試驗(yàn)研究。運(yùn)用WANCE萬能試驗(yàn)機(jī)的微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)、MISTRAS聲發(fā)射測(cè)試裝置的聯(lián)合監(jiān)測(cè)，由煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線、抗壓強(qiáng)度、聲發(fā)射能量與計(jì)數(shù)等關(guān)系變化，分析常規(guī)加載與不同推進(jìn)速度采動(dòng)應(yīng)力路徑下的煤樣力學(xué)特性與破壞特征。

圖8 壓力試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)及其試驗(yàn)流程

圖9為煤樣聲發(fā)射傳感器布設(shè)方式，通過環(huán)境噪音測(cè)試，將聲發(fā)射系統(tǒng)門檻值設(shè)為40 dB，模擬濾波器下限為1 kHz，模擬濾波器上限為1 MHz，采樣頻率設(shè)為1 MHz。試驗(yàn)采用共4個(gè)通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)獨(dú)立的聲發(fā)射探頭和前置放大器，信號(hào)放大倍數(shù)為40倍，采集系統(tǒng)嚴(yán)格按照上述要求設(shè)置參數(shù)后連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備。煤樣受力過程中，使聲發(fā)射監(jiān)測(cè)與加載系統(tǒng)保持同步。

圖9 煤樣聲發(fā)射傳感器布設(shè)方式

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制出不同方案下的煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖10所示。加載速率增加，煤樣強(qiáng)度增大，0.05 MPa/s加載速率下，不同路徑循環(huán)加卸載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在明顯的滯回環(huán)效應(yīng)，且隨著應(yīng)力路徑所處推進(jìn)速度的增加，滯回環(huán)效應(yīng)越明顯，同時(shí)高速推進(jìn)應(yīng)力路徑下的煤樣應(yīng)力峰值普遍大于低速。

循環(huán)加卸載煤樣力學(xué)特征參數(shù)見表4。由圖10、表4可知，低速推進(jìn)速度下的煤樣強(qiáng)度低，發(fā)生破壞所釋放的能量低，造成的破壞效應(yīng)較弱；高速加載路徑下，煤樣破壞前的應(yīng)變程度高，煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整，促使煤樣的壓密程度更高，其煤樣抗壓強(qiáng)度較高于低速應(yīng)力路徑。

圖10 煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表4 循環(huán)加卸載煤樣力學(xué)特征參數(shù)

不同循環(huán)加卸載應(yīng)力路徑下，煤樣峰值強(qiáng)度與不同推進(jìn)速度應(yīng)力路徑的關(guān)系如圖11所示。3.2，4.8，6.4 m/d應(yīng)力路徑下煤樣的平均抗壓強(qiáng)度分別為16.12，16.44，17.15 MPa，中速、高速路徑下的強(qiáng)度比低速分別增加約1.98%，6.39%。煤樣強(qiáng)度隨著應(yīng)力路徑所處推進(jìn)速度的增加呈明顯的非線性遞增趨勢(shì)，且其增幅逐漸增加，其非線性表達(dá)式為=15.857 44+0.053 34e0.498 09。

圖11 煤樣峰值強(qiáng)度與不同推進(jìn)速度應(yīng)力路徑的關(guān)系

3.3 采動(dòng)應(yīng)力路徑下的煤樣聲發(fā)射特征

通過采動(dòng)應(yīng)力路徑下煤樣的聲發(fā)射計(jì)數(shù)與能量變化，繪制了不同加載速率下煤樣聲發(fā)射事件及其能量分布特征如圖12所示，其中圖12(a)，(b)分別為0.50，0.05 MPa/s常規(guī)加載的煤樣聲發(fā)射事件及其能量分布特征。0.50 MPa/s加載速率下，煤樣在25 s附近的能量計(jì)數(shù)明顯增加，并伴有大量能量產(chǎn)生，至煤樣破壞后，聲發(fā)射累計(jì)能量3 867 mV·μs，計(jì)數(shù)1 767個(gè)，單位時(shí)間的聲發(fā)射能量約為103.1 mV·μs/s。0.05 MPa/s常規(guī)加載速率下，煤樣0～250 s內(nèi)的聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)呈指數(shù)型增長(zhǎng)趨勢(shì)，250 s后的聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)呈線性遞增，至煤樣破壞，煤樣所受累計(jì)聲發(fā)射計(jì)數(shù)為3 126個(gè)，累計(jì)能量6 640 mV·μs，單位時(shí)間聲發(fā)射能量約為19.6 mV·μs/s。常規(guī)加載的不同加載速率下，煤樣的加載速率越低，其聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)越多，加載速率越高其每秒產(chǎn)生的聲發(fā)射能量越大。

圖12 不同加載速率下煤樣聲發(fā)射事件及其能量分布特征

循環(huán)加卸載的煤樣聲發(fā)射能量分布云圖如圖13所示，低速推進(jìn)應(yīng)力路徑下，煤樣裂隙產(chǎn)生所伴隨的聲發(fā)射能量主要為38～72 mm高度內(nèi)的煤樣左前方，多處高能量區(qū)域集中分布在煤樣中下部；中速推進(jìn)應(yīng)力路徑下，煤樣裂隙產(chǎn)生所伴隨的聲發(fā)射能量主要為32～58 mm高度內(nèi)的煤樣中部，高能量區(qū)域分布相對(duì)較為集中分布在煤樣中部；高速推進(jìn)應(yīng)力路徑下，煤樣裂隙產(chǎn)生所伴隨的聲發(fā)射能量主要為28～60 mm高度內(nèi)，高能量區(qū)域較為集中分布在煤樣中部。

圖13 循環(huán)加卸載的煤樣聲發(fā)射能量分布云圖

不同推進(jìn)速度應(yīng)力路徑下，煤樣聲發(fā)射能量大小呈現(xiàn)出高速應(yīng)力路徑明顯大于中速、大于低速的特征，且不同應(yīng)力路徑下的聲發(fā)射高能量區(qū)域分布相對(duì)較為集中分布在煤樣的中部及下部區(qū)域內(nèi)。

不同采動(dòng)應(yīng)力路徑下的煤樣聲發(fā)射能量分布及其破壞特征如圖14所示。由圖14左部的煤樣應(yīng)力-事件-能量關(guān)系可知，煤樣低速、中速、高速推進(jìn)的不同路徑循環(huán)加卸載階段，能量與計(jì)數(shù)遞增趨勢(shì)均以最后兩次循環(huán)階段最為明顯，其循環(huán)加卸載結(jié)束后聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)分別為1 998，2 428，2 535個(gè)，累計(jì)能量分別為3 686，5 309，7 423 mV·μs。至煤樣破壞，煤樣所受累計(jì)聲發(fā)射計(jì)數(shù)分別為3 268，3 480，3 733個(gè)，累計(jì)能量分別為7 668，8 536，12 411 mV·μs。

圖14 不同采動(dòng)應(yīng)力路徑下的煤樣聲發(fā)射能量分布及其破壞特征

不同應(yīng)力路徑下的煤樣力學(xué)試驗(yàn)過程中，預(yù)加載階段的聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)與能量均呈現(xiàn)為明顯的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，循環(huán)加卸載階段的聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)與能量均呈現(xiàn)為明顯的階梯型遞增趨勢(shì)，低速與中速路徑下煤樣加載至破壞階段的聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)與能量均呈現(xiàn)為明顯的指數(shù)型遞增趨勢(shì)，而高速路徑下呈現(xiàn)為明顯的線性遞增趨勢(shì)。高速應(yīng)力路徑下循環(huán)加卸載造成的損傷較大，其聲發(fā)射計(jì)數(shù)與能量增幅在加載至破壞的末段出現(xiàn)計(jì)數(shù)與能量的大幅增加。

主裂隙發(fā)育使得聲發(fā)射能量事件分布較廣，其中低速應(yīng)力路徑下的煤樣呈現(xiàn)為明顯的剪切破壞形式，煤樣變形破壞的起裂、終止位置以及破壞剪切面均與聲發(fā)射定位保持高度一致；中速應(yīng)力路徑下的破壞煤樣主要為5個(gè)較大破碎塊體；高速應(yīng)力路徑下的破壞煤樣為2處明顯的較大破碎塊體與較多小的破碎塊體，其破碎程度較中速應(yīng)力路徑更高。低速、中速、高速不同應(yīng)力路徑下，煤樣的破壞程度呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)。

4 煤樣沖擊類型及其加卸載響應(yīng)規(guī)律

通過類比煤礦沖擊礦壓的評(píng)價(jià)方法，將不同速度應(yīng)力路徑下的煤樣沖擊類型進(jìn)行劃分，并引入加卸載響應(yīng)比理論，形成采動(dòng)應(yīng)力路徑下的煤樣循環(huán)加卸載響應(yīng)比評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)急傾斜巨厚煤層不同推進(jìn)速度開采擾動(dòng)誘發(fā)煤層的破壞規(guī)律加以表征，為烏東煤礦B3+6煤層+425 m水平工作面推進(jìn)達(dá)到安全高效開采提供依據(jù)，從而指導(dǎo)礦井生產(chǎn)實(shí)際。

4.1 類比沖擊礦壓的煤樣沖擊類型評(píng)價(jià)分析

關(guān)于室內(nèi)煤樣沖擊地壓類型的定義，沈威等通過類比煤礦沖擊礦壓，對(duì)實(shí)體煤掘進(jìn)加卸載路徑下的沖擊煤樣與非沖擊煤樣加以定義，將煤樣滿足以下條件定義為沖擊煤樣：① 煤樣破裂聲響巨大并存在震動(dòng)；② 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)到破裂事件能量大于10mV·μs；③ 應(yīng)力應(yīng)變曲線產(chǎn)生突然應(yīng)力降，釋放彈性能。

煤樣0.05 MPa/s的循環(huán)加卸載速率下，3.2 m/d推進(jìn)速度采動(dòng)應(yīng)力路徑下的煤樣破裂聲音較小，無明顯震動(dòng)，破裂事件能量為7 668 mV·μs，應(yīng)力-應(yīng)變曲線未產(chǎn)生突然的應(yīng)力降低；4.8 m/d推進(jìn)速度的采動(dòng)應(yīng)力路徑下，煤樣破裂發(fā)出“砰”的聲音，震動(dòng)較弱，破裂事件能量為8 536 mV·μs，應(yīng)力應(yīng)變曲線未產(chǎn)生突然的應(yīng)力降低；6.4 m/d推進(jìn)速度的采動(dòng)應(yīng)力路徑下，煤樣破裂發(fā)出“嘣”的聲音，震動(dòng)較強(qiáng)，破裂事件能量為12 411 mV·μs，應(yīng)力應(yīng)變曲線產(chǎn)生突然的應(yīng)力降低。對(duì)室內(nèi)煤樣沖擊地壓類型的判定指標(biāo)加以應(yīng)用得出：6.4 m/d高速推進(jìn)路徑下的煤樣破壞可視為沖擊煤樣，3.2 m/d低速、4.8 m/d中速推進(jìn)路徑下的煤樣可視為非沖擊煤樣。

4.2 采動(dòng)應(yīng)力路徑下的煤樣加卸載響應(yīng)規(guī)律

在地震力學(xué)、斷裂力學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)上，尹祥礎(chǔ)等首先提出新的地震預(yù)測(cè)方法——加卸載響應(yīng)比理論，探討了加卸載響應(yīng)比的巖石破壞前兆特性。

為了定量刻畫加載響應(yīng)與卸載響應(yīng)的差別，將響應(yīng)率定義為

(1)

式中，Δ和Δ分別為載荷和響應(yīng)對(duì)應(yīng)的增量。

令及分別代表加載與卸載時(shí)的響應(yīng)率，把應(yīng)力當(dāng)作荷載，把應(yīng)變當(dāng)作響應(yīng)，通過加載與卸載階段響應(yīng)率的比值，將彈性模量加卸載響應(yīng)比定義為

(2)

式中，為響應(yīng)率；下標(biāo)“”，“”分別為加、卸載階段；為彈性模量。

結(jié)合加卸載過程中的損傷變化率以及聲發(fā)射數(shù)和式(2)可得聲發(fā)射數(shù)加卸載響應(yīng)比為

(3)

式中，Δ為損傷變量變化率；為聲發(fā)射數(shù)。

通過煤樣加卸載力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，借助加卸載響應(yīng)比的理論，分析煤樣不同應(yīng)力路徑加卸載擾動(dòng)影響下的力學(xué)響應(yīng)特征，對(duì)礦井實(shí)際工作面推進(jìn)速度影響的開采擾動(dòng)加以表征。跟據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)[34]研究結(jié)果，采用加載階段的彈性模量取應(yīng)力-應(yīng)變曲線直線段的斜率，卸載階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值與谷值斜率分別作為加載、卸載階段的彈性模量。將加載與卸載階段的彈性模量分別記為，，同時(shí)結(jié)合煤樣加載與卸載階段的聲發(fā)射數(shù)量分別記為，，其煤樣循環(huán)加卸載下的彈性模量比與聲發(fā)射數(shù)量比見表5，表5中比號(hào)左右的數(shù)值分別為加載與卸載階段的彈性模量與聲發(fā)射數(shù)量。

表5 煤樣循環(huán)加卸載的彈性模量比與聲發(fā)射數(shù)量比

由于低速下的加載階段彈性模量明顯大于中速與高速的加載階段；而在不同推進(jìn)速度下的卸載階段，高速路徑明顯大于低速與中速。這使得高速推進(jìn)速度應(yīng)力路徑下的彈性模量比(/)明顯大于中速和低速。低速、中速、高速不同推進(jìn)速度的循環(huán)加卸載應(yīng)力路徑下，由于循環(huán)加卸載過程中的應(yīng)力變化量隨著循環(huán)次數(shù)的增加普遍增大，在相同加載速率下使得煤樣加載與卸載時(shí)間隨循環(huán)次數(shù)增加而不斷增多，從而造成了加載與卸載階段的聲發(fā)射數(shù)量均隨循環(huán)次數(shù)的增加而增多。

根據(jù)式(2)，(3)響應(yīng)比的定義繪制出0.05 MPa/s加卸載速率下，煤樣循環(huán)加卸載的彈性模量及聲發(fā)射數(shù)量的加卸載響應(yīng)比如圖15所示。由圖15(a)可知，在低速路徑下煤樣的彈性模量加卸載響應(yīng)比基本在1.22～1.68內(nèi)波動(dòng)；中速路徑第1～6次循環(huán)下的基本在1.29～1.55內(nèi)呈緩增趨勢(shì)，第7，8次循環(huán)下的增幅明顯增加，第8次循環(huán)所得達(dá)到最大值1.87；在高速路徑下加卸載響應(yīng)比呈現(xiàn)明顯的單增趨勢(shì)，第8次循環(huán)得到最大值達(dá)到2.04。循環(huán)加卸載過程中，低速路徑下的呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)態(tài)的趨勢(shì)，中速路徑下的呈現(xiàn)出先穩(wěn)態(tài)、后增加的趨勢(shì)，高速路徑下的值呈持續(xù)增加趨勢(shì)。

圖15 彈性模量及聲發(fā)射數(shù)量的加卸載響應(yīng)比

由于加卸載路徑下的卸載應(yīng)力大小變化量普遍小于加載應(yīng)力變化量，使得加載峰值處的彈性模量相對(duì)穩(wěn)定，基本等于峰值前方一定階段的彈性模量；卸載谷值處的彈性模量未能穩(wěn)定，普遍小于谷值前方一定階段的彈性模量，若繼續(xù)卸載其彈性模量亦會(huì)持續(xù)減小，從而使不同推進(jìn)路徑初始階段的處于1.50附近波動(dòng)，在中速路徑煤樣循環(huán)第7，8次時(shí)，煤樣臨近破壞時(shí)的內(nèi)部損傷加劇，開始增加，保持穩(wěn)定，使得突然增大，而高速推進(jìn)在第5次循環(huán)便出現(xiàn)突增，且循環(huán)加卸載過程中的普遍大于中速，即高速推進(jìn)應(yīng)力路徑下的煤樣損傷程度高于中速。

由圖15(b)可知低速應(yīng)力路徑下，第6次循環(huán)加卸載的聲發(fā)射數(shù)量響應(yīng)比突增至5.27；中速路徑第5次循環(huán)加卸載的達(dá)到最大4.55，循環(huán)加卸載過程中的穩(wěn)定在2.00～4.55內(nèi)；高速路徑第3，7次循環(huán)下的分別突增至3.85，3.74，響應(yīng)比整體隨循環(huán)次數(shù)的增加呈明顯的波動(dòng)式遞增趨勢(shì)。

加卸載路徑下的加載階段，煤樣持續(xù)受載使得煤樣內(nèi)部持續(xù)壓縮，損傷較為明顯，因而加載階段的聲發(fā)射數(shù)量普遍大于卸載階段；而卸載階段通過應(yīng)力的釋放使得煤樣內(nèi)部存在試件存在彈塑性變形而產(chǎn)生摩擦，隨著循環(huán)加卸載的進(jìn)行，其卸載階段的彈性變形逐漸向塑性變形轉(zhuǎn)換，卸載階段因變形產(chǎn)生摩擦效應(yīng)形成的聲發(fā)射數(shù)量隨著卸載次數(shù)增加而產(chǎn)生的增量較小。

4.3 基于加卸載響應(yīng)比的沖擊煤樣評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過類比煤礦沖擊礦壓的評(píng)價(jià)方法將不同推進(jìn)速度應(yīng)力路徑下的循環(huán)加卸載煤樣沖擊類型進(jìn)行劃分后，引入加卸載響應(yīng)比理論得出響應(yīng)比的大小，形成采動(dòng)應(yīng)力路徑下的煤樣循環(huán)加卸載響應(yīng)比評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)急傾斜巨厚煤層不同推進(jìn)速度開采擾動(dòng)誘發(fā)煤層的破壞規(guī)律加以表征。其采動(dòng)應(yīng)力路徑下煤樣加卸載響應(yīng)表征分析方法如圖16所示。

圖16 采動(dòng)應(yīng)力路徑下煤樣加卸載響應(yīng)表征分析方法

低速、中速、高速3種應(yīng)力路徑采用相同加載速率時(shí)，煤樣循環(huán)加卸載時(shí)間的加卸載響應(yīng)比與煤樣循環(huán)加卸載大小的加卸載響應(yīng)比相同。借助于加卸載響應(yīng)比的由來，引入加卸載大小比，對(duì)開采擾動(dòng)的加卸載比加以表征。

加卸載響應(yīng)比采用式(4)計(jì)算。

(4)

式中，，分別為循環(huán)加卸載階段的加載應(yīng)力和卸載應(yīng)力。

單位應(yīng)力變化量下聲發(fā)射數(shù)量的加卸載(聲發(fā)射數(shù)量/加卸載)響應(yīng)比為

(5)

由表3不同推進(jìn)速度應(yīng)力路徑的加卸載參數(shù)變化，計(jì)算出單次加載與卸載階段的應(yīng)力差值，其不同應(yīng)力路徑下加載應(yīng)力變化量與加載應(yīng)力變化量均普遍隨著循環(huán)加卸載次數(shù)的增加而增大，其中卸載應(yīng)力變化量于中速、高速的末次循環(huán)階段的變化量較為明顯，分別為5.05與5.17 MPa，略大于該階段的加載應(yīng)力大小。

采動(dòng)應(yīng)力路徑循環(huán)加卸載過程中的加載應(yīng)力普遍大于卸載應(yīng)力，加卸載應(yīng)力變化量差異較大，為此采用聲發(fā)射數(shù)量/加卸載大小的響應(yīng)比，即單位應(yīng)力變化量下的聲發(fā)射數(shù)量之比對(duì)煤樣循環(huán)加卸載加以表征。根據(jù)式(4)，(5)，繪制了煤樣加卸載應(yīng)力大小及單位應(yīng)力下聲發(fā)射數(shù)量的加卸載響應(yīng)比如圖17所示。由圖17(a)可知，低速、中速、高速應(yīng)力路徑下，煤樣循環(huán)加卸載大小的加卸載響應(yīng)比變化幅度較大，普遍大于1。在低速路徑的第2，6，8次循環(huán)加卸載時(shí)分別達(dá)到3.80，4.58，2.49，產(chǎn)生明顯突增峰值；在中速路徑的第5次循環(huán)加卸載時(shí)達(dá)到3.83；在高速路徑的第3，7次循環(huán)加卸載時(shí)明顯突增到3.64，2.48。由圖17(b)可知，在低速、中速、高速不同路徑下，單位應(yīng)力下聲發(fā)射數(shù)量的加卸載響應(yīng)比均大于1，表明聲發(fā)射事件主要產(chǎn)生于加載階段，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加整體呈現(xiàn)明顯的遞增趨勢(shì)，其中最后3次循環(huán)加卸載過程中的遞增趨勢(shì)最為明顯。在低速路徑下的前9次循環(huán)加卸載過程中，基本在1.07～1.52內(nèi)波動(dòng)，第10次循環(huán)加卸載達(dá)到最大值1.70；在中速、高速路徑第1～6次循環(huán)下的基本在1.04～1.34內(nèi)呈震蕩式波動(dòng)，第7，8次循環(huán)下的增幅明顯增加，中速、高速路徑的末次循環(huán)所得達(dá)到最大，分別為1.93，2.63。

圖17 加卸載應(yīng)力大小及單位應(yīng)力下聲發(fā)射數(shù)量的加卸載響應(yīng)比

根據(jù)煤樣循環(huán)加卸載的彈性模量、單位應(yīng)力下聲發(fā)射數(shù)量響應(yīng)比即，綜合分析得出：煤樣所受外部載荷較低時(shí)，損傷程度較小，其穩(wěn)定性較高，加卸載響應(yīng)比較小，微小的擾動(dòng)造成了原煤內(nèi)部損傷微擴(kuò)展及變形微增量。隨載荷的持續(xù)增加，原煤材料內(nèi)部損傷和破壞不斷增加，此時(shí)煤樣宏觀表現(xiàn)出剛度下降，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸下降。

根據(jù)循環(huán)加卸載的沖擊煤樣評(píng)價(jià)結(jié)果，得出不同推進(jìn)速度應(yīng)力路徑下的煤樣沖擊類型，即6.4 m/d高速推進(jìn)應(yīng)力路徑下的煤樣破壞可視為沖擊煤樣，而3.2，4.8 m/d低速與中速推進(jìn)應(yīng)力路徑下的煤樣破壞視為非沖擊煤樣；結(jié)合加卸載響應(yīng)比，掌握了不同推進(jìn)速度應(yīng)力路徑下的煤樣加卸載響應(yīng)比的大小，即6.4 m/d高速推進(jìn)應(yīng)力路徑下的彈性模量比及聲發(fā)射數(shù)量/加卸載大小的響應(yīng)比均大于2，分別為2.04，2.63，低速與中速則小于2。結(jié)合各類煤樣沖擊類型的評(píng)價(jià)結(jié)果及其加卸載響應(yīng)比，提出了適用于采動(dòng)應(yīng)力路徑下的煤樣循環(huán)加卸載響應(yīng)比評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體內(nèi)容見表6。

表6 采動(dòng)應(yīng)力路徑下煤樣循環(huán)加卸載響應(yīng)比評(píng)價(jià)指標(biāo)

由不同應(yīng)力路徑下的煤樣抗壓強(qiáng)度、能量變化情況、破壞特征、煤樣沖擊類型等的匯總分析可知，高速應(yīng)力路徑下的煤樣強(qiáng)度較高，產(chǎn)生破壞的沖擊效應(yīng)較強(qiáng)，釋放能量較大，6.4 m/d高速推進(jìn)雖然可以滿足礦井生產(chǎn)的高效作業(yè)，但其存在一定的沖擊危險(xiǎn)性；3.2 m/d低速推進(jìn)雖然可以達(dá)到礦井的安全生產(chǎn)，但其生產(chǎn)效率較低，因而3種不同速度中，滿足烏東煤礦B3+6煤層+425 m水平的安全高效開采的合理推進(jìn)速度為4.8 m/d。

5 工程實(shí)踐

微震監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)采動(dòng)過程中煤巖破裂事件時(shí)間、空間及能量的監(jiān)測(cè)，是沖擊地壓礦井必備的監(jiān)測(cè)手段。通過對(duì)B3+6煤層+425 m水平工作面開采過程中微震事件數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，可以分析不同開采速度下微震事件的數(shù)量及能量，支撐工作面合理推進(jìn)速度的確定及驗(yàn)證。

根據(jù)B3+6煤層+425 m水平工作面950～1 520 m開采過程中的微震監(jiān)測(cè)，形成了B3+6煤層+425 m水平工作面開采過程中的微震空間分布特征，具體如圖18所示。

圖18 +425 m水平工作面開采過程中的微震空間分布特征

圖18反映出+425 m水平工作面的微震事件主要分布在夾持巖柱、B3+6煤層及其頂?shù)装宓膮^(qū)域范圍內(nèi)，其中+425B巷道周圍的震源分布較為多，且10J以上的大能量事件有4處，其中3處分布在+425B巷道，1處分布在B巷道。

工作面不同推進(jìn)速度形成了覆巖不同的破壞特征，引發(fā)的微震能量也存在明顯不同，為有效分析不同推進(jìn)速度下的微震能量分布特征，繪制了工作面約57.6 m(與數(shù)值模擬中3種不同推進(jìn)速度的公倍數(shù)保持一致)開采過程中，不同推進(jìn)速度各能量區(qū)間的累計(jì)能量-事件關(guān)系，如圖19所示。

圖19 不同推進(jìn)速度各能量區(qū)間的累計(jì)能量-事件關(guān)系

由圖19可知，隨著微震能量區(qū)間的增加，能量計(jì)數(shù)呈明顯的線性遞減趨勢(shì)，其較低的能量區(qū)間微震事件數(shù)量越多，但累計(jì)的微震能量較少。3.2 m/d推進(jìn)速度下微震事件呈明顯的“高頻-低能”特征，4.8 m/d推進(jìn)速度下微震事件呈相對(duì)明顯的“低頻-高能”特征，0～10，10～10，10～10J各區(qū)間范圍內(nèi)3.2 m/d推進(jìn)下的微震事件明顯較多，但3.2 m/d推進(jìn)速度下，10～10J范圍的較大能量事件為59個(gè)，明顯小于4.8 m/d時(shí)的87個(gè)，且3.2 m/d推進(jìn)速度下未產(chǎn)生10～10J內(nèi)的大能量事件。

至57.6 m開采結(jié)束后，3.2，4.8 m/d推進(jìn)速度下累計(jì)微震能量分別為357 337，395 423 J，4.8 m/d較3.2 m/d推進(jìn)下的累計(jì)微震能量高約10.66%，其單日推進(jìn)4.8 m時(shí)平均每日微震能量為32 952 J，較3.2 m推進(jìn)的19 852 J增加約65.99%。4.8 m/d推進(jìn)時(shí)的單日能量較3.2 m/d存在明顯增加，但現(xiàn)場(chǎng)+425 m工作面開采采用頂?shù)装迳顪\孔爆破，于煤層頂?shù)装鍘r層中形成立體緩沖帶，并在B3巷沿煤體傾向施工注水，弱化了中間夾持巖柱，合理的現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)，滿足了+425 m水平工作面4.8 m/d的安全開采。

為全面分析不同推進(jìn)速度應(yīng)力路徑下煤樣的抗壓強(qiáng)度、聲發(fā)射能量、破壞特征、現(xiàn)場(chǎng)微震能量與事件及其加卸載響應(yīng)比的變化規(guī)律，圖20展示了不同推進(jìn)速度采動(dòng)影響的加卸載效應(yīng)綜合分析。

圖20 不同推進(jìn)速度采動(dòng)影響的加卸載效應(yīng)綜合分析

由圖20可知，低速、中速、高速不同推進(jìn)速度應(yīng)力路徑下的煤樣抗壓強(qiáng)度、累計(jì)聲發(fā)射能量與2種方法所得加卸載響應(yīng)比呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。且隨著推進(jìn)速度增加，其應(yīng)力路徑下的煤樣破碎程度逐步加大。當(dāng)載荷水平不斷提高，使得煤層抵抗失穩(wěn)破壞的能力不斷下降，所以失穩(wěn)破壞的可能性及其破壞程度隨著載荷水平的增加而逐漸增大，同時(shí)導(dǎo)致煤樣的臨界敏感性不斷增加，增大。其中，不同推進(jìn)速度應(yīng)力路徑下的末次循環(huán)加卸載結(jié)束后，6.4 m/d推進(jìn)應(yīng)力路徑下的明顯大于低速和中速，循環(huán)加卸載在6.4 m/d應(yīng)力路徑下的損傷程度大于3.2，4.8 m/d下的損傷程度。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)開采速度相對(duì)保持在4.8 m/d連續(xù)開采12 d的微震事件中，10～10J內(nèi)的較大能量事件占比達(dá)到8.43%，明顯大于3.2 m/d連續(xù)開采18 d的能量占比。同時(shí)4.8 m/d開采的微震累計(jì)能量較高，連續(xù)開采57.6 m的用時(shí)較短，使得平均單日開采微震事件以及單個(gè)微震事件的能量較大，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的平均單日開采微震事件以及單個(gè)微震事件的能量大小與2種方法所得加卸載響應(yīng)比呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。

通過類比煤礦沖擊礦壓的評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到6.4 m/d 應(yīng)力路徑下的煤樣可視為沖擊煤樣，結(jié)合不同推進(jìn)速度應(yīng)力路徑下的加卸載響應(yīng)比的大小，形成了采動(dòng)應(yīng)力路徑下彈性模量響應(yīng)比與單位應(yīng)力變化的聲發(fā)射數(shù)量響應(yīng)比均大于2的加卸載響應(yīng)比評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到了3種推進(jìn)速度中4.8 m/d能較好的滿足烏東煤礦B3+6煤層+425 m水平的安全高效開采?，F(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)得到+425 m水平工作面開采在采用深淺孔爆破與注水弱化頂?shù)装迮c中間夾持巖柱的施工作業(yè)后，4.8 m/d的推進(jìn)速度實(shí)現(xiàn)了+425 m水平工作面的安全高效開采。

6 結(jié) 論

(1)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)揭示了急傾斜巨厚煤層不同推進(jìn)速度下的采動(dòng)應(yīng)力路徑變化特征，得到了工作面3.2，4.8，6.4 m/d理想推進(jìn)情況下工作面前方煤體分別經(jīng)歷14，10，8個(gè)明顯的加卸載循環(huán)次數(shù)，推進(jìn)速度增加使得采動(dòng)應(yīng)力峰值增大，同時(shí)隨工作面推進(jìn)速度增加其采動(dòng)應(yīng)力路徑下循環(huán)加卸載幅度增大，循環(huán)次數(shù)減小，主要影響區(qū)域范圍增加，而作用時(shí)間減小。

(2)基于工作面推進(jìn)速度采動(dòng)影響下煤體受到的加卸載循環(huán)次數(shù)，提出以急傾斜巨厚煤層不同推進(jìn)速度下的采動(dòng)應(yīng)力路徑為煤巖試件的加卸載應(yīng)力路徑，完成了采動(dòng)應(yīng)力路徑作用下的煤樣力學(xué)行為分析。得出了采動(dòng)應(yīng)力路徑下煤樣的平均抗壓強(qiáng)度隨工作面推進(jìn)速度增加呈明顯的非線性遞增趨勢(shì)，且其遞增幅度逐漸增加，煤樣破壞程度、聲發(fā)射能量亦隨不同應(yīng)力路徑所處推進(jìn)速度的增加而增大，其中循環(huán)加卸載結(jié)束后6.4 m/d應(yīng)力路徑下的累計(jì)聲發(fā)射能量較低速、中速應(yīng)力路徑分別高約61.9%，45.4%。

(3)通過類比沖擊礦壓評(píng)價(jià)指標(biāo)與加卸載響應(yīng)比的特征分析，掌握了煤樣沖擊類型及其加卸載響應(yīng)的規(guī)律，提出了基于采動(dòng)加卸載響應(yīng)比的沖擊地壓礦井工作面推進(jìn)速度合理確定方法，根據(jù)彈性模量與單位應(yīng)力下聲發(fā)射數(shù)量響應(yīng)比的變化特征，構(gòu)建了不同推進(jìn)速度采動(dòng)應(yīng)力路徑下加卸載響應(yīng)比的煤樣破壞臨界值，確定了沖擊地壓礦井急傾斜巨厚煤層工作面的合理推進(jìn)速度，現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐監(jiān)測(cè)反映出4.8 m/d的推進(jìn)速度能較好實(shí)現(xiàn)+425 m水平的安全高效開采。