冲击矿压演化过程的力能作用原理：理论分析与实验设计

蔡 武，朱旭明，陆 强，周 涛，郑义宁，李许伟

(1.中国矿业大学 a.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,b.矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.兖煤菏泽能化有限公司 赵楼煤矿，山东 菏泽 274000；3.临沂矿业集团菏泽煤电有限公司 郭屯煤矿，山东 菏泽 274704)

随着人类向地球深部要资源的需求与日俱增，加之我国面临石油对外依存度高、油气勘探开发与新能源技术发展不足等能源问题，未来相当长时间内，煤炭仍然是我国的主体能源资源.长期以来，我国煤矿安全事故时有发生，解决煤炭安全开采问题已成为改善我国国计民生的重要举措之一.尤其是自2018年10月20日山东龙郓煤业发生重大冲击矿压事故后，国家相关部门高度重视煤矿冲击矿压防治工作，多次做出重要批示，要求深入研究冲击矿压灾害机理，从源头对冲击矿压进行治理.

冲击矿压因其发生过程的复杂性、突发性、多样性等特点，其监测预警与防治一直是困扰采矿界的世界性难题，该难题涉及的冲击矿压全过程(孕育-启动-显现-结束)机理一直未得到有效揭示.当前，冲击矿压理论的发展主要基于经典强度理论[1]、刚度理论[2-3]、能量理论[4-6]、冲击倾向性理论[7-9]、三准则机理[10]、变形失稳理论[11]的完善与扩充，如三因素理论[12]、扰动响应失稳理论[13]、动静载叠加诱冲理论[14-15]、冲击启动理论[16]、蠕变失稳理论[17]等.根据长期的理论研究、实验室试验、现场试验，一致认为冲击矿压的发生必须要满足强度条件、能量条件和冲击倾向性条件.其中，强度条件认为煤岩体上所受的应力要超过煤岩体的强度，煤岩体才会发生破坏；能量条件认为煤岩体中聚集能量的释放速度要大于消耗能量的速度；冲击倾向性条件表示煤岩体应具有发生脆性破坏的能力.这里，前一个条件是必要条件，而后两个是充分条件，即煤岩体所受的应力没有超过煤岩体的强度，煤岩系统就不会发生破坏，就不会出现冲击矿压；煤岩系统中虽然能够聚集能量，但耗散的速度大于聚集的速度，就不会突然释放，也不会发生冲击矿压；而煤岩系统没有突然破坏的能力，也就不会发生冲击矿压.

动静载叠加诱冲理论不仅能从广义上涵盖强度、刚度与能量理论要义，还综合考虑了区域环境与采动静载应力和动载扰动叠加的影响，目前已形成共识.本文在动静载叠加理论的基础上，通过建立顶板-煤层-底板协同作用下的冲击载体系统模型，发展冲击矿压演化全过程(孕育-启动-显现-结束)的力能解释，包括一种广义刚度启动条件和两种动载诱冲效应，试图为冲击矿压演化全过程提供一种全新的综合解释.

1 冲击矿压演化过程应力环境

地下煤体开挖引起应力场扰动，在横向上于工作面前方及巷道周围煤体中形成超过原岩应力大小的应力集中区，即支承应力区.同时开挖引起覆岩破坏及运移，在纵向上形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带和原始应力带，并对应于横向支承应力区中的峰后破坏区DE、峰前塑性区BD、弹性区AB和原始应力区，描述如图1所示[18-20].

图1 煤层开采应力分布与覆岩破坏结构之间的关系

在深部高地应力条件下，原岩处于准静水压力状态，因此深部工作面前方煤岩体的应力环境改变起始于准静水压力状态，随工作面的推进，煤层中的支承压力(即垂向应力)由三向等压的静水压力状态逐渐升高至峰值应力，而后伴随煤体的破坏而进入卸压状态，垂向应力逐渐降低直至煤壁处的单压残余强度状态，其真实应力路径如图1中的GABDE路径所示；另一方面，水平应力则由三向等压的静水压力状态逐渐减低至0，即卸压，真实应力路径如图1中的GF路径所示.由图1可知，井下开采活动、煤岩体对开采活动的应力响应等表现出来的割煤、移架、机械振动、爆破、顶底板破断、煤体及顶板结构失稳、瓦斯突出、煤炮、断层滑移等采掘扰动动载与采场及巷道周围煤体的支承应力(静载)叠加，一旦超过煤体的承载极限便容易产生煤岩动力灾害，则冲击矿压的动静载叠加诱发机理(如图2所示[21])可用下式表示：

图2 冲击矿压动静载叠加诱发机理示意图

σs+σd≥σbmin,

(1)

其中σs为煤岩体静载应力、σd为采掘扰动动载、σbmin为冲击矿压的临界应力.

煤矿采掘扰动动载主要有3种类型[22]：Ⅰ.震动波传播产生的动载；Ⅱ.顶板岩层破断、断层滑移等面应力瞬间消失或减小产生的瞬间载荷(受迫动载)；Ⅲ.炸药爆炸中心高压气体产生的冲击动载.其中，顶板岩层破断可产生两类动载:断裂面能量释放产生矿震，震动波传播到煤体或支护结构产生Ⅰ类动载；顶板断裂块体由于断裂面应力消失或减小，将对煤体和支护体产生瞬间动载荷，该动载为Ⅱ类动载.Ⅱ类、Ⅲ类动载产生的同时，远距离处将演变为Ⅰ类动载.

综上所述，动静载叠加诱发冲击矿压的类型主要表现为：

1)高静载主导型(高静载+低动载).深部开采中，巷道或采场围岩原岩应力很高，巷道开挖或工作面回采导致巷道或采场周边高静载应力集中，此时应力水平往往已接近临界载荷，远场矿震产生的微小动载应力增量便可满足动静载叠加诱冲条件，从而导致煤体冲击破坏.此时，矿震动载扰动在煤体冲击破坏时主要起诱发作用，是目前最为普遍的一种冲击矿压发生类型.

2)高动载主导型(低静载+高动载).浅部开采中，巷道或采场围岩原岩应力不是很高，但远场矿震强度很大，震动波传至煤体的瞬间动载应力增量很大，巷道或采场周围静载应力与动载应力叠加超过临界载荷导致煤体冲击破坏.此时，矿震的动载应力扰动在煤体冲击破坏时起主导作用.另外，在高加载速率下，煤样的冲击倾向性比常规状态下更强，原本鉴定为无冲击倾向的煤样也具有冲击倾向.这给出了浅部开采及原本鉴定为无冲击倾向的煤层仍然发生冲击矿压的原因.

3)低临界载荷主导型.因煤体的不均匀性及物性差异，不同区域发生冲击矿压的临界载荷不同.当煤体中静载应力较低，且矿震引发的动载应力不高时，若采掘空间煤岩体的物理力学性质或应力状态突然变化，导致冲击临界载荷降低，小于动静载叠加应力，也会发生冲击矿压.在断层附近进行采掘活动，断层面上受力处于临界平衡状态，冲击矿压主要由断层滑移失稳诱发，具体可由应力场局部调整触发，也可由震动波通过触发.此时，动载荷通过改变断层区的应力状态或物性而使临界应力降低从而诱发冲击.

煤矿深部开采时，容易诱发冲击矿压，主要冲击破坏表现为：高静载+低动载>低静载+高动载，深部开采原始地应力高，在较小的动载扰动下容易诱发冲击.浅部煤层开采也会发生冲击矿压，主要浅部开采地应力小，但如果存在坚硬顶板大面积破断运动产生高动载，也会诱发冲击矿压.煤岩的冲击倾向性越强，冲击临界应力就越小，越容易发生冲击矿压；冲击倾向性弱的煤层也会发生冲击矿压，只是冲击临界应力较高.

2 冲击矿压演化过程理论模型

2.1 力能作用原理

根据如图3所示的冲击矿压发生模型，建立如图4所示的顶板-煤层-底板冲击载体系统模型[21].随着煤层采掘活动推进，工作面前方煤体的受载应力应变关系可由图中右边曲线描述；将顶板与底板视为一完整围岩，且其刚度与强度远大于煤层，其受载应力应变关系可由图中左边曲线表述.图4中，U1为冲击过程中围岩释放弹性能；U2为冲击过程中煤层对围岩释放弹性能的消耗；U3为冲击过程中系统整体释放的剩余弹性能；U4为额外输入能量.

图3 冲击矿压发生模型

图4 冲击矿压演化过程的力能作用原理(冲击载体系统模型)

在准静载(σs)作用下，当煤层产生应变增量Δε2时，对应顶底板围岩产生应变增量Δε1为

(2)

其中:k1为围岩刚度,k2为煤层刚度.顶板-煤层-底板整个系统产生的总应变增量Δε为

(3)

其中煤层应变增量与系统整体应变增量的比值为

(4)

整个顶板-煤层-底板冲击载体系统灾变破坏过程的微震-应力-变形能转换关系可由下式表示，其判据为U3>0，由此可知，微震释放能量与应力降和应变增量的平方呈正比：

(5)

(6)

其中:σa、σb、Δε2为图4中标示,E表示微震能量,η为微震效率.

结合图4、式(4)和式(6)，可获得冲击矿压演化全过程(孕育-启动-显现-结束)的力能解释如下：

1)AB阶段：k1和k2均大于0、且保持不变，此时k1+k2>0；Δε2/Δε也保持不变，顶底板围岩和煤层均处于弹性储能阶段，属于冲击孕育阶段.

2)BD阶段：k2逐渐减小至0，k1保持不变，此时k1+k2>0；Δε2/Δε随着k2/k1比值的减小而增加，顶底板围岩继续积聚弹性能，但煤体开始产生塑性变形，该阶段煤体中的微裂隙开始萌生、孕育和扩展，对应产生微震/声发射现象，属于冲击前兆阶段.

3)DS1阶段：k2小于0、且逐渐减小，k1保持不变，此时k1+k2≥0、U3≤0；当k1+k2=0时，对应图中S1点，此时Δε2/Δε→∞，对应冲击启动时刻.

4)S1E阶段：k2小于0、且先减小后增大，k1保持不变，状态由k1+k2<0(U3>0)过渡到k1+k2>0(U3<0)；Δε2/Δε随着k2/k1比值的先减后增而先增后减，属于冲击显现至结束阶段.

值得注意的是，上述分析重点关注的是煤体冲击破坏，当k1+k2远大于0时，即坚硬顶底板围岩，此时对于顶板-煤层-底板整个冲击系统，煤体很难发生冲击式破坏，通常属于充分的损伤破坏模式，坚硬顶底板围岩往往处于大面积弯曲下沉或采空悬置状态，一旦达到其自身极限强度，顶底板围岩破坏释放的能量将非常巨大，这种情况下容易导致整体系统发生如图4所示的坚硬顶板型冲击，此时，顶板释放的能量就是冲击释放的整体能量.当k1+k2远小于0时，即软岩顶底板围岩，此时，顶底板围岩不具备积聚弹性能的能力，顶板-煤层-底板整体系统不易达到平衡，巷道易变形难支护，一般不容易发生冲击.

2.2 广义刚度启动条件

如图4所示，当顶板-煤层-底板冲击载体系统叠加动载(σd)时，相比于准静载作用下释放的冲击能量U3，其能量释放将增加U4，此时等价于围岩刚度从k1降低至k′1，同时冲击启动位置从S1提前至S2.因此，动静载叠加诱发冲击矿压的广义刚度启动条件包括静载作用下的k1+k2<0和动静载叠加作用下的k′1+k2<0.

为此，开展了刚度启动条件的数值试验如图5所示[21].由图可知，对于纯煤试样(图(a))，其声发射(AE)能量释放在时空分布上都比较均匀；对于顶板-煤层-底板组合试样(图(b)和图(c))，其声发射能量均主要集中在煤体中释放，其中对于k1+k2<0的组合试样，其声发射能量释放在时空上出现局部集中，并且k1+k2的绝对值越大(即k2绝对值越大，煤体破坏的动态破坏时间越短)，系统整体的能量释放越多越剧烈(图(d)).

图5 冲击启动刚度条件数值试验验证

2.3 两种动载诱冲效应

2.3.1 矿震疲劳动载型塑性变形诱冲效应

如图4所示，对于Ⅰ类动载，如矿震，尤其是远场震源，其作用模式相当于循环加卸载，由于煤岩材料的非均质性本质，矿震动载引起的每次加卸载将使煤体产生永久变形，此时当动载作用时间足够长时，对于应力状态处于S′2的煤体在叠加动载作用下，可启动类似准静载作用下位于S2应力状态下的冲击条件.因此，该类动静载叠加诱发冲击矿压的动载诱冲效应称为矿震疲劳动载型塑性变形诱冲效应，目前已在大量实验中得到验证[23-24]，如图6所示.

图6 矿震疲劳动载型塑性变形诱冲效应实验验证

2.3.2 瞬间冲击动载型应力增量诱冲效应

如图4所示，对于Ⅱ类动载，如工作面附近断层滑移、顶板破断等产生的瞬间动载，其作用模式相当于施加一瞬间应力增量Δσ，当面积S123>S3D4时，对于应力状态处于峰前1处的煤体在叠加动载作用下，可启动类似准静载作用下位于峰后4处应力状态下的冲击条件[25].因此，该类动静载叠加诱发冲击矿压的动载诱冲效应称为瞬间冲击动载型应力增量诱冲效应.

3 冲击矿压演化过程实验设计

综上所述，动静载叠加诱发冲击矿压的力能作用原理包括一种广义刚度启动条件和两种动载诱冲效应(应力增量诱冲和塑性变形诱冲).根据煤层采掘实际的复杂应力路径，通过现场采集煤岩试样，可设计组合煤岩试样的真三轴准静载实验(刚度启动条件)、真三轴加卸载实验(塑性变形诱冲)和真三轴动静组合实验(应力增量诱冲).本文涉及的静载加卸载参数设计参照国家标准《煤和岩石物理力学性质测定方法》[26]中推荐的加载速率区间(0.05～1.00 MPa/s)进行取值.

3.1 刚度启动条件实验设计

针对动静载叠加诱发冲击矿压的刚度启动条件，可设计如图7所示的真三轴准静载实验：

图7 刚度启动条件实验设计

1)初始应力加载阶段：将试样分别加载至初始应力环境：σ1=12 MPa,σ2=9.5 MPa,σ3=5 MPa，加载速率为0.05 MPa/s.

2)保压阶段：按力控制方式保持加载60 s，使试样达到与现场吻合的初始应力环境.

3)巷道开挖影响阶段：将试样σ3方向一面瞬间卸载，σ1和σ2按力控制方式继续保持恒定30 s，以模拟巷道开挖一面应力突然卸载的真实情况.

4)工作面开采影响阶段：将σ2以0.1 MPa/s的速度缓慢卸载，同时σ1以0.5 MPa/s的速度加载至试样瞬间失稳破坏.

3.2 矿震疲劳动载型塑性变形诱冲效应实验设计

针对动静载叠加诱发冲击矿压的矿震疲劳动载型塑性变形诱冲效应，可设计如图8所示的真三轴循环加卸载实验：

图8 矿震疲劳动载型塑性变形诱冲效应实验设计

1)初始应力加载阶段：将试样分别加载至初始应力环境：σ1=12 MPa、σ2=9.5 MPa、σ3=5 MPa，加载速率为0.05 MPa/s.

2)保压阶段：按力控制方式保持加载60s，使试样达到与现场吻合的初始应力环境.

3)巷道开挖影响阶段：将试样σ3方向一面瞬间卸载，σ1和σ2按力控制方式继续保持恒定30 s，以模拟巷道开挖一面应力突然卸载的真实情况.

4)工作面开采影响阶段：将σ2以0.1 MPa/s的速度缓慢卸载，同时σ1以0.5 MPa/s的速度加载至14 MPa.

5)保压阶段：按力控制方式保持加载5 s.

6)循环加卸载阶段：在σ1方向上施加循环加卸载，加卸载波形幅值为1 MPa，频率为0.1 Hz，施加50个加卸载循环；如试样未破坏，以0.5 MPa/s的速度加载1 MPa之后保压5 s，继续在σ1应力方向上施加循环加卸载，加卸载波形幅值为1 MPa，频率为0.1 Hz，施加50个加卸载循环；如试样仍未破坏，重复以上步骤至试样瞬间失稳破坏.

3.3 瞬间冲击动载型应力增量诱冲效应实验设计

针对动静载叠加诱发冲击矿压的瞬间冲击动载型应力增量诱冲效应，可设计如图9所示的真三轴动静组合实验：

1)初始应力加载阶段：将试样分别加载至初始应力环境,即σ1=12 MPa，σ2=9.5 MPa，σ3=5 MPa，加载速率为0.05 MPa/s.

2)保压阶段：按力控制方式保持加载60 s，使试样达到与现场吻合的初始应力环境.

3)巷道开挖影响阶段：将试样σ3方向一面瞬间卸载，σ1和σ2按力控制方式继续保持恒定30 s，以模拟巷道开挖一面应力突然卸载的真实情况.

4)工作面开采影响阶段：将σ2以0.1 MPa/s的速度缓慢卸载，同时σ1以0.5 MPa/s的速度加载至刚度启动条件实验峰值应力对应的90%应力水平.

5)保压阶段：按力控制方式保持加载5 s.

6)动载阶段：在σ1方向上采用霍普金森压杆施加突然的应力增量0.1 MPa；如试样未被破坏，以0.5 MPa/s的速度加载1 MPa之后保压5 s，继续在σ1应力方向上施加应力增量0.1 MPa；如试样仍未被破坏，重复以上步骤至试样瞬间失稳破坏.

4 结论

在分析总结煤矿冲击矿压演化过程静载应力环境、采掘扰动动载类型、以及动静载叠加诱发冲击矿压类型的基础上，发展了动静载叠加诱发冲击矿压的全过程解释，提出了“一种广义刚度启动条件、两种动载诱冲效应”的冲击矿压力能作用原理，并给出了相应实验设计方案.主要结论如下：

1)分析总结了煤层开采静载应力路径及其应力分布与覆岩破坏结构之间的关系，以及震动波动载、受迫动载和冲击动载3种采掘扰动动载类型，概况了冲击矿压的动静载叠加诱发机理，并可分为高静载主导型(高静载+低动载)、高动载主导型(低静载+高动载)和低临界载荷主导型3种冲击矿压类型.

2)建立了顶板-煤层-底板协同作用下的冲击载体系统模型，提出了动静叠加诱发冲击矿压演化全过程(孕育-启动-显现-结束)的力能作用原理，包括一种广义刚度启动条件(静载作用下的k1+k2<0和动静载叠加作用下的k′1+k2<0)和瞬间冲击动载型应力增量与矿震疲劳动载型塑性变形两种动载诱冲效应，并基于现有数值模拟和实验结果给予了验证.

3)实验设计了分别用于研究刚度启动条件、矿震疲劳动载型塑性变形诱冲效应和瞬间冲击动载型应力增量诱冲效应的真三轴准静载实验、真三轴循环加卸载实验和真三轴动静组合实验，可为进一步探索冲击矿压演化全过程机理、监测预警与防治提供参考.