丁鑫：单面卸荷路径下含瓦斯煤岩力学特性与声发射试验研究 | “冲击地压与岩石动力学”专题

随着我国煤矿开采逐渐转向深部，高地压、高瓦斯压力的煤层赋存特征凸显，伴随开采发生的冲击地压事故频率与规模逐年升高，并诱发了瓦斯突出、涌出等次生灾害，严重制约了深部煤炭资源安全高效产出。工程实践表明，超过90%的冲击地压事故发生于新掘未支护或回采工作面前方巷道中，而回采、掘巷所形成的矿山压力在两帮煤体中表现为采动卸荷，因此，积极探索采动卸荷下含瓦斯煤岩力学特性及变形、破坏过程的前兆信息，对揭示深部高瓦斯煤层冲击地压发生机理，并形成科学、有效的预警体系对改善深部矿井生产环境、实现煤炭资源稳定产出具有重要的工程价值和科学意义。

围绕采动煤体力学特性及其破坏过程的前兆信息演化规律，前人开展了大量的基础性研究工作。刘泉声等、高明忠等、曹安业等、杨永杰、马德鹏等、冯有良等分别对含瓦斯煤岩开展卸荷实验，结果表明：卸荷初始围压、瓦斯压力、卸荷速率越高，临近破裂时损伤突变程度更加明显，卸荷模式决定了应力分布与变形破坏的基本模式、能量演化及冲击危险差异，最大主应力也是岩体破坏的重要影响因素；邓志刚等通过开展大尺寸强冲击倾向性煤样动态试验发现，动载形成的扰动效应、不充分损伤、能量积聚与耗散特性是卸荷煤体发生冲击失稳的动态响应机制；赵光明等、纪洪广等、HUANG、李文璞等证实开展卸荷、单面卸荷路径下岩体力学实验，可更准确地还原地下开挖过程中高应力区域围岩易发生动力破坏现象；尹光志等、CHEN等、李春元等研究表明，采动卸荷更易在煤体中形成裂隙而使流体涌入造成张拉破坏甚至灾变；侯公羽等在多速率巷道围岩开挖卸荷相似实验中发现，声发射幅值、主频与应力变化呈现良好的一致性；苏承东等、孟召平等、LIU等、张智博等、MENG实验研究表明，声发射能对煤岩性质劣化进行反映，声发射“空白区”与能量释放率能作为煤样失稳破坏的前兆特征；肖晓春、丁鑫等、李振雷等对煤岩破裂过程的声、电信号同源性开展实验，证实了多元信号监测能更为详尽地反应煤岩失稳破坏过程并进行预警。

现有研究成果为开展深部矿井煤岩动力灾害发生机理与前兆信息识别提供了借鉴，而更真实还原巷道围岩垂向加荷−径向卸荷−走向恒载应力状态的相关试验尚未开展，其力学行为与声信号演化规律探索仍有较大空白，基于这一原因，运用自主研发含瓦斯煤岩真三轴试验系统，以井下现场实测结果为工程基础，将深部巷道受载状态进行力学建模，开展垂向加荷–径向单面卸荷–走向恒载(以下简述为：单面卸荷)路径下含瓦斯煤岩受载力学试验，研究其力学特性、声发射演化规律及其内在联系，分析多卸荷速率下煤岩力学机制，以期为形成更为有效的防治方法与监测技术、保障深部煤炭资源安全产出提供试验支撑。

新掘未支护或回采工作面前方巷道受开采扰动具有沿垂向急剧升高而径向迅速降低的典型受载特点，而更易失稳、诱发冲击地压事故，深入研究采动卸荷下含瓦斯煤岩力学特性及伴随出现的声发射信号规律,是揭示深部高瓦斯煤层冲击地压发生机理并形成科学、有效的预警体系的基础。运用物理实验方法，基于自主研发的含瓦斯煤岩真三轴测试系统，开展垂向加荷–径向单面卸荷路径下含瓦斯煤岩受载实验，并监测全历程出现的声发射信号，分析卸荷速率、瓦斯压力对煤岩力学特性及声发射信号影响规律，引入统计分形理论开展煤岩碎块分布筛分统计，结果表明：单面卸荷路径下含瓦斯煤岩应力–应变关系具有弹性、非线性增长和软化的典型3阶段特征，高卸荷速率和瓦斯压力，降低了煤岩强度、峰值应变量，但使峰后阶段应力降模量增大，而随着初始围压升高使得该特征呈反向变化。

试样破坏后表现为由卸荷面指向内部的典型多剪切带与层状块体交替出现的“洋葱皮”式破坏形式，且卸荷速率越高，形成的贯穿裂隙越多、剪切带内糜棱状粉末减少而碎块尺度增大，相应的统计分形维数越低，而较高的初始围压和瓦斯压力使煤岩塑性特征增加而分形维数升高。三向应力状态与瓦斯的存在使煤岩受载具有塑性特点而伴随出现的声发射信号更加密集、连续，单面卸荷形成的渐进性破坏过程导致声发射具有明显的信号激增现象和最高值脉冲信号出现，次高值信号产生于应力峰值，随卸荷速率、瓦斯压力升高，两高值信号幅值增加且最值信号出现提前，声发射能量累计量“阶梯”增长现象愈发明显但累计总量逐渐降低。高瓦斯压力、初始围压及卸荷速率使煤岩破坏后具有更多盈余能，在实际工程中，高瓦斯压力、地应力使新掘巷道或支护失效围岩径向应力迅速降低并发生渐进性破坏而形成断续结构，易受高静载或冲击扰动致整体结构失效，且该部分“富能”围岩会在盈余能推动下发生块体弹射、倾出而形成动力灾害。