王超杰，唐澤湘，徐長(zhǎng)航，楊洪偉，劉魯坦

（1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266580；2.河南神火煤電股份有限公司,河南 永城 476600）

0 引言

煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害以長(zhǎng)期性、復(fù)雜性和反復(fù)性多態(tài)勢(shì)制約煤炭的安全高效開(kāi)采。學(xué)術(shù)界開(kāi)展煤與瓦斯突出（簡(jiǎn)稱(chēng)“突出”）等災(zāi)害防治研究已長(zhǎng)達(dá)180余年，取得了眾多重大突破，尤其近年災(zāi)害多元?jiǎng)討B(tài)信息的集成監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)預(yù)警及分源防控技術(shù)工程示范[1-2]?，F(xiàn)有研究指出[3-4]其災(zāi)變本質(zhì)為：在采動(dòng)應(yīng)力與瓦斯壓力互饋多變響應(yīng)載荷下，新裂紋萌生、新舊裂紋貫通與擴(kuò)展誘發(fā)的煤巖體結(jié)構(gòu)損傷變形與斷裂失穩(wěn)現(xiàn)象。采動(dòng)煤巖體力學(xué)響應(yīng)在方向及數(shù)值上呈復(fù)雜多變特征，載荷類(lèi)型不同，煤巖動(dòng)力災(zāi)害類(lèi)型及強(qiáng)度截然不同[5-7]。同時(shí)因動(dòng)力災(zāi)害孕育受控于復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)[8-9]，呈“區(qū)域危險(xiǎn)，局部災(zāi)變”特征。相關(guān)機(jī)理尚有待進(jìn)一步揭示，在災(zāi)害主控機(jī)制及控因間定量化研究依然認(rèn)識(shí)匱乏[2,10-11]。煤炭工業(yè)“十四五”發(fā)展方向指出煤礦重大災(zāi)害防控基礎(chǔ)理論，作為煤炭智能化開(kāi)采的關(guān)鍵前提，是亟待攻關(guān)的重大科學(xué)問(wèn)題[12]。

鑒于原始含瓦斯煤巖體在井下賦存一般呈三向不等應(yīng)力載荷狀態(tài)，采掘擾動(dòng)使其普遍呈五面加載，單面臨空受載模式[5-7]。研究表明[4-5,13-16]此類(lèi)應(yīng)力模式下，煤體中裂紋萌生與擴(kuò)展沿中間主應(yīng)力方向演變，最終形成的宏觀層裂面近似平行于臨空自由面。同時(shí)理論分析指出煤體受地應(yīng)力作用發(fā)生初始破壞過(guò)程存在拉伸破壞，在失穩(wěn)過(guò)程中瓦斯進(jìn)一步加劇煤體碎裂，其破壞形式為拉伸-剪切復(fù)合型。文獻(xiàn)[17]也初步證實(shí)煤巖體在雙圍壓載荷路徑下，其破裂受軸向拉應(yīng)力的作用沿加載方向擴(kuò)展。這與常規(guī)認(rèn)識(shí)的采動(dòng)載荷下含瓦斯煤體受剪切破壞的力學(xué)響應(yīng)有著新的補(bǔ)充。盡管，目前對(duì)地應(yīng)力與瓦斯壓力在突出災(zāi)變過(guò)程中的認(rèn)識(shí)不盡相同，但由于災(zāi)變過(guò)程地應(yīng)力與瓦斯壓力共存，探究采動(dòng)煤體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)不能?chē)?yán)格區(qū)分或定義某主控因素在前，它們呈互饋協(xié)作狀態(tài)。因此，煤體初始破壞同樣由地應(yīng)力和瓦斯壓力共同作用逐步演化。然而，已然形成共識(shí)的是災(zāi)變過(guò)程兩應(yīng)力在不同階段必然存在主控狀態(tài)。大量研究均指出煤巖體初始破壞為災(zāi)變前提，因瓦斯嵌入，改變了含瓦斯煤巖體力學(xué)響應(yīng)特征，是煤巖體損傷失穩(wěn)的推動(dòng)力[18-22]。以地應(yīng)力主導(dǎo)的采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)決定煤巖體初始破壞強(qiáng)度與方向[23]。

突出孕育與發(fā)動(dòng)過(guò)程關(guān)鍵在于突出煤體的適時(shí)揭露。因采掘擾動(dòng)，工作面前方突出煤體在未揭露前必然受到集中應(yīng)力作用，隨應(yīng)力推移和瞬態(tài)平衡，在殘余應(yīng)力作用下引發(fā)持續(xù)性損傷失穩(wěn)。因此，地應(yīng)力在采動(dòng)下引發(fā)煤體損傷失穩(wěn)作為突出發(fā)生的必要條件，煤體損傷失穩(wěn)程度對(duì)突出強(qiáng)度分布具有關(guān)鍵作用。如相對(duì)于煤巷或采煤工作面，突出發(fā)生在石門(mén)揭煤時(shí)，突出強(qiáng)度普遍較大。部分原因歸結(jié)于突出煤體揭露前瓦斯賦存擾動(dòng)較小，而另外則由于揭煤工藝致使突出煤體殘余應(yīng)力賦存較大，進(jìn)而引發(fā)煤體損傷失穩(wěn)程度較高，為后續(xù)瓦斯做功提供便利。然而，綜合考慮采動(dòng)煤巖體應(yīng)力演化路徑及突出災(zāi)害發(fā)動(dòng)的突然性，構(gòu)建應(yīng)力加卸載模型，揭示采動(dòng)煤巖體裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展及損傷失穩(wěn)規(guī)律仍鮮有報(bào)道。導(dǎo)致突出災(zāi)害孕育階段，煤體初始破壞力學(xué)過(guò)程未能系統(tǒng)揭示。因此，基于突出煤體孕突過(guò)程應(yīng)力演化特征，以三向應(yīng)力漸變或突變?yōu)樵袨?zāi)過(guò)程力學(xué)再現(xiàn)背景，旨在揭示采掘工作面孕突過(guò)程地應(yīng)力誘使煤體初始破壞動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制。研究成果為闡明煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害孕育過(guò)程細(xì)-宏觀動(dòng)態(tài)力學(xué)行為提供理論基礎(chǔ)。

1 采掘工作面孕突應(yīng)力場(chǎng)特征與模型

1.1 采動(dòng)煤巖體多變力學(xué)特征

突出主要發(fā)生在煤巷、回采和石門(mén)揭煤工作面，根據(jù)其觸發(fā)時(shí)間屬性分為瞬時(shí)突出和延期突出。由掘進(jìn)特點(diǎn)可歸類(lèi)為掘進(jìn)時(shí)工作面前方發(fā)生瞬時(shí)/延期突出、掘進(jìn)后工作面前方/工作面后方煤壁發(fā)生延期突出。因此，采動(dòng)煤巖體應(yīng)力路徑演化過(guò)程屬突然和漸進(jìn)加卸載行為。若突出發(fā)生在采掘工作面前方，根據(jù)突出時(shí)間屬性，會(huì)伴隨沿工作面掘進(jìn)方向煤巖體應(yīng)力突然或漸進(jìn)卸載過(guò)程，相應(yīng)簡(jiǎn)化為最小主應(yīng)力突然或漸進(jìn)卸載路徑；若突出發(fā)生在采掘工作面后方煤壁，根據(jù)突出時(shí)間屬性，會(huì)伴隨在沿采掘空間方向一定殘余應(yīng)力下，另兩方向應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力集中，相應(yīng)簡(jiǎn)化為最小主應(yīng)力以一定應(yīng)力伺服，最大與中間主應(yīng)力漸進(jìn)加載路徑。如2010 年寺河煤礦“9·16”突出事故（掘進(jìn)后工作面前方發(fā)生延期突出）、2021 年山西石港“3·25”突出事故（掘進(jìn)時(shí)工作面前方發(fā)生延期突出）、2020 年陜西燎原煤業(yè)“6·10”突出事故（掘進(jìn)時(shí)工作面前方發(fā)生瞬時(shí)突出）、2017 年薛湖煤礦“5·15”突出事故（掘進(jìn)后工作面后方煤壁發(fā)生延期突出）。故而，突出發(fā)生伴隨著突出煤體在三向受力下突然或漸進(jìn)加卸載過(guò)程，其加卸載方向及速率決然不同。因此，基于上述四類(lèi)典型突出事故，采動(dòng)煤巖體孕突出過(guò)程殘余應(yīng)力加卸載路徑可簡(jiǎn)化為4種力學(xué)類(lèi)型，如圖1 所示，σ1為最大主應(yīng)力；σ2為中間主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力。

1.2 采動(dòng)煤巖體損傷失穩(wěn)數(shù)值模型

采動(dòng)煤巖體損傷失穩(wěn)過(guò)程屬動(dòng)態(tài)行為，基于常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)難以捕捉損傷失穩(wěn)細(xì)觀過(guò)程。目前，眾多研究均已表明利用數(shù)值仿真手段不僅可表征實(shí)際煤巖體破壞過(guò)程，更便于從細(xì)宏觀角度綜合剖析煤巖體損傷直至失穩(wěn)階段性特征。因此，本文基于離散元顆粒流軟件PFC3D，開(kāi)展如圖1 所示的不同力學(xué)路徑下煤巖體損傷失穩(wěn)過(guò)程模擬。PFC3D5.0 軟件中模型建立是將實(shí)際問(wèn)題遷移至數(shù)值模擬中演算解決的重要步驟。模型建立過(guò)程由以下幾步組成：設(shè)置模型計(jì)算區(qū)域、設(shè)置clean 命令、創(chuàng)建粒子集、設(shè)定邊界條件、設(shè)置初始條件與接觸模型以及給定粒子參數(shù)。以多重應(yīng)力路徑加卸載煤樣損傷失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，本文模擬采用平行黏結(jié)接觸模型，構(gòu)建了與試驗(yàn)等效的長(zhǎng)寬高為50 mm×50 mm×100 mm 標(biāo)準(zhǔn)煤巖體試件，如圖2 所示。

因突出煤體在現(xiàn)場(chǎng)采樣難以成型，基于文獻(xiàn)[24]，開(kāi)展了實(shí)際構(gòu)造煤體的型煤仿制試驗(yàn)，在三軸壓縮與巴西劈裂等物理力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)后得到實(shí)際型煤試樣力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。依據(jù)型煤試樣力學(xué)參數(shù)與應(yīng)變特性進(jìn)行模擬模型試樣參數(shù)標(biāo)定，經(jīng)100 組參數(shù)標(biāo)定得到模型細(xì)觀參數(shù)見(jiàn)表2。模型試樣與實(shí)際試樣單軸壓縮后應(yīng)力應(yīng)變及破壞形態(tài)對(duì)比如圖3 所示。由圖3 可知，模擬所構(gòu)建模型與實(shí)際型煤抗壓強(qiáng)度均為5.02 MPa。峰值處應(yīng)變，模擬結(jié)果為1.6%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為2.2%，二者相差0.6%；彈性模量，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為388、346 MPa，二者誤差在10%以內(nèi)。在受壓破壞各階段特性表現(xiàn)均接近，且均在相同部位發(fā)生單斜面剪切破壞，二者間具有較好的相似性。

表1 型煤試樣力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of briquette sample

表2 數(shù)值模擬細(xì)觀參數(shù)Table 2 Physical parameters of numerical simulation

圖3 模型驗(yàn)證Fig.3 Model validation

1.3 應(yīng)力加卸載模式

基于圖1，為綜合反應(yīng)采動(dòng)煤體誘發(fā)突出力學(xué)過(guò)程，本文不僅考慮應(yīng)力加卸載路徑，同時(shí)考慮路徑下應(yīng)力加卸載速率的影響。共設(shè)計(jì)10 種應(yīng)力加卸載模式，見(jiàn)表3。

表3 應(yīng)力加卸載模式Table 3 Stress loading or unloading types

2 采動(dòng)煤體損傷失穩(wěn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律

2.1 煤體損傷失穩(wěn)特征

4 種力學(xué)路徑載荷下煤體發(fā)生損傷直至失穩(wěn)破壞過(guò)程細(xì)宏觀形態(tài)如圖4—圖7 所示。由圖4 可知，在最小主應(yīng)力漸進(jìn)卸載過(guò)程，采掘面煤體在卸載方向發(fā)生明顯擴(kuò)容現(xiàn)象。隨卸載速率增加，煤體初始損傷位置由端部轉(zhuǎn)變?yōu)橹胁?。同時(shí)煤體破斷面擴(kuò)展范圍逐步增大，破壞類(lèi)型由單斜面剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)楣曹椉羟忻嫫茐?。圖5 表明在最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力均漸進(jìn)卸載過(guò)程，采掘面煤體在卸載方向發(fā)生明顯擴(kuò)容現(xiàn)象，初始損傷在煤體端部及中部均會(huì)發(fā)生。隨中間主應(yīng)力卸載速率增加，煤體破斷面擴(kuò)展范圍逐步增大，破壞類(lèi)型呈現(xiàn)由單斜面剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)楣曹椉羟忻嫫茐内厔?shì)。從圖6 可看出，在最小主應(yīng)力突然卸載過(guò)程，采掘面煤體在卸載方向發(fā)生明顯擴(kuò)容現(xiàn)象，初始損傷在煤體端部及中部均會(huì)發(fā)生。隨最小主應(yīng)力殘余應(yīng)力值降低，煤體破斷面擴(kuò)展范圍逐步增大，宏觀破斷面由與最小主應(yīng)力方向成一定夾角逐步發(fā)展成其法向方向，與中間主應(yīng)力方向平行，表明煤體呈現(xiàn)張拉破壞過(guò)程。圖7 表明在最小主應(yīng)力保持一定殘余應(yīng)力過(guò)程，采掘面煤體在最小主應(yīng)力方向發(fā)生明顯擴(kuò)容現(xiàn)象，初始損傷發(fā)生在煤體端部及中部。最大主應(yīng)力與中間主應(yīng)力加載速率相同，類(lèi)似于文獻(xiàn)[17]雙圍壓加載狀態(tài)，宏觀破斷面與中間主應(yīng)力方向平行，煤體呈現(xiàn)張拉破壞。同時(shí)可得出圍壓一旦滿足煤體破壞力學(xué)強(qiáng)度，圍壓應(yīng)力載荷大小對(duì)煤體破壞形式無(wú)影響。最大主應(yīng)力與中間主應(yīng)力加載速率不同，煤體呈現(xiàn)共軛剪切破壞過(guò)程。

圖4 應(yīng)力路徑①下煤體損傷失穩(wěn)特征Fig.4 Damage and failure characteristics under stress path ①

圖5 應(yīng)力路徑②下煤體損傷失穩(wěn)特征Fig.5 Damage and failure characteristics under stress path ②

圖6 應(yīng)力路徑③下煤體損傷失穩(wěn)特征Fig.6 Damage and failure characteristics under stress path ③

圖7 應(yīng)力路徑④下煤體損傷失穩(wěn)特征Fig.7 Damage and failure characteristics under stress path ④

2.2 聲發(fā)射響應(yīng)特征

煤巖體受力破壞過(guò)程伴隨聲發(fā)射事件的產(chǎn)生，即存在瞬態(tài)彈性應(yīng)力波釋放現(xiàn)象，這與其內(nèi)部微小裂紋的出現(xiàn)有直接聯(lián)系。在PFC 數(shù)值仿真中顆粒間的膠結(jié)破壞同樣存在應(yīng)變能的釋放，即每個(gè)微裂紋的出現(xiàn)表征著一次聲發(fā)射事件的發(fā)生。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微裂紋出現(xiàn)的數(shù)量即可模擬得到煤巖體破壞過(guò)程中的聲發(fā)射特性。通過(guò)煤體在不同應(yīng)力加卸載模式下聲發(fā)射AE 事件計(jì)數(shù)，分析煤體損傷失穩(wěn)過(guò)程階段性特征已成為揭示采動(dòng)煤體動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律的主要手段。圖8 為4 種應(yīng)力路徑下煤體損傷失穩(wěn)過(guò)程最大主應(yīng)力與聲發(fā)射AE 事件計(jì)數(shù)時(shí)域特征。圖中反映了采動(dòng)煤體在彈性階段，并無(wú)聲發(fā)射信號(hào)激發(fā)，隨煤體進(jìn)入塑性破壞階段，聲發(fā)射AE 事件響應(yīng)逐步增強(qiáng)。應(yīng)力峰值附近，聲發(fā)射AE 事件計(jì)數(shù)達(dá)到最高峰，且AE 事件計(jì)數(shù)峰值出現(xiàn)時(shí)刻稍滯后于應(yīng)力峰值出現(xiàn)時(shí)刻。此現(xiàn)象可歸結(jié)于煤體發(fā)生瞬間破壞后，煤體內(nèi)部在殘余應(yīng)力下仍會(huì)出現(xiàn)持續(xù)性損傷的結(jié)果。同時(shí)可看出在最小主應(yīng)力漸進(jìn)卸載過(guò)程，隨卸載速率增加，聲發(fā)射AE 事件計(jì)數(shù)峰值出現(xiàn)時(shí)刻越早，也表明煤體越易發(fā)生失穩(wěn)破壞。同理，在最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力均漸進(jìn)卸載過(guò)程，聲發(fā)射AE 事件計(jì)數(shù)隨中間主應(yīng)力卸載速率的增加，峰值出現(xiàn)時(shí)刻越靠前。在最小主應(yīng)力突然卸載過(guò)程，隨最小主應(yīng)力殘余應(yīng)力值降低，聲發(fā)射AE 事件計(jì)數(shù)峰值出現(xiàn)時(shí)刻越早。而最小主應(yīng)力保持一定殘余應(yīng)力過(guò)程，隨中間主應(yīng)力加載速率增加，聲發(fā)射AE 事件計(jì)數(shù)峰值出現(xiàn)時(shí)刻越提前。針對(duì)4 種應(yīng)力路徑下聲發(fā)射AE 事件計(jì)數(shù)峰值出現(xiàn)時(shí)刻，滿足如下關(guān)系：應(yīng)力路徑③（0.15～0.2 s）＜應(yīng)力路徑②（0.28～0.3 s）＜應(yīng)力路徑①（0.3～0.5 s）＜應(yīng)力路徑④（0.2～1.5 s）。

圖8 不同應(yīng)力路徑下煤體應(yīng)力與聲發(fā)射AE 事件數(shù)時(shí)域特征Fig.8 Time domain characteristics of stress and AE event number of coals under different stress paths

不同應(yīng)力加卸載模式下煤體最大主應(yīng)力與聲發(fā)射AE 事件累積計(jì)數(shù)之間的規(guī)律，如圖9 所示。由圖可得隨煤體破壞強(qiáng)度提高，聲發(fā)射AE 事件累積計(jì)數(shù)整體呈增大趨勢(shì)。如應(yīng)力路徑①和②，隨最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力卸載速率增加，煤體破壞強(qiáng)度降低，聲發(fā)射AE 事件累積計(jì)數(shù)減小。應(yīng)力路徑③下，隨最小主應(yīng)力殘余應(yīng)力值減小，煤體破壞強(qiáng)度降低，聲發(fā)射AE 事件累積計(jì)數(shù)減小。而針對(duì)應(yīng)力路徑④時(shí)，隨中間主應(yīng)力加載速率增加，煤體破壞強(qiáng)度增大，聲發(fā)射AE 事件累積計(jì)數(shù)略微下降。這極有可能由破壞類(lèi)型的差異引起煤體內(nèi)部損傷點(diǎn)發(fā)育量差別所致，圖12—圖13 裂隙分布形態(tài)特點(diǎn)對(duì)此有所體現(xiàn)。整體而言，表明不同應(yīng)力加卸載模式下煤體抗壓強(qiáng)度越大，煤體在失穩(wěn)破壞前所積蓄應(yīng)變能越大，進(jìn)而引發(fā)煤體失穩(wěn)破壞時(shí)轉(zhuǎn)變成聲發(fā)射能量越高，煤體內(nèi)部產(chǎn)生損傷破裂點(diǎn)越密集，圖4—圖7 中煤體失穩(wěn)前夕（Y軸視角）破裂點(diǎn)分布圖對(duì)此亦有所表征。

圖9 不同應(yīng)力路徑下煤體應(yīng)力與聲發(fā)射累積事件數(shù)演化特點(diǎn)Fig.9 Evolution characteristics of stress and cumulative AE event number of coals under different stress paths

3 采動(dòng)煤體裂紋動(dòng)態(tài)演變行為

3.1 裂紋動(dòng)態(tài)演變時(shí)域特征

采動(dòng)煤巖體產(chǎn)生局部損傷演變?yōu)槭Х€(wěn)破壞過(guò)程，伴隨著煤巖體顆粒的位錯(cuò)、斷裂進(jìn)而發(fā)育微裂紋，以及裂紋的擴(kuò)展、貫通并撕裂煤巖體形成宏觀破斷面。因此，裂紋動(dòng)態(tài)演變過(guò)程不僅可量化分析煤巖體損傷程度，同時(shí)可供剖析失穩(wěn)破壞過(guò)程力學(xué)作用機(jī)制。圖10 為不同應(yīng)力加卸載模式下，煤體損傷過(guò)程張拉裂紋和剪切裂紋量化特征與演化規(guī)律。由圖可知，煤體破壞過(guò)程最初發(fā)生剪切損傷，而后伴隨張拉裂紋出現(xiàn)產(chǎn)生張拉損傷。且裂紋整體擴(kuò)展趨勢(shì)呈現(xiàn)間歇性、漸進(jìn)性和陣發(fā)性復(fù)合特征。裂紋整體發(fā)育過(guò)程分為4 個(gè)階段：1 個(gè)突增階段、2 個(gè)慢增階段、1 個(gè)驟增階段。這相應(yīng)體現(xiàn)了采動(dòng)下煤巖體發(fā)生局部損傷、大面積破壞、整體性失穩(wěn)過(guò)程。也表征煤體初期新裂紋的出現(xiàn)（間歇性-突增階段）、裂紋的擴(kuò)展（漸進(jìn)性-慢增階段）以及貫通并擴(kuò)展（陣發(fā)性-慢增階段）、整體撕裂煤體過(guò)程（驟增階段）。為簡(jiǎn)潔解讀，上述特征標(biāo)注僅在圖10a 中的X軸以1 mm/s 卸載應(yīng)力模式下展示。應(yīng)力路徑①下，隨最小主應(yīng)力卸載速率增加，煤體抗壓強(qiáng)度降低，煤體內(nèi)部率先出現(xiàn)損傷，呈現(xiàn)裂紋出現(xiàn)時(shí)刻越早。同理，針對(duì)應(yīng)力路徑②，隨中間主應(yīng)力卸載速率增加，呈現(xiàn)裂紋出現(xiàn)時(shí)刻越早。應(yīng)力路徑③，隨最小主應(yīng)力殘余應(yīng)力值降低，裂紋出現(xiàn)時(shí)刻越早。針對(duì)應(yīng)力路徑④，隨中間主應(yīng)力加載速率增加，即使煤體抗壓強(qiáng)度無(wú)變化，呈現(xiàn)裂紋出現(xiàn)時(shí)刻相應(yīng)越早。裂紋出現(xiàn)時(shí)刻和聲發(fā)射AE 事件峰值出現(xiàn)時(shí)刻有相似規(guī)律，即滿足如下關(guān)系：應(yīng)力路徑③（0.075～0.12 s）＜應(yīng)力路徑②（0.14～0.15 s）＜應(yīng)力路徑①（0.15～0.21 s）＜應(yīng)力路徑④（0.12～0.9 s）。

圖10 不同應(yīng)力加卸載模式下煤體裂紋發(fā)育量分布Fig.10 Distribution of crack generation under different stress loading or unloading modes

不同應(yīng)力路徑下煤體剪切和張拉裂紋發(fā)育平均速率如圖11 所示。圖中表明裂紋發(fā)育速率分為緩慢增加階段、快速增加階段、快速衰減階段。整體而言，緩慢增加階段所耗時(shí)間最長(zhǎng)，快速衰減階段次之，快速增加階段最短。這相應(yīng)表明采動(dòng)煤巖體損傷具有時(shí)效性，但其失穩(wěn)破壞過(guò)程屬快速行為。由突出災(zāi)變的階段性特征可知，裂紋發(fā)育速率緩慢增加和快速增加階段對(duì)應(yīng)著突出的準(zhǔn)備階段，而快速衰減階段則預(yù)示著若瓦斯作用條件滿足可發(fā)動(dòng)突出。同時(shí)，階段的時(shí)效差異性也體現(xiàn)了災(zāi)害在準(zhǔn)備階段可預(yù)先監(jiān)測(cè)。如上文分析，同理得出表征煤體抗壓強(qiáng)度越低的應(yīng)力加卸載模式，其引發(fā)煤體裂紋發(fā)育速率相應(yīng)率先達(dá)到峰值。表明煤體即將產(chǎn)生宏觀破斷面，誘發(fā)失穩(wěn)破壞。然而，在應(yīng)力路徑④下，隨應(yīng)力加載速率增加，裂紋發(fā)育速率與煤體強(qiáng)度無(wú)明顯關(guān)系，與中間主應(yīng)力加載速率呈顯著正相關(guān)。

圖11 不同應(yīng)力路徑下煤體裂紋發(fā)育變化速率Fig.11 Crack development rate of coals under different stress paths

3.2 裂紋動(dòng)態(tài)演化規(guī)律

圖12 為采動(dòng)煤體不同損傷階段裂紋玫瑰云圖，云圖法向坐標(biāo)為（0,0,1）。由圖12a 可知，應(yīng)力路徑①下，隨最小主應(yīng)力卸載速率增加，煤體裂紋擴(kuò)展方向較為集中。裂紋擴(kuò)展過(guò)程呈現(xiàn)由沿中間主應(yīng)力方向逐步向最小主應(yīng)力方向擴(kuò)展。圖12b 表明隨中間主應(yīng)力卸載速率增加，煤體裂紋擴(kuò)展方向較為分散，沿中間主應(yīng)力方向與最小主應(yīng)力方向同步擴(kuò)展。從圖12c 可看出，針對(duì)應(yīng)力路徑③，煤體裂紋主要由沿中間主應(yīng)力方向逐步向最小主應(yīng)力方向擴(kuò)展。最小主應(yīng)力殘余應(yīng)力值的變化對(duì)裂紋擴(kuò)展方向影響不大。圖12d 表明不同中間主應(yīng)力加載速率下，煤體裂紋主要由沿中間主應(yīng)力方向逐步向最小主應(yīng)力方向擴(kuò)展。最大主應(yīng)力和中間主應(yīng)力加載速率不同時(shí)，裂紋擴(kuò)展方向相對(duì)分散。同時(shí)，結(jié)合圖4—圖7 采動(dòng)煤體損傷失穩(wěn)特征分析，可得出應(yīng)力路徑①和②下的采動(dòng)煤體主要發(fā)生單斜面和共軛面剪切破壞。觀察圖12 可知，煤體損傷失穩(wěn)后裂紋分布形態(tài)較為分散。而應(yīng)力路徑③和④下的采動(dòng)煤體主要呈現(xiàn)近似平行于中間主應(yīng)力方向的破斷面，煤體損傷失穩(wěn)后裂紋分布形態(tài)分散程度弱。

4 基于采動(dòng)下地應(yīng)力誘使煤體初始破壞規(guī)律突出防治技術(shù)展望

4.1 突出煤體擾動(dòng)方式

本文基于采掘工作面發(fā)生的典型突出災(zāi)害類(lèi)型，構(gòu)建了采動(dòng)煤體損傷失穩(wěn)過(guò)程中不同應(yīng)力載荷路徑。不同載荷路徑下煤體破壞強(qiáng)度對(duì)比如圖13 所示。由圖可知，采掘工作面煤體破壞強(qiáng)度和力學(xué)加卸載路徑密切相關(guān)。針對(duì)四種應(yīng)力路徑，應(yīng)力路徑②下煤體抗壓強(qiáng)度最低。然而據(jù)2.2 節(jié)分析，煤體失穩(wěn)破壞的時(shí)效性表明應(yīng)力路徑③下煤體最先發(fā)生失穩(wěn)破壞。這表明承受荷載下的煤體，其抗壓強(qiáng)度并不能決定是否容易發(fā)生突出，關(guān)鍵在于應(yīng)力載荷路徑。因此，煤體力學(xué)強(qiáng)度被視為影響突出發(fā)生的一主控因素，采動(dòng)煤體能否引發(fā)突出，或引發(fā)瞬時(shí)還是延期突出，關(guān)鍵在于應(yīng)力加卸載路徑。因此，文獻(xiàn)[25]提出基于不同作業(yè)類(lèi)型，突出災(zāi)害誘發(fā)過(guò)程應(yīng)具分類(lèi)研究構(gòu)想與此相呼應(yīng)?；谒姆N應(yīng)力路徑表征的突出災(zāi)害類(lèi)型，也表明了突出更易發(fā)生在采掘工作面前方，尤其正處于采掘擾動(dòng)作業(yè)過(guò)程。同時(shí)，也表明應(yīng)力路徑③下載荷突然卸載的采掘工作面最危險(xiǎn)，因此，尤其高瓦斯壓力賦存煤層，更應(yīng)避免使用炮掘等誘使應(yīng)力載荷突變的作業(yè)行為。對(duì)于綜掘過(guò)程，應(yīng)力路徑②下采掘工作面最危險(xiǎn)。因此，實(shí)際采掘過(guò)程應(yīng)避免如雙煤巷同步交叉掘進(jìn)，或兩煤巷、煤與巖巷貫通前必須在一定范圍內(nèi)加固煤體或提高消除瓦斯賦存程度。這為《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》第二十七條中第六款對(duì)突出煤層中巷道貫通作業(yè)規(guī)定提供了直觀的解釋依據(jù)。

4.2 突出預(yù)測(cè)技術(shù)

突出預(yù)測(cè)作為突出防治關(guān)鍵的一步，預(yù)測(cè)指標(biāo)選擇及臨界值判定準(zhǔn)確性及有效性決定突出預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性與可信性。目前，預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值的判定，一般是基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)和瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法大致劃定一個(gè)數(shù)值。只需確保該臨界值回判結(jié)果達(dá)到一定準(zhǔn)確度即可，或者根據(jù)已有預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值去反判推算其他預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值[26-27]。然而，依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法判定預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值雖具有較高準(zhǔn)確性，但它依賴(lài)于測(cè)定數(shù)據(jù)樣本的多寡，易產(chǎn)生誤判，導(dǎo)致“低指標(biāo)突出”事故發(fā)生。因此，預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值的準(zhǔn)確判定依然存在巨大挑戰(zhàn)。基于實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)實(shí)際煤巷掘進(jìn)工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)測(cè)定過(guò)程仍缺乏研究，這是預(yù)測(cè)指標(biāo)臨界值判定缺乏準(zhǔn)確性的關(guān)鍵原因。開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)突出預(yù)測(cè)工作，關(guān)鍵在于工作面掘進(jìn)模型的建立。文獻(xiàn)[28]中提到構(gòu)建突出預(yù)測(cè)模型時(shí)，應(yīng)能表征工作面煤體最危險(xiǎn)狀態(tài)。若在此模型下煤體不會(huì)發(fā)生突出，則在實(shí)際采掘過(guò)程中更不會(huì)發(fā)生突出?；谇拔姆治隹芍?，在同等瓦斯壓力水平下，當(dāng)最小主應(yīng)力突然卸載時(shí)，煤體出現(xiàn)失穩(wěn)時(shí)刻早，最易引發(fā)突出。文獻(xiàn)[28]中構(gòu)建的突出預(yù)測(cè)模型及平臺(tái)即符合此工況。然而當(dāng)中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均處卸載過(guò)程，煤體因破壞強(qiáng)度低，其一旦失穩(wěn)，相應(yīng)破壞程度高，由此賦存狀態(tài)危險(xiǎn)程度最高。因此，本文提出采用最小主應(yīng)力突然卸載、中間主應(yīng)力漸進(jìn)卸載的力學(xué)模式來(lái)模擬采掘工作面實(shí)際突出預(yù)測(cè)指標(biāo)測(cè)定過(guò)程。該模式可稱(chēng)為“采掘工作面突出預(yù)測(cè)理想采動(dòng)模式”。煤體初始破壞僅是突出發(fā)生的必要條件，而突出危險(xiǎn)程度在一定意義上由瓦斯壓力水平?jīng)Q定。因此，同等采掘應(yīng)力條件下，突出預(yù)測(cè)前煤體中瓦斯無(wú)泄露，煤體所具突出危險(xiǎn)性水平最高。文獻(xiàn)[28]中采用鉆頭對(duì)軟煤體的突然鉆進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)此工況。而突然破煤即體現(xiàn)最小主應(yīng)力突然卸載力學(xué)行為，因此，實(shí)際構(gòu)建突出預(yù)測(cè)指標(biāo)測(cè)定模式時(shí)，可采取此鉆進(jìn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)最小主應(yīng)力與瓦斯水平雙重理想狀態(tài)。而中間主應(yīng)力漸進(jìn)卸載則需要應(yīng)力加卸載設(shè)備予以調(diào)控。

卸除高荷載采動(dòng)應(yīng)力、消除高賦存瓦斯壓力是治災(zāi)的主要手段。基于不同采動(dòng)應(yīng)力行為，應(yīng)能體現(xiàn)災(zāi)害防治分源、分強(qiáng)度及分時(shí)空精準(zhǔn)布控，正如《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》修訂了煤層突出鑒定指標(biāo)臨界值，實(shí)現(xiàn)突出鑒定分源而定理念。因此，針對(duì)不同應(yīng)力路徑，因煤體破壞強(qiáng)度差別較大，實(shí)際采掘過(guò)程應(yīng)將采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)區(qū)塊化。不同區(qū)塊應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)體現(xiàn)差異化的瓦斯治理措施，即滿足《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》相關(guān)規(guī)定的同時(shí)，如應(yīng)力路徑③和②下區(qū)域煤體應(yīng)強(qiáng)化瓦斯抽采效果，進(jìn)一步降低瓦斯賦存水平。此外，也可通過(guò)調(diào)整作業(yè)進(jìn)度和順序管控煤體應(yīng)力載荷量與方向分布。

5 結(jié)論

1）采動(dòng)煤體在應(yīng)力卸載方向發(fā)生顯著擴(kuò)容現(xiàn)象，初始損傷發(fā)生在煤體端部或中部。最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力漸進(jìn)卸載速率增加，煤體破壞類(lèi)型呈現(xiàn)由單斜面剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)楣曹椉羟忻嫫茐?。最小主?yīng)力突然卸載或殘余應(yīng)力狀態(tài)下，煤體呈現(xiàn)宏觀破斷面與中間主應(yīng)力方向平行，而中間主應(yīng)力加載速率變化可引發(fā)煤體出現(xiàn)共軛剪切面破壞。

2）煤體聲發(fā)射應(yīng)力峰值出現(xiàn)時(shí)刻滯后于最大主應(yīng)力峰值出現(xiàn)時(shí)刻。不同應(yīng)力路徑下聲發(fā)射AE 事件計(jì)數(shù)峰值出現(xiàn)時(shí)刻之間的關(guān)系為：最小主應(yīng)力突然卸載＜最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力均漸進(jìn)卸載＜最小主應(yīng)力漸進(jìn)卸載＜最小主應(yīng)力保持一定殘余應(yīng)力。這相應(yīng)表征了不同應(yīng)力路徑下煤體破壞過(guò)程的快慢。最小主應(yīng)力與中間主應(yīng)力卸載速率增加、最小主應(yīng)力殘余應(yīng)力減小、中間主應(yīng)力加載速率降低，均會(huì)誘使煤體破壞強(qiáng)度降低。

3）采動(dòng)下煤體破壞過(guò)程隨剪切和張拉裂紋先后出現(xiàn)，呈現(xiàn)張剪破壞。裂紋整體發(fā)育趨勢(shì)呈現(xiàn)間歇性、漸進(jìn)性和陣發(fā)性復(fù)合特征。裂紋發(fā)育整體過(guò)程分為4 個(gè)階段：1 個(gè)突增階段、2 個(gè)慢增階段、1 個(gè)驟增階段。裂紋發(fā)育速率演化過(guò)程分為緩慢增加階段、快速增加階段、快速衰減階段。采動(dòng)煤體裂紋演化行為可表征為初期新裂紋出現(xiàn)（間歇性-突增階段）、裂紋擴(kuò)展（漸進(jìn)性-慢增階段）以及貫通并擴(kuò)展（陣發(fā)性-慢增階段）、整體撕裂煤體過(guò)程（驟增階段）。

4）采掘工作面煤體破壞強(qiáng)度和力學(xué)加卸載路徑密切相關(guān)，煤體力學(xué)強(qiáng)度被視為影響突出發(fā)生的一主控因素，地應(yīng)力誘發(fā)采動(dòng)煤體初始破壞的難易程度關(guān)鍵在于應(yīng)力加卸載路徑。最小主應(yīng)力突然卸載路徑，或當(dāng)中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均處卸載路徑，煤體賦存狀態(tài)危險(xiǎn)程度最高?；诖肆W(xué)行為，提出“采掘工作面突出預(yù)測(cè)理想采動(dòng)模式”。