深部煤岩原位扰动力学行为研究.pdf

第 45 卷第 8 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 8 2020 年8 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug. 2020 移动阅读 高明忠,王明耀,谢晶,等. 深部煤岩原位扰动力学行为研究[J]. 煤炭学报,2020,4582691-2703. GAO Mingzhong,WANG Mingyao,XIE Jing,et al. In-situ disturbed mechanical behavior of deep coal rock[J]. Journal of China Coal Society,2020,4582691-2703. 深部煤岩原位扰动力学行为研究 高明忠1,2,3,4,5,6,王明耀5,6,谢 晶5,6,高亚楠5,6,7,邓光迪1,2,3,4,5,6, 杨本高1,2,3,4,5,6,王 飞5,6,郝海春1,2,3,4,谢和平1,2,3,4,5,6 1. 深圳大学 广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室,广东 深圳 518060; 2. 深圳大学 深地科学与绿色能源研究院,广东 深圳 518060; 3. 深圳大学 深圳市深部工程科学与绿色能源重点实验室,广东 深圳 518060; 4. 深圳大学 土木与交通工程学院,广东 深圳 518060; 5. 四川大 学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川 成都 610065; 6. 四川大学 水利水电学院,四川 成都 610065; 7. 中国矿业大学 深部资源 流态化开采前沿科学研究中心,江苏 徐州 221116 摘 要深部开采是我国矿产资源获取的主要途径,然而目前深部资源的开发现状是工程领先倒逼 理论创新,时效性差,灾害频发。 系统探索深部岩体原位力学行为已经成为了深部矿产资源高效开 采亟待攻关的基础科学问题。 以深部煤炭开采为工程背景,通过现场井下实测捕捉深部岩体所经 历的应力路径,进而考虑扰动应力路径、深度原位赋存环境等因素,开展深部煤岩原位力学与破坏 特征的模拟测试,主要结论有① 赋存深度是深部原位岩体力学行为的重要影响因素。 岩体强度 随赋存深度非线性增长,浅部低围压岩体的强度受载荷速率影响较小,加卸载速率对深部高围 压岩体力学特征影响存在特定范围。 ② 工程扰动是深部原位岩石力学特性的重要影响因素。 扰 动应力路径下岩体较常规三轴强度降低,且与常规三轴力学试验不同的是出现低初始应力作用下 的体积膨胀和高围压作用下的体积收缩现象。 ③ 原位扰动应力路径下,随深度增加岩体破坏后表 面微裂纹数量减少,由“半 Y”型拉-剪复合破坏向“半 X”型纯剪切破坏过渡。 ④ 建议的煤岩原位 岩石力学测试方法可以较为真实模拟地下工程扰动形成的三向不等压力学状态,能有效在实验室 条件下揭示深部开采扰动下煤岩体力学行为。 关键词深部开采;原位力学;扰动力学;放顶煤;真三轴试验 中图分类号TD313;TD311 文献标志码A 文章编号0253-9993202008-2691-13 收稿日期2020-05-08 修回日期2020-06-08 责任编辑常 琛 DOI10. 13225/ j. cnki. jccs.2020.0784 基金项目国家自然科学基金资助项目51822403,51827901;四川省国际科技创新合作/ 港澳台科技创新合作资助项目2018HH0159 作者简介高明忠1980,男,山西吕梁人,教授。 E-mailgaomingzhong163． com 通讯作者王明耀1996,男,河南开封人,硕士研究生。 E-mail19940641996163． com In-situ disturbed mechanical behavior of deep coal rock GAO Mingzhong1,2,3,4,5,6,WANG Mingyao5,6,XIE Jing5,6,GAO Yanan5,6,7,DENG Guangdi1,2,3,4,5,6, YANG Bengao1,2,3,4,5,6,WANG Fei5,6,HAO Haichun1,2,3,4,XIE Heping1,2,3,4,5,6 1. Guangdong Provincial Key Laboratory of Deep Earth Sciences and Geothermal Energy Exploitation and Utilization,Shenzhen University,Shenzhen 518060, China; 2. Institute of Deep Earth Sciences and Green Energy,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China; 3. Shenzhen Key Laboratory of Deep Underground Engineering Sciences and Green Energy,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China; 4. College of Civil and Transportation Engineering,Shenzhen Universi- ty,Shenzhen 518060,China; 5. State Key Lab. of Hydraulics and Mountain River Eng. ,Sichuan University,Chengdu 610065,China; 6. College of Water Resource 7. Frontier Science Research Center for Fluidized Mining of Deep Underground Re- sources,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China AbstractDeep mining is the main way to obtain mineral resources in China. However,the engineering practice of deep resource mining is advanced ahead of the theory research,which usually results in frequent disasters. Systematic 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 exploration of in-situ mechanical behavior of deep rock mass has become a basic scientific problem to be tackled in the field of deep mineral resources high-efficiency mining. For the deep coal mining,through capturing the stress path of the deep rock from underground measured data,the experiments of in-situ rock mechanics and failure characteristics of deep coal were conducted under the mining-induced stress path and the deep in-situ environment factors in considera- tion. The main conclusions are shown as follows① the depth is an important factor affecting the mechanical character- istics of deep in-situ rock mass. The strength of rock mass increases nonlinearly with the depth. The strength of shallow with low confining pressure rock mass is less affected by the loading rate,and there is a sensitive range for loading- unloading rate. ② Engineering disturbance is another important factor affecting the mechanical properties of deep in- situ rock. The strength of rock mass under the mining-induced stress path is lower than that of conventional triaxial test. The volume expansion for specimen under low confining pressure and the volume compression for specimen under high confining pressure are different from that of conventional triaxial test. ③ For the in-situ stress path and the in- crease of depth,the number of the microcracks on the surface of the specimen decreases after failure,and the “half Y” tensile-shear failure changes to “half X” pure shear failure. ④ The proposed in-situ rock mechanics test can simulate the real three-dimension stress state caused by the underground engineering activities,and can effectively re- veal the mechanical characteristics of coal and rock in the disturbed environment of deep mining in the laboratory. Key wordsdeep mining;in-situ mechanics;disturbed mechanics;top-coal caving;true triaxial test 深部资源开采过程中,岩体力学行为及灾变过程 极其复杂,经典岩体力学理论已不能有效描述。 国内 外学者相继提出了“深部”的概念[1-2],并发展了针对 深部的工程技术与工程建议。 深部岩体力学常出现 异于常态的力学行为,目前普遍认为“深部”是采动 力学行为由以线性为主转为非线性为主的深度,或是 表现出某些特殊工程现象的临界深度[1-4],但并未强 调围岩所处应力环境与状态,这与工程实践有所差 异。 谢和平团队针对该问题开展了深入探索,通过对 大量现场地应力测试统计分析认为,深部不是深度 的位置概念,而是一种力学状态。 随着深度的增 加,地应力状态逐渐从浅部的构造应力主导状态向深 部静水压力状态转变,即理论上到达一定临界深度后 呈现出三向等压的静水压力状态σ1 σ 2 σ 3,相关 研究通过力学分析为深部界定提供一个机理性的、定 量化的描述,有效指导了深部资源的开采及其灾害防 控[5-6]。 目前,关于“深部”,学术界最大共识在于其“三 高一扰动”高地应力、高地温、高渗透压,开挖扰动 特征。 并且普遍认为“三高”环境导致岩石的组织结 构、基本力学特征和工程响应与浅部相比都将发生变 化,是深部工程灾害频发且不同于浅部灾害形式的主 要原因之一[7-8]。 人们针对高地应力、高地温及高渗 透压作用下的岩石物理力学特征展开了广泛的研究, 包括变形行为、 强度特征、 细观结构、 渗透特 性 等[9-11]。 值得注意的是地质环境如地应力、地温、渗 透压往往都是与赋存深度密切相关的,因此,一些学 者也以赋存深度为切入点,对深部岩体力学性质进行 了深入研究。 李俊如等[12]实测发现不同深度岩石抗 压强度、抗剪强度和黏聚力等随深度的增加而逐渐增 大。 蒋小伟等[13]利用岩体质量分级 RQD 方法,评估 了岩石变形模量随赋存深度增长的特征。 可见赋存 深度对岩石强度影响十分显著,其总体上随深度的增 加而增大[14]。 除了探讨深度对岩石变形破坏和强度 特征方面的影响外,人们对岩石破坏机理随赋存深度 的变化也进行了相应研究。 WAGNER 等[15]认为深 部岩体的破坏更多表现为动态的突然破坏,即岩爆或 冲击地压。 仵彦卿[16]通过室内三轴试验发现岩石孔 隙率随地层赋存深度的增加各个深度轴向应力 σ1γH,围压 σ3 KγH 进行模拟而逐渐减小。 同 时,深部煤岩体力学响应具有突变性,浅部岩体破坏 一般是渐进的,且在临近破坏时经常表现出变形加剧 现象,破坏前兆明显。 在深部开采条件下,大多学者 认为岩体破坏具有强烈的冲击破坏特性,其力学响应 的破坏过程往往是突发的、无前兆的突变过程。 在实 际巷道开挖过程中表现为大范围巷道的突然坍塌和 失稳[17-18],在采动工作面中该过程可能表现为顶板 的突然大面积冲击来压[15,19]等现象。 现有的研究,大多是基于深部环境的因素或状 态如地应力、温度或深度等展开,同时考虑原位赋 存状态和开采扰动的岩体力学行为研究还比较少见。 深部岩体破坏失稳的本质原因就是开采扰动破坏了 初始应力平衡状态,深部岩体的力学行为与开采扰动 及开采方式密切相关[20-21]。 沿用传统的常规三轴岩 石力学实验全应力-应变曲线对岩体的基本力学行 为和变形破坏过程进行描述分析,获得的岩石材料基 2962 第 8 期高明忠等深部煤岩原位扰动力学行为研究 本力学性质如弹性模量、泊松比、强度、黏聚力、内 摩擦角等,缺乏考虑现场的原位应力状态和开采扰 动的影响,未与工程活动相关联,不能反映在工程活 动或运营状态下岩体真实的力学性质[6,20,22]。 因此, 亟需要考虑原位地质环境和原位工程扰动,探索原位 岩体力学行为;从试验测试手段上来说,需要探索和 建立原位力学研究试验方法。 笔者以深部煤炭资源开采为工程背景,通过现场 实测探索深部开采扰动下煤岩应力环境演化过程;考 虑不同深度应力状态和煤炭开采不同扰动强度,开展 深部原位采动力学试验,分析煤岩体在真实复杂原位 应力路径演化过程中的力学行为和破裂特征,初步揭 示深部原位环境下岩石力学行为规律,以期为深部资 源开采提供理论基础和技术支撑。 1 深部原位力学环境测试及原位应力路径 深部原位岩体最初处于平衡状态,受开采或开挖 活动影响,原岩应力场出现变化,应力重新分布,且不 同工程活动致使围岩所受应力路径大相径庭,导致岩 体强度特征、变形破坏特征等一系列力学行为表现出 完全不同的规律。 即使同种工况下不同扰动强度对 深部岩石力学性质也会产生不同影响,普遍认为在一 定加载速率范围内,岩石强度随加载速率增大而增 大[23-26]。 另一方面,随着深度增加,围岩应力水平和 围岩属性均会发生改变,不同深度煤岩体表现出来的 基本力学特性与浅部开采时截然不同,甚至基本的力 学参数也发生变化,如弹性模量、泊松比等[21]。 因 此,深部原位岩石力学研究,必须充分考虑不同深度 原位应力状态、开采扰动路径以及扰动强度等方面的 影响。 1． 1 深部原位采动过程力学环境测试 煤炭开采过程的扰动效应相对容易监测捕捉,基 于同煤集团同忻矿北三盘区某工作面展开原位岩石 力学研究。 该工作面位于同忻井田西部、北三盘区的 西南 部, 工 作 面 标 高 818 842 m, 对 应 地 面 标 高 1 294． 3 1 443 m,垂直埋深约为 550 m。 煤层基 本顶为中细粗粒砂岩、泥岩及铝土质泥岩,水平层理, 泥质胶结。 直接顶为含砾粗砂岩及中砂岩,以石英碎 屑为主,伪顶为泥岩,直接底为高岭岩及炭质泥岩,基 本底为煤及中粗砂岩,以石英为主,长石次之。 该工 作面为近水平中厚或厚煤层, 煤层厚度 10． 8 18． 0 m,大部分区域平均厚度为 14． 88 m 左右,倾角 0 3,平均倾角 1． 5,地质构造简单,开采条件较 好。 通过开展采动过程的原位双轴监测图 1 [27], 探索放顶煤开采条件下采动应力演化特征,获取扰动 煤岩体的原位力学参数,得到真正对应工程扰动影响 的煤岩体原位力学行为。 为测试结果更加真实可靠, 具有可比较性,现场原位双轴试验开展前,首先从该 工作面采集煤块并制作成 100 mm100 mm100 mm 的立方体标准试样。 试验时在煤壁上掏出尺寸为 500 mm400 mm300 mm宽高深的槽,将垫片、 应力计、扁平千斤顶放置于原位掏槽刚性实验加载 端,而后把煤样紧贴应力计下部垫片放置,缓慢按压 竖向千斤顶施加预应力,防止上端面垫片滑落,最后 调整垫片、煤样、千斤顶及应力计位置,使各部件轴心 缓慢调整至同一竖直线上,以防后期偏心加载,同时 安装侧向压力监测装置。 试样安装完成后,定期下井 采集应力传感器数据获取煤岩体在开采过程中竖向 和水平方向的应力变化值。 图 1 原位双轴试验[27] Fig． 1 In-situ biaxial test[27] 随着工作面向前推进,工作面前方一定距离的煤 体支承压力 σ1由静水压力状态逐渐升高至峰值应 力,而垂直工作面水平应力 σ2则由静水压力状态逐 渐降低至 0釆动卸压过程,垂直巷道的 σ3也会逐 渐降低。 为将支承压力演化过程定量化,假定 α,β 分别为工作面推进引起的支承压力集中系数和水平 应力集中系数,即分别为垂直应力和水平应力与初始 应力之比,利用现场原位双轴监测数据计算出监测期 间各时间点对应 α,β 值 α σ1/ λγH1 β σ2/ λγH2 式中,λ 为侧压比,不同地区 λ 值略有差异;γ 为上覆 岩层的容重,kN/ m3;H 为煤岩赋存深度,m。 最终得到扰动煤岩体应力集中系数 α,β 的演化 曲线,应力集中系数变化过程反映了矿压波动、暂态 稳定等过程,而其大小则反映开采扰动影响程度。 σ1和 σ2即为考虑了工作面生产状况、原位力学环 境、真实支护状态等条件的煤岩体原位扰动支承压力 值和水平应力值[27]。 根据现场试验数据图 2,提炼出支承压力 σ1 与水平应力 σ2原位扰动演化规律。 初期支承压力从 3962 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 2 扰动煤岩体应力集中系数演化过程[27] Fig． 2 Evolution process of stress concentration coefficient of disturbed coal[27] 预应力处略有下降,待水泥砂浆具有一定承载力后, 呈现阶段式、波动式缓慢上升,前期增长较缓,后期随 采煤工作面临近,开采扰动造成应力场重分布剧烈, 支承压力增长加快,35 55 h 受顶板周期来压影响, 且水泥砂浆未完全固结导致支承压力周期波动;20 35 h 以及 80 95 h 出现的暂态稳定现象,主要是由 于采煤机停机检修、工人交接班等工况。 水平应力 σ2随着工作面推进呈现阶梯式下降,推断该过程为 顶板周期来压所致。 因此,该原位扰动演化规律综合 考虑了工作面生产状况、原位力学环境、真实支护状 态等条件,同时考虑了应力变化的时间效应,可以更 好地体现扰动煤岩体真实应力变化特征。 综合原位双轴试验数据,原位扰动应力演化路 径,随着采煤工作面推进,轴向应力经历了由初始状 态逐渐升高至峰值应力,然后伴随着煤岩破坏降低至 残余强度;侧向压力则由初始状态不断卸载逐渐降至 较低水平。 此类与现场实际紧密相关的,考虑了开采 过程中应力演化阶段的、能反映扰动煤岩真实受力状 态的应力路径,称为原位开采扰动应力路径。 1． 2 原位采动过程应力路径分析 针对同煤集团同忻矿某工作面选用的放顶煤开 采方式,对放顶煤开采过程中岩石应力变化规律展开 初步探索。 谢和平等提出的放顶煤开采方式工作面 支承压力分布规律及工作面前方煤体应力环境状 态图 3 [22],最初原岩应力处于静水压力状态,随着 工作面推进,煤层中的支承压力垂向应力由三向 等压的静水压力状态逐渐升高至峰值应力,而后伴随 煤岩体的破坏进入卸压状态,垂向应力逐渐降低至煤 壁处残余强度状态,另一方面,水平应力则由三向等 压的静水压力状态逐渐降低。 图 3 放顶煤开采条件下工作面前方煤体应力环境 Fig． 3 Stress state of the coal around the working face for top-coal caving 为探索深部煤岩体原位力学行为,对放顶煤开采 不同深度、不同加卸载速率条件下煤岩体的真三轴强 度、变形参数展开研究,以期掌握真实扰动过程中的 煤岩体力学行为特征,分析模拟原岩应力区煤岩体力 学特性,基于谢和平等提出的放顶煤开采方式下工作 面前方应力分布规律,结合现场原位双轴试验所得原 位扰动演化模型[22],简化部分复杂应力波动过程,提 出工作面前方煤岩体经历的采动应力演化模拟路径 如图 4 所示。 图 4 中原岩应力区指远离进风巷位置, 靠近采煤工作面中心处,通风巷道开挖卸荷作用对该 部分煤体单元影响较小;开挖破碎区指靠近进风巷 道,该部分煤体单元受进风巷道开挖卸荷作用影响较 大;而开挖扰动区则指位于原岩应力区和开挖破碎区 中间的煤岩体。 据此,可拟定原位采动过程的应力路径试验方 案① 静水压力阶段以 0． 2 MPa/ s 的加载速率同时 施加轴向应力σ1方向与水平应力σ2方向与 σ3 方向至 20,30,40 MPa按试验面地质条件垂直应力 梯度为 25 kPa/ m,对应设计埋深分别为 800,1 200, 1 600 m,即图 4 中 OA 段;保持静水压力状态不变, 稳定一段时间,即图 4 中 AB 段;② 第 1 卸载阶段整 个加卸载阶段均保持 σ3不变,增加轴向应力 σ1的同 时降低水平应力 σ2。 其中轴向应力与水平应力均采 用应力控制方式加载,σ1应力加载速率 v1分别为 0． 05,0． 10,0． 20 MPa/ s,σ2应力卸载速率 v2分别为 0． 04,0． 08,0． 16 MPa/ s, 加载至轴向应力系数为 1． 5,即 σ11． 5σ3,对应图 4 中 BC,BD,BE 段;③ 第 4962 第 8 期高明忠等深部煤岩原位扰动力学行为研究 2 卸载阶段持续增加轴向应力 σ1同时降低水平应 力 σ2,直至破坏。 其中轴向应力与水平应力均采用 应力控制方式加载,σ1应力加载速率 v1分别为 0． 10,0． 20,0． 40 MPa/ s,σ2对应的应力卸载速率 v2 分别为0． 04,0． 08,0． 16 MPa/ s,即图4 中 CF,DG 段。 图 4 放顶煤开采条件下应力路径 Fig． 4 Stress path of top-coal caving 2 基于原位应力路径的深部煤岩力学特征分 析 深部原位扰动应力路径演化模型的提出是原位 力学行为研究的基础,现场原位双轴监测轴向压力及 侧向压力变化趋势总体与前述谢和平等提炼的工作 面前方支承压力随采煤工作面推进演化过程一致,此 应力路径可研究开采条件下煤岩体强度与变形特性。 本文利用重庆大学自主研发的多功能真三轴流固耦 合试验系统,开展考虑放顶煤开采扰动路径、不同深 度原位赋存环境和不同加卸载速率等因素的深部煤 岩原位采动岩石力学测试分析,一定程度上可避免现 有的单轴压缩试验σ1σ2 σ 30与常规三轴加卸 载试验σ1≥σ2 σ 3的局限性,该试验系统可实现 多种复杂应力路径下单轴、双轴、五面加载单面临空 与六面混合加载的真三轴应力状态下煤岩力学特性 与流体渗流规律研究[28-29]。 2． 1 原位采动应力路径下煤岩体力学行为 基于不同赋存深度煤岩原位采动应力环境下的 试验模拟方法,通过改变初始应力水平与加卸载速率 等因素,最大程度还原深部不同深度下煤岩原位开采 过程,同时通过与常规三轴试验结果对比分析,研究 深部原位不同深度煤岩赋存状态、开采扰动路径及扰 动强度对于煤岩体强度、 变形等力学特征的影 响[30-32]。 天然环境的不同赋存深度岩石处于复杂地 应力环境状态,其力学性质与初始应力大小方向息息 相关,因此在研究深部原位岩石力学行为规律时,必 须要考虑受赋存深度影响的原位应力状态。 当埋深 为 800,1 200,1 600 m 时,试样在加卸载阶段破坏时 峰值应力平均值分别为 49． 28,62． 35 和 66． 31 MPa, 随着埋深的增加,煤岩体强度呈增加趋势,但其强度 变化规律表现出明显的非线性特征,1 200 m 埋深下 对试样强度提升更为显著,较800 m 埋深下至少提高 了 13。 同时,在低围压作用下煤岩体在破坏时出 现了相对于初始状态的体积膨胀现象,但随着埋深增 加,受高围压限制作用,煤岩体在破坏时呈压缩趋势。 为进一步研究加卸载速率对不同深度煤岩原位 力学行为的影响,绘制了各个深度下不同方向的应 力-应变曲线图 5 7,对于原岩应力区煤岩体,在 一定范围内改变加卸载速率对煤岩体变形特征产生 的影响较小,整个加卸载破坏过程中,不同深度下煤 岩体表现出类似的变形特征。 在第1 卸载阶段中,σ1 方向上压缩变形持续增大,与之相反,σ2方向上膨胀 变形持续增大。 σ3方向上由于受到围压的限制作 用,只产生微小的膨胀变形,且应变变化率明显低于 其他两个方向。 进入第 2 卸载阶段,虽然 σ1方向上 加载速率提升,但应力-应变曲线仍然沿着第 1 卸载 阶段的趋势发展至破坏,不同的是在低围压加载下煤 岩体破坏时有明显的膨胀趋势。 如图 5 所示,在 800 m 埋深下,v2在 0． 04 0． 16 MPa/ s 变化时,随着加卸载速率提高,煤岩体强 度基本保持不变,破坏时垂直应力 σ1相差 1 左右, σ1约为 49 MPa,受加载速率影响较小,现场回采时 可结合顶底板情况适当提高采煤工作面推进速度。 此外,当加卸载速率 v2在 0． 04 0． 08 MPa/ s 范围 时,随着加卸载速率提高,ε1与 ε2基本保持不变;当 加卸载速率继续提高至 v2 0． 16 MPa/ s,ε1显著增 加,ε2降低,而 ε3随着加卸载速率提高一直保持小 幅度提高。 由于煤样的各向异性特征,σ1方向与 σ2 方向的应变变化率存在差异,当 σ1方向应变变化率 小于 σ2方向如 v20． 04,0． 08 MPa/ s时,整个加卸 载过程中煤样一直处于体积膨胀状态,煤样破坏时 ε1明显小于 ε2;相反,当 σ1方向应变变化率大于 σ2 方向如 v20． 16 MPa/ s时,整个加卸载过程中煤样 5962 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 5 不同方向应力-应变曲线800 m Fig． 5 Stress-strain curve of different directions 800 m 图 6 不同方向应力-应变曲线1 200 m Fig． 6 Stress strain curves in different directions 1 200 m 一直处于体积压缩状态,煤样破坏时 ε1明显大于 ε2。 因浅部围岩强度受开采速率影响较小,实际生产过程 中,在保证煤岩体具有较高承载能力的同时可适当提 高开采速率,改善生产效率。 在1 200 m 埋深下图6不同于800 m 埋深低围 压条件,随着加卸载速率提高,煤岩体整体强度显著 降低。 相较于 v2 0． 04 MPa/ s 时的破坏强度,v2 0． 08 MPa/ s 时 破 坏 强 度 仅 下 降 约 1, v2 0． 16 MPa/ s 时破坏强度下降约 16,此时峰值应力 σ1约为 55． 70 MPa。 表明在该深度下,当加卸载速 率在一定范围内时对煤岩体强度影响并不显著,若超 出该范围,加卸载速率提高则会使煤岩体整体强度降 6962 第 8 期高明忠等深部煤岩原位扰动力学行为研究 图 7 不同方向应力-应变曲线1 600 m Fig． 7 Stress strain curves in different directions 1 600 m 低,开采扰动作用对于煤岩体力学特征影响显著。 此 外,当加卸载速率 v2在 0． 04 0． 08 MPa/ s 时,随着 加卸载速率提高,ε1与 ε2基本保持不变;当加卸载 速率继续提高至 v20． 16 MPa/ s,ε1与 ε2均显著降 低,但 ε3随着加载速率提高呈小幅度降低趋势。 此 外,1 200 m 埋深下试样 σ1方向应变变化率均大于 σ2方向,整个加卸载过程中煤样一直处于体积压缩 状态,煤样破坏时 ε1明显大于 ε2。 这一现象表明随 着深度增加,围压对于试样扩容的限制作用增强,煤 样在较深部高地应力的作用下发生整体体积压缩,煤 层内部将累积较大的应变能,同时煤体内部原生裂隙 与孔隙的闭合,因而深部煤炭开采过程中,煤层内局 部发生破坏时会急剧释放高量级能量,极有可能诱发 冲击地压和煤与瓦斯突出等一系列工程灾害[33-34]。 当模拟进入 1 600 m 埋深时图 7,受到高应力 环境与煤样各向异性特点的影响,随着加卸载速率提 高,煤样非线性变形特征显著增强,且呈现出不规律 变化趋势,煤岩体整体强度同样随加卸载速率提高呈 降低趋势。 相较于 v2 0． 04 MPa/ s 时的破坏强度, v2 0． 08 MPa/ s 时 破 坏 强 度 下 降 约 6, v2 0． 16 MPa/ s 时破坏强度下降约 7。 表明随着深度 增加,提高加卸载速率会使煤岩体整体强度降低,开 采扰动作用在一定范围内对于煤岩体力学特征影响 显著,但当加卸载速率增加超过该范围后,其改变对 该位置煤岩体强度影响减弱。 该工况下煤样整体变 形特征与埋深 1 200 m 类似,除 v20． 08 MPa/ s 时表 现出差异性外,其余试样 σ1方向应变变化率均大于 σ2方向,整个加卸载过程中煤样一直处于体积压缩 状态。 且 1 600 m 埋深下试样峰值应力对应的体积 应变平均值为 0． 55,约为 1 200 m 埋深下的 2 倍, 可见高地应力作用下,煤层受到开采扰动影响整体压 缩变形量较浅部更大,蓄积能量随着煤岩体局部破坏 释放,煤岩系统进一步发生整体结构失稳的可能性增 大。 浅部没有冲击倾向性的非冲击矿井,进入深部有 转变为发生冲击地压的倾向,可采取措施使应力释 放,从而防止冲击地压的发生,或者利用超前注水软 化煤层[35-36]。 受不同赋存深度煤岩体的原位地应力环境影响, 相同推进速度对于不同深度的煤岩体扰动影响存在 差异,某个开采速度对于浅部煤岩体影响较小,但进 入深部后该推进速度可能造成强开采扰动,会大大降 低煤岩体的承载能力,改变煤岩体力学特性。 由图 8 可明显看出,煤岩体在 800 m 埋深时,当卸载速率 v2 在 0． 04 0． 16 MPa/ s 内变化时,随着加卸载速率提 高,煤岩体强度基本保持不变;埋深为 1 200 m 时,卸 载速率对煤岩体强度影响也并不大,若超出该范围至 v20． 16 MPa/ s,加卸载速率提高则明显使煤岩体整 体强度降低;当埋深为 1 600 m 时,卸载速率提高使 煤岩体整体强度降低,但继续提高加载速率至 v2 0． 16 MPa/ s 时, 则 煤 岩 体 强 度 无 明 显 变 化, 与 0． 08 MPa/ s 条件下强度基本一致。 上述现象表明, 7962 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 该工况下在某个范围内采煤工作面推进速度的改变 对煤岩体力学特征会产生显著影响,超出该范围后影 响大大减弱。 且该影响范围与煤层的赋存深度有关, 煤层埋深越深,开采速度影响范围区间较小,因此在 实际工程中,应结合煤层实际赋存深度,将工作面开 采速度控制在合理范围内,尽可能降低开采扰动的影 响,对于煤矿安全高效开采具有重要意义。 图 8 加载速率对不同深度煤岩体影响 Fig． 8 Effect of the loading rate on the coal with different depths 2． 2 深部煤岩原位力学行为和常规三轴力学行为对 比 针对不同开采深度的煤岩进行了常规三轴压缩 试验,并与原位力学的测试结果进行对比,如表 1 和 图 9 所示。 表 1 不同深度煤岩考虑采动与未考虑采动实验结果 Table 1 Results with/ without the consideration of mining distubance 试样 编号 应力 路径 深度/ m 峰值应 力/ MPa 应变/10 -2 ε1ε2ε3 T4-8扰动80049． 650． 77-1． 16-0． 12 T3-28未扰动80067． 101． 55-0． 45-0． 48 T4-37扰动1 20066． 011． 36-0． 86-0． 20 T3-44未扰动1 20086． 902． 16-0． 79-0． 63 T4-26扰动1 60069． 391． 28-0． 85-0． 04 T3-35未扰动1 60099． 802． 19-1． 20-0． 64 煤岩体在原位力学行为测试和常规三轴加载下 强度都随初始围压增加而呈增大趋势,表明煤炭开采 进入深部后,高地应力使得煤岩体破坏需更大的外部 荷载驱动,但明显后者增加幅度更大,受围压影响更 为明 显。 当 围 压 为 20 MPa 时, 峰 值 强 度 约 为 67． 1 MPa;40 MPa 时,最大峰值强度达到 99． 8 MPa, 整体强度增加约 40。 然而常规三轴加载并未考虑 垂直于采煤工作面方向的水平应力 σ2在开采过程中 不断卸荷的影响,导致煤岩强度偏高,而且由于常规 三轴试验 σ2,σ3方向围压相等,整个变形破坏过程 图 9 典型立方体煤样常规三轴压缩应力-应变曲线 Fig． 9 Stress-strain curve of cubic coal specimen of triaxial compression tests 中煤样水平方向σ2方向与 σ3方向应变基本保持 一致,不能反映深部岩体扰动后的三向不等压状态。 基于真三轴加卸载系统的深部煤岩体原位扰动力学 特性与破裂行为研究,考虑了开采过程中 σ2方向的 卸荷,故应变 ε2远远大于 ε3,可以反映深部因受地下 工程扰动影响由初始静水压力状态向三向不等压力 学状态发展的过程,煤岩体缺