沖擊礦壓演化過程的力能作用原理：理論分析與實驗設計

蔡 武，朱旭明，陸 強，周 濤，鄭義寧，李許偉

(1.中國礦業大學 a.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,b.礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；2.兗煤菏澤能化有限公司 趙樓煤礦，山東 菏澤 274000；3.臨沂礦業集團菏澤煤電有限公司 郭屯煤礦，山東 菏澤 274704)

隨著人類向地球深部要資源的需求與日俱增，加之我國面臨石油對外依存度高、油氣勘探開發與新能源技術發展不足等能源問題，未來相當長時間內，煤炭仍然是我國的主體能源資源.長期以來，我國煤礦安全事故時有發生，解決煤炭安全開采問題已成為改善我國國計民生的重要舉措之一.尤其是自2018年10月20日山東龍鄆煤業發生重大沖擊礦壓事故后，國家相關部門高度重視煤礦沖擊礦壓防治工作，多次做出重要批示，要求深入研究沖擊礦壓災害機理，從源頭對沖擊礦壓進行治理.

沖擊礦壓因其發生過程的復雜性、突發性、多樣性等特點，其監測預警與防治一直是困擾采礦界的世界性難題，該難題涉及的沖擊礦壓全過程(孕育-啟動-顯現-結束)機理一直未得到有效揭示.當前，沖擊礦壓理論的發展主要基于經典強度理論[1]、剛度理論[2-3]、能量理論[4-6]、沖擊傾向性理論[7-9]、三準則機理[10]、變形失穩理論[11]的完善與擴充，如三因素理論[12]、擾動響應失穩理論[13]、動靜載疊加誘沖理論[14-15]、沖擊啟動理論[16]、蠕變失穩理論[17]等.根據長期的理論研究、實驗室試驗、現場試驗，一致認為沖擊礦壓的發生必須要滿足強度條件、能量條件和沖擊傾向性條件.其中，強度條件認為煤巖體上所受的應力要超過煤巖體的強度，煤巖體才會發生破壞；能量條件認為煤巖體中聚集能量的釋放速度要大于消耗能量的速度；沖擊傾向性條件表示煤巖體應具有發生脆性破壞的能力.這里，前一個條件是必要條件，而后兩個是充分條件，即煤巖體所受的應力沒有超過煤巖體的強度，煤巖系統就不會發生破壞，就不會出現沖擊礦壓；煤巖系統中雖然能夠聚集能量，但耗散的速度大于聚集的速度，就不會突然釋放，也不會發生沖擊礦壓；而煤巖系統沒有突然破壞的能力，也就不會發生沖擊礦壓.

動靜載疊加誘沖理論不僅能從廣義上涵蓋強度、剛度與能量理論要義，還綜合考慮了區域環境與采動靜載應力和動載擾動疊加的影響，目前已形成共識.本文在動靜載疊加理論的基礎上，通過建立頂板-煤層-底板協同作用下的沖擊載體系統模型，發展沖擊礦壓演化全過程(孕育-啟動-顯現-結束)的力能解釋，包括一種廣義剛度啟動條件和兩種動載誘沖效應，試圖為沖擊礦壓演化全過程提供一種全新的綜合解釋.

1 沖擊礦壓演化過程應力環境

地下煤體開挖引起應力場擾動，在橫向上于工作面前方及巷道周圍煤體中形成超過原巖應力大小的應力集中區，即支承應力區.同時開挖引起覆巖破壞及運移，在縱向上形成垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶和原始應力帶，并對應于橫向支承應力區中的峰后破壞區DE、峰前塑性區BD、彈性區AB和原始應力區，描述如圖1所示[18-20].

圖1 煤層開采應力分布與覆巖破壞結構之間的關系

在深部高地應力條件下，原巖處于準靜水壓力狀態，因此深部工作面前方煤巖體的應力環境改變起始于準靜水壓力狀態，隨工作面的推進，煤層中的支承壓力(即垂向應力)由三向等壓的靜水壓力狀態逐漸升高至峰值應力，而后伴隨煤體的破壞而進入卸壓狀態，垂向應力逐漸降低直至煤壁處的單壓殘余強度狀態，其真實應力路徑如圖1中的GABDE路徑所示；另一方面，水平應力則由三向等壓的靜水壓力狀態逐漸減低至0，即卸壓，真實應力路徑如圖1中的GF路徑所示.由圖1可知，井下開采活動、煤巖體對開采活動的應力響應等表現出來的割煤、移架、機械振動、爆破、頂底板破斷、煤體及頂板結構失穩、瓦斯突出、煤炮、斷層滑移等采掘擾動動載與采場及巷道周圍煤體的支承應力(靜載)疊加，一旦超過煤體的承載極限便容易產生煤巖動力災害，則沖擊礦壓的動靜載疊加誘發機理(如圖2所示[21])可用下式表示：

圖2 沖擊礦壓動靜載疊加誘發機理示意圖

σs+σd≥σbmin,

(1)

其中σs為煤巖體靜載應力、σd為采掘擾動動載、σbmin為沖擊礦壓的臨界應力.

煤礦采掘擾動動載主要有3種類型[22]：Ⅰ.震動波傳播產生的動載；Ⅱ.頂板巖層破斷、斷層滑移等面應力瞬間消失或減小產生的瞬間載荷(受迫動載)；Ⅲ.炸藥爆炸中心高壓氣體產生的沖擊動載.其中，頂板巖層破斷可產生兩類動載:斷裂面能量釋放產生礦震，震動波傳播到煤體或支護結構產生Ⅰ類動載；頂板斷裂塊體由于斷裂面應力消失或減小，將對煤體和支護體產生瞬間動載荷，該動載為Ⅱ類動載.Ⅱ類、Ⅲ類動載產生的同時，遠距離處將演變為Ⅰ類動載.

綜上所述，動靜載疊加誘發沖擊礦壓的類型主要表現為：

1)高靜載主導型(高靜載+低動載).深部開采中，巷道或采場圍巖原巖應力很高，巷道開挖或工作面回采導致巷道或采場周邊高靜載應力集中，此時應力水平往往已接近臨界載荷，遠場礦震產生的微小動載應力增量便可滿足動靜載疊加誘沖條件，從而導致煤體沖擊破壞.此時，礦震動載擾動在煤體沖擊破壞時主要起誘發作用，是目前最為普遍的一種沖擊礦壓發生類型.

2)高動載主導型(低靜載+高動載).淺部開采中，巷道或采場圍巖原巖應力不是很高，但遠場礦震強度很大，震動波傳至煤體的瞬間動載應力增量很大，巷道或采場周圍靜載應力與動載應力疊加超過臨界載荷導致煤體沖擊破壞.此時，礦震的動載應力擾動在煤體沖擊破壞時起主導作用.另外，在高加載速率下，煤樣的沖擊傾向性比常規狀態下更強，原本鑒定為無沖擊傾向的煤樣也具有沖擊傾向.這給出了淺部開采及原本鑒定為無沖擊傾向的煤層仍然發生沖擊礦壓的原因.

3)低臨界載荷主導型.因煤體的不均勻性及物性差異，不同區域發生沖擊礦壓的臨界載荷不同.當煤體中靜載應力較低，且礦震引發的動載應力不高時，若采掘空間煤巖體的物理力學性質或應力狀態突然變化，導致沖擊臨界載荷降低，小于動靜載疊加應力，也會發生沖擊礦壓.在斷層附近進行采掘活動，斷層面上受力處于臨界平衡狀態，沖擊礦壓主要由斷層滑移失穩誘發，具體可由應力場局部調整觸發，也可由震動波通過觸發.此時，動載荷通過改變斷層區的應力狀態或物性而使臨界應力降低從而誘發沖擊.

煤礦深部開采時，容易誘發沖擊礦壓，主要沖擊破壞表現為：高靜載+低動載>低靜載+高動載，深部開采原始地應力高，在較小的動載擾動下容易誘發沖擊.淺部煤層開采也會發生沖擊礦壓，主要淺部開采地應力小，但如果存在堅硬頂板大面積破斷運動產生高動載，也會誘發沖擊礦壓.煤巖的沖擊傾向性越強，沖擊臨界應力就越小，越容易發生沖擊礦壓；沖擊傾向性弱的煤層也會發生沖擊礦壓，只是沖擊臨界應力較高.

2 沖擊礦壓演化過程理論模型

2.1 力能作用原理

根據如圖3所示的沖擊礦壓發生模型，建立如圖4所示的頂板-煤層-底板沖擊載體系統模型[21].隨著煤層采掘活動推進，工作面前方煤體的受載應力應變關系可由圖中右邊曲線描述；將頂板與底板視為一完整圍巖，且其剛度與強度遠大于煤層，其受載應力應變關系可由圖中左邊曲線表述.圖4中，U1為沖擊過程中圍巖釋放彈性能；U2為沖擊過程中煤層對圍巖釋放彈性能的消耗；U3為沖擊過程中系統整體釋放的剩余彈性能；U4為額外輸入能量.

圖3 沖擊礦壓發生模型

圖4 沖擊礦壓演化過程的力能作用原理(沖擊載體系統模型)

在準靜載(σs)作用下，當煤層產生應變增量Δε2時，對應頂底板圍巖產生應變增量Δε1為

(2)

其中:k1為圍巖剛度,k2為煤層剛度.頂板-煤層-底板整個系統產生的總應變增量Δε為

(3)

其中煤層應變增量與系統整體應變增量的比值為

(4)

整個頂板-煤層-底板沖擊載體系統災變破壞過程的微震-應力-變形能轉換關系可由下式表示，其判據為U3>0，由此可知，微震釋放能量與應力降和應變增量的平方呈正比：

(5)

(6)

其中:σa、σb、Δε2為圖4中標示,E表示微震能量,η為微震效率.

結合圖4、式(4)和式(6)，可獲得沖擊礦壓演化全過程(孕育-啟動-顯現-結束)的力能解釋如下：

1)AB階段：k1和k2均大于0、且保持不變，此時k1+k2>0；Δε2/Δε也保持不變，頂底板圍巖和煤層均處于彈性儲能階段，屬于沖擊孕育階段.

2)BD階段：k2逐漸減小至0，k1保持不變，此時k1+k2>0；Δε2/Δε隨著k2/k1比值的減小而增加，頂底板圍巖繼續積聚彈性能，但煤體開始產生塑性變形，該階段煤體中的微裂隙開始萌生、孕育和擴展，對應產生微震/聲發射現象，屬于沖擊前兆階段.

3)DS1階段：k2小于0、且逐漸減小，k1保持不變，此時k1+k2≥0、U3≤0；當k1+k2=0時，對應圖中S1點，此時Δε2/Δε→∞，對應沖擊啟動時刻.

4)S1E階段：k2小于0、且先減小后增大，k1保持不變，狀態由k1+k2<0(U3>0)過渡到k1+k2>0(U3<0)；Δε2/Δε隨著k2/k1比值的先減后增而先增后減，屬于沖擊顯現至結束階段.

值得注意的是，上述分析重點關注的是煤體沖擊破壞，當k1+k2遠大于0時，即堅硬頂底板圍巖，此時對于頂板-煤層-底板整個沖擊系統，煤體很難發生沖擊式破壞，通常屬于充分的損傷破壞模式，堅硬頂底板圍巖往往處于大面積彎曲下沉或采空懸置狀態，一旦達到其自身極限強度，頂底板圍巖破壞釋放的能量將非常巨大，這種情況下容易導致整體系統發生如圖4所示的堅硬頂板型沖擊，此時，頂板釋放的能量就是沖擊釋放的整體能量.當k1+k2遠小于0時，即軟巖頂底板圍巖，此時，頂底板圍巖不具備積聚彈性能的能力，頂板-煤層-底板整體系統不易達到平衡，巷道易變形難支護，一般不容易發生沖擊.

2.2 廣義剛度啟動條件

如圖4所示，當頂板-煤層-底板沖擊載體系統疊加動載(σd)時，相比于準靜載作用下釋放的沖擊能量U3，其能量釋放將增加U4，此時等價于圍巖剛度從k1降低至k′1，同時沖擊啟動位置從S1提前至S2.因此，動靜載疊加誘發沖擊礦壓的廣義剛度啟動條件包括靜載作用下的k1+k2<0和動靜載疊加作用下的k′1+k2<0.

為此，開展了剛度啟動條件的數值試驗如圖5所示[21].由圖可知，對于純煤試樣(圖(a))，其聲發射(AE)能量釋放在時空分布上都比較均勻；對于頂板-煤層-底板組合試樣(圖(b)和圖(c))，其聲發射能量均主要集中在煤體中釋放，其中對于k1+k2<0的組合試樣，其聲發射能量釋放在時空上出現局部集中，并且k1+k2的絕對值越大(即k2絕對值越大，煤體破壞的動態破壞時間越短)，系統整體的能量釋放越多越劇烈(圖(d)).

圖5 沖擊啟動剛度條件數值試驗驗證

2.3 兩種動載誘沖效應

2.3.1 礦震疲勞動載型塑性變形誘沖效應

如圖4所示，對于Ⅰ類動載，如礦震，尤其是遠場震源，其作用模式相當于循環加卸載，由于煤巖材料的非均質性本質，礦震動載引起的每次加卸載將使煤體產生永久變形，此時當動載作用時間足夠長時，對于應力狀態處于S′2的煤體在疊加動載作用下，可啟動類似準靜載作用下位于S2應力狀態下的沖擊條件.因此，該類動靜載疊加誘發沖擊礦壓的動載誘沖效應稱為礦震疲勞動載型塑性變形誘沖效應，目前已在大量實驗中得到驗證[23-24]，如圖6所示.

圖6 礦震疲勞動載型塑性變形誘沖效應實驗驗證

2.3.2 瞬間沖擊動載型應力增量誘沖效應

如圖4所示，對于Ⅱ類動載，如工作面附近斷層滑移、頂板破斷等產生的瞬間動載，其作用模式相當于施加一瞬間應力增量Δσ，當面積S123>S3D4時，對于應力狀態處于峰前1處的煤體在疊加動載作用下，可啟動類似準靜載作用下位于峰后4處應力狀態下的沖擊條件[25].因此，該類動靜載疊加誘發沖擊礦壓的動載誘沖效應稱為瞬間沖擊動載型應力增量誘沖效應.

3 沖擊礦壓演化過程實驗設計

綜上所述，動靜載疊加誘發沖擊礦壓的力能作用原理包括一種廣義剛度啟動條件和兩種動載誘沖效應(應力增量誘沖和塑性變形誘沖).根據煤層采掘實際的復雜應力路徑，通過現場采集煤巖試樣，可設計組合煤巖試樣的真三軸準靜載實驗(剛度啟動條件)、真三軸加卸載實驗(塑性變形誘沖)和真三軸動靜組合實驗(應力增量誘沖).本文涉及的靜載加卸載參數設計參照國家標準《煤和巖石物理力學性質測定方法》[26]中推薦的加載速率區間(0.05～1.00 MPa/s)進行取值.

3.1 剛度啟動條件實驗設計

針對動靜載疊加誘發沖擊礦壓的剛度啟動條件，可設計如圖7所示的真三軸準靜載實驗：

圖7 剛度啟動條件實驗設計

1)初始應力加載階段：將試樣分別加載至初始應力環境：σ1=12 MPa,σ2=9.5 MPa,σ3=5 MPa，加載速率為0.05 MPa/s.

2)保壓階段：按力控制方式保持加載60 s，使試樣達到與現場吻合的初始應力環境.

3)巷道開挖影響階段：將試樣σ3方向一面瞬間卸載，σ1和σ2按力控制方式繼續保持恒定30 s，以模擬巷道開挖一面應力突然卸載的真實情況.

4)工作面開采影響階段：將σ2以0.1 MPa/s的速度緩慢卸載，同時σ1以0.5 MPa/s的速度加載至試樣瞬間失穩破壞.

3.2 礦震疲勞動載型塑性變形誘沖效應實驗設計

針對動靜載疊加誘發沖擊礦壓的礦震疲勞動載型塑性變形誘沖效應，可設計如圖8所示的真三軸循環加卸載實驗：

圖8 礦震疲勞動載型塑性變形誘沖效應實驗設計

1)初始應力加載階段：將試樣分別加載至初始應力環境：σ1=12 MPa、σ2=9.5 MPa、σ3=5 MPa，加載速率為0.05 MPa/s.

2)保壓階段：按力控制方式保持加載60s，使試樣達到與現場吻合的初始應力環境.

3)巷道開挖影響階段：將試樣σ3方向一面瞬間卸載，σ1和σ2按力控制方式繼續保持恒定30 s，以模擬巷道開挖一面應力突然卸載的真實情況.

4)工作面開采影響階段：將σ2以0.1 MPa/s的速度緩慢卸載，同時σ1以0.5 MPa/s的速度加載至14 MPa.

5)保壓階段：按力控制方式保持加載5 s.

6)循環加卸載階段：在σ1方向上施加循環加卸載，加卸載波形幅值為1 MPa，頻率為0.1 Hz，施加50個加卸載循環；如試樣未破壞，以0.5 MPa/s的速度加載1 MPa之后保壓5 s，繼續在σ1應力方向上施加循環加卸載，加卸載波形幅值為1 MPa，頻率為0.1 Hz，施加50個加卸載循環；如試樣仍未破壞，重復以上步驟至試樣瞬間失穩破壞.

3.3 瞬間沖擊動載型應力增量誘沖效應實驗設計

針對動靜載疊加誘發沖擊礦壓的瞬間沖擊動載型應力增量誘沖效應，可設計如圖9所示的真三軸動靜組合實驗：

1)初始應力加載階段：將試樣分別加載至初始應力環境,即σ1=12 MPa，σ2=9.5 MPa，σ3=5 MPa，加載速率為0.05 MPa/s.

2)保壓階段：按力控制方式保持加載60 s，使試樣達到與現場吻合的初始應力環境.

3)巷道開挖影響階段：將試樣σ3方向一面瞬間卸載，σ1和σ2按力控制方式繼續保持恒定30 s，以模擬巷道開挖一面應力突然卸載的真實情況.

4)工作面開采影響階段：將σ2以0.1 MPa/s的速度緩慢卸載，同時σ1以0.5 MPa/s的速度加載至剛度啟動條件實驗峰值應力對應的90%應力水平.

5)保壓階段：按力控制方式保持加載5 s.

6)動載階段：在σ1方向上采用霍普金森壓桿施加突然的應力增量0.1 MPa；如試樣未被破壞，以0.5 MPa/s的速度加載1 MPa之后保壓5 s，繼續在σ1應力方向上施加應力增量0.1 MPa；如試樣仍未被破壞，重復以上步驟至試樣瞬間失穩破壞.

4 結論

在分析總結煤礦沖擊礦壓演化過程靜載應力環境、采掘擾動動載類型、以及動靜載疊加誘發沖擊礦壓類型的基礎上，發展了動靜載疊加誘發沖擊礦壓的全過程解釋，提出了“一種廣義剛度啟動條件、兩種動載誘沖效應”的沖擊礦壓力能作用原理，并給出了相應實驗設計方案.主要結論如下：

1)分析總結了煤層開采靜載應力路徑及其應力分布與覆巖破壞結構之間的關系，以及震動波動載、受迫動載和沖擊動載3種采掘擾動動載類型，概況了沖擊礦壓的動靜載疊加誘發機理，并可分為高靜載主導型(高靜載+低動載)、高動載主導型(低靜載+高動載)和低臨界載荷主導型3種沖擊礦壓類型.

2)建立了頂板-煤層-底板協同作用下的沖擊載體系統模型，提出了動靜疊加誘發沖擊礦壓演化全過程(孕育-啟動-顯現-結束)的力能作用原理，包括一種廣義剛度啟動條件(靜載作用下的k1+k2<0和動靜載疊加作用下的k′1+k2<0)和瞬間沖擊動載型應力增量與礦震疲勞動載型塑性變形兩種動載誘沖效應，并基于現有數值模擬和實驗結果給予了驗證.

3)實驗設計了分別用于研究剛度啟動條件、礦震疲勞動載型塑性變形誘沖效應和瞬間沖擊動載型應力增量誘沖效應的真三軸準靜載實驗、真三軸循環加卸載實驗和真三軸動靜組合實驗，可為進一步探索沖擊礦壓演化全過程機理、監測預警與防治提供參考.