不同卸载速率下煤岩采动力学响应试验研究

高明忠，王明耀，谢 晶，李欣凯，王英伟，王 飞，杨本高，张朝鹏，刘军军

(1.中国平煤神马集团炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室，河南 平顶山 467000；2.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 水利水电学院，四川 成都 610065；3.深圳大学 广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室深地科学与绿色能源研究院 土木与交通工程学院，广东 深圳 518060；4.中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016)

随着煤矿开采深度的不断增加，煤与瓦斯突出成为制约矿井高产高效的重要因素。如何安全、经济、有效地防治煤与瓦斯突出，前人为此进行了大量的研究，提出了许多有效的防治措施，其中，保护层开采技术是已被大量实践证明并用法规形式确立为防治煤矿突出危险的行之有效的开采方法，在国内外广泛应用。保护层开采能大幅度改善被保护层的透气性，有利于瓦斯运移和煤层瓦斯卸压抽放，达到预防煤与瓦斯突出的目的。在研究保护层开采过程中，被保护层受采动和静水压力作用下的变形特性对现场保护层开采方案的有效实施具有重要的理论和实际意义[1-3]。

深部煤岩体受初始地应力场的作用，经地下工程开挖扰动后，原岩应力场发生变化，最明显的特征就是水平应力的卸荷过程，导致煤岩体力学性质表现出本质的区别[4-6]。国内外一些学者通过研究某些具体条件下煤层上压力分布规律，揭示了煤层厚度、强度及开采深度等因素对支承压力的影响[7-9]。谢和平等[10-12]通过3种典型开采条件下（放顶煤开采、无煤柱开采与保护层开采）力学行为试验研究，得到煤岩体采动力学行为与开采方式的关联性。左建平等[13]基于3种典型的开采方式，对围岩同时进行了恒定卸围压、变速率加轴压的三轴压缩试验，认为破坏模式主要由屈服时的围压所决定。李天斌等[14]对玄武岩进行了卸荷破坏试验，得到卸荷状态下，随着破坏时围压增大，试样破坏形式逐渐由张性破坏向张剪性破坏过渡，且张剪破裂角也随之增大。刘维国等[15]通过研究三轴试验中各种应力路径下的应力−应变关系，发现不同卸载应力路径中最大主应力方向应变均最大这一现象。Swansson[16]和Crouch[17]等先后利用三轴试验机研究了卸围压对岩石强度的影响,得出应力路径对岩石强度的影响并不明显。然而，苏承东等[18]进行了不同应力路径下的原煤试件加卸载试验，认为相同围压下三轴卸围压时，试样的承载能力比常规三轴卸载时明显偏低。关于卸载速率的研究：Alam等[19]研究了砂岩在静态和动态压缩应变速率下的力学行为。薛东杰等[20]研究了不同卸载模式下煤样的力学特征参量和变形破坏特性，得到煤样破坏前吸收能量密度随着轴向卸载速率的关系。关于卸载速率对煤岩体力学特性的影响，前人通过单轴压缩、三轴压缩、直接拉伸以及间接拉伸等方法做了大量的研究，普遍认为在一定卸载速率范围内，煤以及顶板围岩强度随卸载速率的增大而呈增大趋势[21-24]。

综上，前人研究比较集中地关注了不同卸载模式和卸载速率对煤岩体力学行为的影响，但对深部保护层开采过程中不同卸载速率下的煤岩破坏特征所知甚少。然而，开采速度对煤岩体强度、裂隙的发育演化等起到了极其关键的作用[25-26]，对保护层开采过程中巷道支护、瓦斯抽采具有重要意义。目前，室内卸载速率如何与现场推荐速度进行转换仍是一个难题。现已有学者把上覆岩层对于煤层的挤压看作是刚性试验机对于试样的挤压，以此作为突破口，通过现场监测建立起采面推进速度与现场煤壁压缩速率的关系；然后，通过煤壁厚度与试样高度关系换算现场煤壁压缩速率与室内卸载速率的关系；最后，可由室内卸载速率反推采面推进速度[27-28]。然而，目前研究仅仅初步考虑了单轴压缩卸载率与实际采面推进关系，难以反映保护层开采过程中轴压上升速度和围压卸载速度的比例关系，三轴卸载速率与实际煤层开采速率的相关关系仍需进一步探讨。

本文试图探索保护层开采条件下不同卸载速率对煤岩变形性质、强度显现特征及破坏的影响规律。因此，选用较为常用的卸载速率反映现场不同推进速度下围岩强度变形。基于 MTS815 试验机，模拟深部采动力学过程；通过改变卸载速率，在重现煤岩静荷载（地应力）基础之上，开展保护层开采条件下煤岩力学试验，揭示考虑开采扰动与准静态卸载作用，煤岩在不同卸载速率下力学行为的本质差异，为现场保护层开采合理推进速度的制定提供参考依据。

1 试验区工作面煤岩采动应力特征试验分析

1.1 试验区工作面概况

平煤十二矿位于平顶山矿区东部、井田北部，为二叠系上统石千峰组组成的马鹏山、五节山等丘陵。该工作面位于五节山北部，地面为山地，地面标高+230 m～+320 m，工作面标高-762 m～-798 m，垂深1 006 m～1 137 m。煤层赋存较好，平均煤厚3.3 m，裂隙较为发育，在构造附近煤厚有所变化，煤层倾角3°～7°，煤层结构为简单结构煤层，煤体结构多为原生结构煤。

尽管不同开采速度下的支承压力分布规律影响因素较多，但其分布规律共性特征十分显著。谢和平等[10]通过分析不同开采条件下工作面支承压力分布规律，获得工作面前方煤体所承受的采动力学应力环境条件，即：随着工作面开采范围的增加，作用在煤壁前方的支承压力从原始应力状态开始增大；当峰值应力超过煤体强度极限后，煤体中的支承压力逐渐减小至残余应力，形成一个完整的时空演化过程。更大范围内，支承压力峰值大小、峰值位置及时空演化过程与工作面布置、开采方法密切相关，针对平煤矿区保护层开采工作面，其前方支承压力分布见图1[10]。图1中：σ1为垂直应力；σ2和σ3为水平应力；λ为侧压比，即水平应力与垂直应力之比；Y为工作面上覆岩层平均容重；H为工作面埋深；K为应力集中系数。

图1 保护层开采条件下工作面前方煤体应力环境[10]Fig. 1 Stress state of coal in the front of working face for protected coal seam mining[10]

1.2 保护层开采条件下工作面前方煤岩体应力路径设计

为了探索深部不同卸载速率下煤岩体的采动力学行为，从平煤矿区1 050 m深度获取煤样，基于谢和平等[10]提出的保护层开采条件下工作面前方煤体应力环境变化规律，工作面前方煤岩体经历的采动应力演化模拟路径如图2所示，拟定如下所示试验方案。

图2 保护层开采条件下应力路径Fig. 2 Stress path for protected coal seam mining

模拟采面推进水平应力卸荷阶段：第1卸载阶段（AB段），煤岩体由静水压力状态逐渐变化至轴向应力，集中系数K等于1.5，即σ1=1.5λγH≈50 MPa，煤岩轴向偏应力（σ1-σ3）增加和横向应力（σ3）卸载之比为2.25∶1；第2卸载阶段（BC段），应力集中系数由1.5逐渐减小直至煤岩发生卸荷破坏，轴向偏应力（σ1-σ3）增加和横向应力（σ3）卸载之比仍为2.25∶1[10]。

若把上覆岩层看作是试验机的上压板，推进速度越快，顶板以及煤层受上覆岩层压力作用就越迅速，即卸载速率越快，这必然导致采面应力场发生剧烈变化[27]。目前，已开展大量卸载破坏力学试验，学者们普遍认为卸载速率越快，岩体破坏时的峰值强度将越高，原因是缓慢的卸载速率使得岩体内初始损伤和增生的裂纹具有充分的时间进一步演化发展，而裂纹发育贯通会加速岩体破坏，导致岩体整体强度降低[31-32]。相关研究还认为，室内试验卸载速率与现场采面推进速度存在正相关关系，而现场监测数据表明开采速度过快会降低采面前方煤岩体的承载能力，使得其更容易发生破坏，同时强开采扰动会导致煤岩体变形位移量级显著增大，垮落破坏突发性显著增强[27,33−35]。因而，传统单一卸载试验得到的部分规律在实际生产过程中并不适用。为探究保护层开采工作面推进速度对岩石强度的影响，设计5个卸载速率（卸载阶段围压速率分别为1、2、3、4、5 MPa/min），展开考虑扰动应力路径的室内模拟试验，揭示不同卸载速率下煤岩采动力学行为。

2 卸载速率对煤岩力学特征响应规律与机制研究

试验采用四川大学深地科学与工程教育部重点实验室的 MTS815 Flex Test GT岩石力学测试系统，对标准圆柱形煤样进行开采扰动条件下、不同卸载速率三轴压缩试验。试样安装如图3所示。

图3 煤样三轴压缩过程示例Fig. 3 Example of triaxial compression process of coal samples

试验煤样是由平煤矿区1 050 m己组煤层某工作面煤块制得的标准煤样。对试样按顺序编号，选取试样中完整度较高、表面无宏观裂纹与明显缺失、密度离散性较小的试样，煤样密度分布在1.32～1.45 g/cm3之间，各试样参数如表1所示。

表1 试样物理性质统计Tab. 1 Statistics of physical properties of samples

图4为不同卸载速率下，煤岩体力学行为特征曲线。图4中，σ1为试验过程中轴向应力，ε1为轴向应变，ε3为环向应变，εv为体积应变。由图4可知：煤岩整个采动过程中体积应变不仅出现了相对初始状态的压缩，在达到峰值强度之前直到破坏阶段就已经出现了体积膨胀；1、2、3、4、5 MPa/min破坏时对应的平均体积应变分别为-0.185%、-0.245%、-0.097%、-0.015%、-0.016%，这主要是由于轴向应力在不断上升，而围压在不断卸荷，试样缺少水平方向的约束，膨胀的环向应变对体积的影响大于压缩的轴向应变，导致出现体积膨胀现象。

在基于保护层开采应力路径的卸载力学试验中，随着卸载速率提高，一方面，开采强扰动引起的围压卸载速率不断增加，导致围压快速下降，煤岩体更易向横向膨胀，产生较大的体积变形，试件内部尚未发生充分的适应性调整，使得周边实体介质承担过多的荷载，更易失稳破坏，导致试样强度降低；另一方面，在卸载速率较大时，试件内部的微小裂隙未能充分发育、扩展，使得内部保持更好的完整性，从而表现出抗压强度随开采速度增加而增加。二者共同作用下，使得采动过程中煤岩体整体强度随卸载速率增加（围压下降速度逐渐加大）呈先减小后增加再减小的趋势。由图4可明显看出：在保护层开采过程中，1和4 MPa/min卸载速率下，煤岩体强度达到最大，其σ1平均峰值应力达到64 MPa左右。在1～3 MPa/min卸载范围内，随卸载速率的增加，煤岩体强度整体呈减小趋势，1 MPa/min卸载速率煤岩体破坏时σ1峰值应力较3 MPa/min时提高了约12%；此时试样强度主要受围压影响，围压下降过快，导致实体承载结构率先破断，丧失承载能力，煤岩体更易失稳破坏。随着卸载速率的继续提高，4 MPa/min时，试样强度开始回升，此时裂隙发育成为影响试样强度的主要因素，在卸载速率较大时，其内部的微裂隙不能充分发育，试样保持了更好的完整性，因此试样强度开始出现回升现象。保护层开采条件下不同卸载速率煤岩体积先压缩后膨胀，普遍在破坏前就已出现体积膨胀现象，体积膨胀点（体积应变与纵坐标交点）随卸载速率的增加整体呈先减小后增加再减小，与峰值应力规律一致。

图4 不同卸载速率下煤岩力学行为特征曲线Fig. 4 Mechanical behavior characteristic curves of coal mass under different unloading rates

试验结果表明：当卸载速率在一定范围内时，提高卸载速率会降低煤岩体强度，需采取更多的支护措施；若超出该范围，提高卸载速率会使煤岩体整体强度显著增加。因而对应到现场工程实践，结合室内研究结果与实际开采情况（采用的开采方式、机械条件可达到的开采速度范围、釆动影响范围内围岩破碎程度等），将工作面开采速度控制在某个合理范围内，在保证煤岩体具有较高承载能力的同时，保证具有较高的生产效率，对于煤矿安全高效生产具有重要意义。

为更加直观地考虑卸载速率的影响，利用试验所得数据平均值绘制图5。由图5可知，煤岩采动力学行为与卸载速率具有相关性，即基于不同卸载速率下的煤岩体力学行为的试验研究，得到煤岩体破坏时对应的围压、峰值应力、轴向应变、环向应变等均与卸载速率相关联，试验数据见表2。

表2 不同卸载速率煤岩破坏时试验结果Tab. 2 Experimental results of coal failure with different unloading rates

从图5可明显看出，保护层开采方式下，煤岩破坏时的峰值应力随卸载速率的增加呈先减小后增大再减小的趋势，而围压的变化与其正好相反。整体而言，煤岩保护层开采方式下峰值应力对应的纵横向应变绝对值均随卸载速率增加呈先减小后增加的变化趋势。

图5 煤岩破坏时峰值应力、纵横向应变与卸载速率关系Fig. 5 Relationship between peak stress, vertical and horizontal strain and unloading speed in coal failure

在2 MPa/min和3 MPa/min卸载速率工况下，煤岩体破坏时的围压较大，纵横向变形较小，但体积变形较大，也即在高地应力环境下塑性特征更加明显，积聚了更多的能量，易产生高强度破坏。

3 不同卸载速率下煤岩体裂隙演化特征分析

通过采动煤岩破坏形态对比（图6），各卸载速率下煤岩宏观破坏特征相似，试样破坏断口清晰，明显以剪切破坏为主，大部分主剪切面贯通试样，且试件破坏的宏观裂纹均沿着轴向应力方向扩展，最终贯通整个试样，使试样失去承载能力。不同卸载速率下的煤岩试样均未观察到伴随主裂纹发生的层面破坏现象，主裂纹均贯穿煤岩体，随着卸载速率增加，主裂纹方向有从侧面向端部过渡的趋势。从裂纹数量来看，低卸载速率条件下，煤样在破坏时，裂纹总条数相对较多，除了主裂纹了之外，在主裂纹周边还会出现多条伴生的细小裂纹（图6（a）），这些都需要消耗一定能量的可释放弹性能，最终导致破损程度更大；微裂纹处产生的局部应力集中现象也在一定程度上影响了煤岩试样的破坏形态。此外，煤岩破坏时，围压先增大后减小再增大，2 MPa/min时峰值应力对应的围压基本最大，由图6可知，此时试样破碎程度最大，也说明高围压状态下煤岩体积膨胀最为剧烈，破碎程度达到最大，宏观破坏缺损也更多，试样表面煤岩薄片与碎粒剥落现象更加明显。当卸载较快时，裂纹较少，煤样在破坏时只出现了几条主要裂纹，破坏形态从多宏观破坏面向单一破坏面转变；试样内部微小裂隙来不及完全发育、扩展和贯通，试件中的力来不及充分传递，当弹性应变能积聚到一定程度，能量便迅速沿某一最薄弱的方向释放，从而形成单一的宏观破坏面。总体上，低卸载速率下裂隙可以较为充分发育，裂纹数量更多，有利于瓦斯抽采[36-37]；在保护层开采时，可以通过适当降低开采速度改善煤层透气性。

图6 不同卸载速率煤岩破坏形态Fig. 6 Failure mode of coal with different unloading rates

为定量表征不同深度围岩随卸载速率变化的损伤演化规律，将不同卸载速率煤岩破坏形态图导入Auto CAD中，用带宽度值的曲线描出各条裂隙，实现图像信息矢量化，利用MATLAB计算裂隙密度ρ：

式中：Sfracture为裂隙面积，cm2；Sborehole为裂隙素描图总面积，cm2。

统计不同卸载速率下试样破坏时的裂隙密度，可直观得出裂隙演化规律主要为：随着卸载速率增加，裂隙分布更为简单，密度更小，卸载速率1、2、3、4、5 MPa/min下煤岩裂隙密度分别为0.797%、0.730%、0.730%、0.620%、0.490%，其中，1 MPa/min约为5 MPa/min的1.61倍。裂隙密度表征了裂隙在煤岩表面的占位，可度量裂隙在空间的复杂程度，结果表明：低卸载速率下，煤岩体裂隙有时间充分发育、扩展，导致裂隙密度较大，裂纹数量较多；同时受破坏时高围压作用，在经历工程扰动后，围岩受力更为复杂、强烈，致使裂纹扩展的各向异性越强。

4 不同卸载速率效应的采动特性分析

不同卸载速率下，煤岩考虑采动的力学试验与未考虑采动的常规三轴卸载力学行为特征曲线（图7）表明，不同卸载速率下，煤岩体在整个采动过程中（图7（a））体积应变不仅出现了相对初始状态的压缩，还出现了破坏阶段的体积膨胀。然而，此前研究未考虑开采方式的影响，更没有按千米级赋存深度下的采动模型方式进行卸载，因而得到的煤岩体破坏时的体积变形相对初始状态始终表现为压缩特征（图7（b）），整个破坏过程未出现体积膨胀现象。因此，煤岩体变形破坏过程中的体积膨胀可作为采动特征，明显区别于煤岩体未采动下的体积压缩。现场煤层开采过程中，工作面前方煤岩体更易沿临空面方向产生较大变形并伴随大量裂隙破裂面。究其原因，煤层开采或者开挖活动破坏了原岩赋存应力平衡，支承压力升高的同时围压开始卸载并逐渐减小，从而导致采动煤岩体更易产生侧向膨胀，引起煤岩体破坏，破损程度更大。

图7 不同卸载速率下，煤岩考虑采动与未考虑采动的力学行为特征曲线Fig. 7 Characteristic curves of mechanical behaviors of coal under different unloading rates considering mining and not considering mining

另外，在采动条件下，各个卸载速率下的煤岩强度明显小于共同对应的未考虑采动时的强度，主要是因为工作面前方煤岩体采动过程是一个水平应力减小、轴向荷载不断增大的卸载过程，煤岩体更易由初始地应力状态到达破坏状态，从而导致考虑采动影响的不同卸载速率下煤岩的强度普遍小于未考虑采动影响煤岩的强度，现场工作面前方煤岩体在采动过程中更易发生破坏。未考虑采动影响的煤岩体力学特性规律和受采动影响相比有明显的不同，由应力-应变曲线形态可知，未考虑采动影响的煤样在初始状态均呈现显著线弹性变形特征，试样破坏、峰值应力在1～4 MPa/min时，随着卸载速率的增加并无明显变化，达到5 MPa/min时才有明显的上升，约为115 MPa，较1～3 MPa/min时的峰值应力提高了约12%。这是由于常规三轴压缩试验并未考虑水平应力的卸荷过程，导致试样强度受卸载速率影响相对较小。由图7（b）可知：未考虑采动影响、卸载速率为1 MPa/min时，试样应变较小，相同围压作用下，卸载速率在2～5 MPa/min时试样应变并无明显变化，围岩变形受卸载速率影响相对较小；但在采动条件下，由于围压在不断下降，不同卸载速率试样应变变化较大，侧面反映了围压对应变影响较大。常规三轴压缩试验在整个变形破坏过程中煤样相对于初始状态始终保持压缩，不同的是，高卸载速率下煤样在破坏时具有明显的膨胀趋势；在低卸载速率下，破坏时虽然也出现了体积膨胀，但相比而言扩容现象并不明显。

通过展开不同卸载速率下考虑采动与未考虑采动的室内变形破坏试验，不仅获得了相应的力学行为特征曲线，还得到了其破坏特征，如图8所示。由图8可知，下煤岩采动破坏特征相比未考虑采动影响存在明显的差异性，其破坏时煤岩宏观破裂面更多，破损程度更大。未考虑采动影响的煤岩体裂隙密度在1、2、3、4、5 MPa/min卸载速率下分别为0.50%、0.37%、0.33%、0.27%、0.43%，和采动条件下规律基本一致，即随着卸载速率的增加，整体上呈减小趋势；但是同样的卸载速率下，考虑采动影响的煤岩体裂隙密度明显较大，与采动条件下的体积膨胀特征相吻合。此外，采动条件下，煤岩体主要破裂面除了压剪破裂面外，还存在一些贯穿其中的横向破裂面，这些都需要消耗一定能量的可释放弹性能，最终导致破损程度更大。而未考虑采动的煤岩体主要表现为压剪破坏特征，破裂面比较单一，且破损程度相对较低，难以出现采动下的体积膨胀，与未考虑采动下变形特征相吻合。

图8 不同卸载速率下煤岩考虑采动和未考虑采动下破坏特征Fig. 8 Failure characteristics of coal under different unloading rates considering mining and not considering mining

5 结 论

通过探索平煤矿区保护层开采条件下煤岩采动应力路径演化规律，进而设计开展了千米级赋存深度考虑卸载速率影响的煤岩采动力学行为室内测试方法，分析了不同卸载速率下煤岩体力学行为特征，同时对比分析其与未考虑采动测试结果的差异性，得到以下主要结论：

1）常规三轴压缩试验由于未考虑水平应力的卸荷过程，卸载速率为1～4 MPa/min时，峰值应力随卸载速率增加并无明显变化；卸载速率达到5 MPa/min时，强度才有明显的上升。整个变形破坏过程中，煤样相对于初始状态始终保持体积压缩。

2）针对平煤十二矿，保护层开采条件下，随着加卸载速率提高，一方面，开采强扰动引起的围压卸荷速率不断增加，煤岩体更易产生横向膨胀，试件内部尚未发生充分的适应性调整，实体承载结构率先破断丧失承载能力，致使煤岩体强度降低；另一方面，在卸载速率较大时，试件内部的微小裂隙来不及发育、扩展，试件内部具有更好的完整性，从而表现出抗压强度随开采速度增加而增加。二者共同作用影响下，使得煤岩体整体强度随卸载速率增加呈先减小后增加再减小的趋势。

3）保护层开采条件下，卸载速率为1、2、3、4、5 MPa/min时，煤岩裂隙密度分别为0.797%、0.730%、0.730%、0.620%、0.490%。在低扰动下裂隙可以较为充分发育，裂隙密度更大，数量较多，可以改善煤层透气性和稳定性，有利于瓦斯抽采。实际采煤过程中应结合顶底板条件、瓦斯浓度适当调整开采速度，实现安全高效开采。

4）不同卸载速率煤岩采动力学行为与未考虑开采的煤岩力学行为截然不同。整个采动过程中，明显不同于未考虑采动下相对初始状态的体积压缩，由于水平应力不断卸荷，采动下煤岩体更易产生侧向膨胀，体积应变不仅出现了相对初始状态的压缩，在达到峰值强度之前直到破坏阶段就已经出现了体积膨胀，可将其作为采动特征；采动下煤岩强度明显偏小，破损程度更严重，破坏时裂隙密度更大。

本文针对平煤十二矿展开了不同卸载速率下保护层开采煤岩体力学行为研究，采动应力路径对真实开采过程进行了一定程度的简化，后续将深入分析煤岩体应力演化规律，设计更符合工程现场的模拟方法，使研究结果更加可靠。其次，针对其他地区煤样在保护层开采下是否会出现随着卸载速率增加，试样强度出现先下降后上升再下降的趋势有待研究。