受載突出煤體的力學(xué)狀態(tài)演變及破壞傾向性

周 斌，許 江，彭守建，趙鵬翔，秦 雷，白 楊，程 亮

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044)

在我國煤炭開采領(lǐng)域進入響應(yīng)“雙碳”目標的新形勢下，推動煤炭開采向資源富集地集中勢必會持續(xù)增加我國煤炭開采深度。由此引來的高地應(yīng)力和瓦斯壓力將使得煤與瓦斯突出(簡稱“突出”)事故愈發(fā)值得關(guān)注。盡管在長達180余年的研究過程中，通過卸壓抽采、水力化措施和開采保護層等一系列防突治突措施，使得突出事故已經(jīng)得到一定程度上的控制，但由于突出過程受瓦斯壓力、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、采動應(yīng)力、煤體力學(xué)性質(zhì)等多種因素的影響，這使得突出過程的認識并不明確，從而造成突出防治手段往往面臨著高投入低收益的情況。突出過程本質(zhì)上是煤體在與具有吸附特性的瓦斯耦合作用下發(fā)生的應(yīng)力集中和強度破壞、突然失穩(wěn)并在瓦斯作用下快速拋出的過程。認識突出的力學(xué)作用過程及其煤體破壞機制仍將是厘清突出機理從而實現(xiàn)突出有效防治的根本途徑。

突出過程中的受載煤體在突然卸壓后，內(nèi)部拉應(yīng)力特征是控制突出煤體破壞從而誘發(fā)突出的直接因素。蔣承林認為突出過程是由一個逐漸增強的煤體破壞過程和一個逐漸衰減的后繼煤體破壞過程構(gòu)成的，起初瓦斯膨脹能較大，導(dǎo)致拋出的煤片較大，而突出后期煤體釋放的瓦斯膨脹能較小，拋出的破碎煤體減少。潘岳等在球殼失穩(wěn)假說的基礎(chǔ)上，指出突出過程中煤體自發(fā)形成球蓋殼式的結(jié)構(gòu)抵抗被突出，基于此認識進一步建立了突出煤殼失穩(wěn)解體模型。而馬中飛等直接將突出煤體視為承壓散體，并提出了突出的承壓散體失控機理。郭德勇等提出了突出的黏滑失穩(wěn)機理，認為突出過程可視為摩擦滑動過程，這一滑動過程伴隨著煤體黏滑失穩(wěn)現(xiàn)象。潘一山、竇林名和CHEN等認為，當工作面前方的高應(yīng)力區(qū)域的煤體所承載的復(fù)合荷載超過其峰值強度后，就會破壞并形成耗能的塑性變形區(qū)或產(chǎn)生斷裂破壞，該區(qū)域的煤體裂隙、孔隙空間被高壓瓦斯充滿，當采動誘發(fā)的動載疊加到臨近工作面區(qū)域時，極易于發(fā)生突出。徐濤等、羅新榮等、段東等、黃維新等基于含瓦斯煤的固-氣耦合模型，利用RFPA，PFC等模擬軟件給出了突出過程的細觀機制，討論了突出過程中煤體內(nèi)的拉剪裂紋的演化及煤體的破壞模式。LIU等建立了多種應(yīng)力條件下的煤基質(zhì)應(yīng)力模型，在此基礎(chǔ)上，得到了突出煤破碎力學(xué)模型。LI等采用三維應(yīng)力加載系統(tǒng)、聲發(fā)射測試儀和數(shù)值模擬手段對突出煤體的破壞過程進行了研究，其研究結(jié)果表明三維應(yīng)力作用下煤樣的變形破壞呈橢圓形，聲發(fā)射事件多發(fā)生于弱結(jié)構(gòu)面。

突出物理模擬試驗作為認識突出現(xiàn)象本質(zhì)的有力研究手段，其在深入分析突出力學(xué)作用機理及其煤體破壞過程中發(fā)揮了重要作用。基于突出物理模擬試驗結(jié)果，張春華等、高魁等指出在石門巷道推進過程中，封閉型地質(zhì)構(gòu)造破壞區(qū)圍巖應(yīng)力和瓦斯壓力所形成的異常升高的應(yīng)力梯度和瓦斯壓力梯度為突出的發(fā)生提供了有利條件。張慶賀等、王漢鵬等認為當總應(yīng)力相同時，型煤強度越低、瓦斯壓力越高，煤體越容易發(fā)生破壞，其強度對突出起阻礙作用。郭品坤、TU等認為突出瞬間暴露煤體由原來的三向應(yīng)力狀態(tài)快速轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，在卸載拉應(yīng)力和高瓦斯壓力梯度的雙重拉伸作用下突出發(fā)動。唐巨鵬等指出突出過程中聲發(fā)射能量信號經(jīng)歷了平穩(wěn)、升高和峰值過程，基于此提出突出過程是一個煤體破壞和能量積累的力學(xué)過程。許江和周斌等對突出過程中的煤體內(nèi)瓦斯壓力、溫度和地應(yīng)力的演化過程進行了系列討論，并基于膨脹波傳播理論對突出過程中存在的陣發(fā)特征開展了詳細分析。

綜上，盡管國內(nèi)外學(xué)者已就突出的力學(xué)作用機制及突出煤體破壞特征開展了廣泛討論，但由于試驗手段限制，鮮見有突出過程中受載煤體的力學(xué)狀態(tài)演變過程及煤體破壞模式方面的報道，為此，筆者基于大型突出物理模擬試驗結(jié)果所得突出煤體熱-流-固體系參數(shù)的演變過程，分析了突出過程中的煤體破壞模式、煤體內(nèi)應(yīng)力及有效應(yīng)力演變和煤體的應(yīng)力狀態(tài)及破壞傾向性，所得結(jié)果進一步加深了對突出現(xiàn)象本質(zhì)的認識，從而為采取針對性的防突減災(zāi)措施提供了理論借鑒。

1 煤與瓦斯突出試驗方法及結(jié)果

1.1 煤與瓦斯突出試驗系統(tǒng)及方法

突出試驗系統(tǒng)如圖1所示，該試驗系統(tǒng)在還原突出動力現(xiàn)象時能夠同時捕獲突出過程中的瓦斯壓力、溫度和應(yīng)力數(shù)據(jù)，從而便于分析任意時刻突出煤體所處的力學(xué)狀態(tài)。該試驗系統(tǒng)的構(gòu)件、工作原理及主要技術(shù)參數(shù)已在文獻[31]中做了詳細描述。在此僅對突出試驗系統(tǒng)的壓力、溫度和應(yīng)力3個狀態(tài)參量的獲取方式進行簡要敘述。

突出試驗系統(tǒng)直接獲得的應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)來自裝置壓頭內(nèi)的應(yīng)力傳感器(圖1(a))，以該方式獲得的實則為煤體的外荷載，類似于煤層所受圍巖應(yīng)力，故在本文中被稱為應(yīng)力荷載。為了能夠獲得突出過程中的瓦斯壓力和溫度狀態(tài)參數(shù)，在試件箱側(cè)壁安裝了共計36個氣體壓力和16個溫度傳感器(圖1(b))，并將測點延伸至煤體內(nèi)部。

圖1 突出試驗系統(tǒng)實物Fig.1 Photograph of coal and gas outburst test system

如圖2所示，突出試驗系統(tǒng)可施加3個方向共計9個應(yīng)力荷載，其中方向僅施加1個荷載力，平行于突出口方向且位于煤試件末端(其中，，，和分別為煤體在方向不同區(qū)域的應(yīng)力值；，，和分別為煤體在方向不同區(qū)域的應(yīng)力值；為煤體在方向的應(yīng)力值)。，方向的荷載作用點及瓦斯壓力/溫度測點P1～P9/T1～T4，P10～P18/T5～T8，P19～P27/T9～T12和P28～P36/T13～T16分別位于=122，384，646和908 mm四個平面內(nèi)，各測點編號方式如圖2所示。試驗所用突出型煤的50 mm × 100 mm標準圓柱型試件的平均單軸抗壓強度、彈性模量和泊松比分別為0.89 MPa，63.28 MPa和0.30。

圖2 測點布置及編號方式Fig.2 Arrangement and numbering of measuring points

考慮到突出事故多發(fā)生在石門揭煤工作面，且較回采工作面的突出強度更高。對石門揭煤突出而言，低透氣性的圍巖對高瓦斯含量的煤體產(chǎn)生了很好的“圈閉”作用，巖石平巷向煤層掘進過程中，煤體內(nèi)的應(yīng)力會經(jīng)歷由原始受力狀態(tài)到應(yīng)力集中狀態(tài)再到卸壓狀態(tài)的過渡。石門揭煤瞬間，煤體突然卸載，瓦斯和應(yīng)力雙重因素產(chǎn)生的卸載波作用使得煤體被瞬間破壞，并在高瓦斯壓力梯度下沿著巷道呈現(xiàn)出典型的氣-固兩相流流動狀態(tài)。此外，水平和垂直地應(yīng)力往往存在一定差異，結(jié)合該突出試驗系統(tǒng)的實際性能，最終選定的作用于煤體的初始應(yīng)力狀態(tài)如圖3所示，其具體的應(yīng)力加載在文獻[30，33]中已做詳細闡述。

圖3 突出煤體初始應(yīng)力狀態(tài)Fig.3 Initial stress state of outburst coal

1.2 煤與瓦斯突出試驗結(jié)果及分析

圖4～6分別給出了突出過程中的應(yīng)力、瓦斯壓力和溫度演變過程。需要說明的是，由于突出過程的顯著動力現(xiàn)象，瓦斯壓力和煤體溫度少量測點的傳感器發(fā)生了損壞，此處盡可能給出了煤體中心點處的瓦斯壓力和溫度變化過程。

圖4 突出過程的應(yīng)力演化Fig.4 Stress evolution during coal and gas outburst

圖5 突出過程的瓦斯壓力演化Fig.5 Gas pressure evolution during coal and gas outburst

圖6 突出過程的溫度演化Fig.6 Temperature evolution during coal and gas outburst

由圖4～6可知，突出過程中的應(yīng)力跌落、瓦斯壓力和溫度的下降均主要表現(xiàn)在煤體卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)。對于應(yīng)力而言，其跌落過程中局部范圍內(nèi)會產(chǎn)生小幅度的回升，而在突出后期卸壓區(qū)煤體方向和應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力則會產(chǎn)生大幅度的回升。對于瓦斯壓力而言，突出瞬間卸壓區(qū)煤體瓦斯壓力迅速下降，且在下降過程中同樣存在一定程度的瓦斯壓力回升；煤體由卸壓區(qū)至原巖應(yīng)力區(qū)，瓦斯壓力下降時間表現(xiàn)出顯著滯后性。此外，在持續(xù)4.0 s的突出過程中，卸壓區(qū)的煤體溫度最大下降量為3.0 K，集中區(qū)的溫度下降量為1.5 K，相較應(yīng)力和瓦斯的變化，突出過程中的煤體溫度下降量不僅更小且其下降過程表現(xiàn)的更為平緩。上述試驗結(jié)論再次證實了早期的研究結(jié)果。

分析上述突出過程中的應(yīng)力、瓦斯壓力及溫度的演化過程，可以初步得到突出煤體的破壞模式，即：① 首先，在工作面煤體被揭露瞬間，在極高的瓦斯壓力梯度和地應(yīng)力共同作用下，原本由于采掘擾動而產(chǎn)生大量裂隙的卸壓區(qū)低強度煤體將進一步發(fā)生破壞，產(chǎn)生更多的瓦斯流動通道，同時使得應(yīng)力開始跌落。隨著煤體深度的增加，瓦斯壓力梯度降低，但由于應(yīng)力在集中區(qū)的驟增現(xiàn)象，克服了瓦斯壓力梯度降低所造成的影響，使得應(yīng)力集中區(qū)的煤體同樣能夠在瓦斯壓力梯度和應(yīng)力的雙重作用下發(fā)生破壞，進而造成該區(qū)域內(nèi)瓦斯壓力和應(yīng)力的下降。延伸至應(yīng)力升高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，瓦斯壓力梯度和應(yīng)力值均比前2個區(qū)域低，故在整個突出過程中，很難達到煤體的破壞強度并伴隨產(chǎn)生大量的瓦斯流動通道，故無法使得瓦斯壓力和應(yīng)力發(fā)生大幅度的變化；② 隨著突出過程中的應(yīng)力跌落和瓦斯壓力降低，煤體所承受的內(nèi)外荷載均降低，進而無法達到其破壞強度，煤體隨即再次表現(xiàn)出一定的承載能力，直觀表現(xiàn)為應(yīng)力的小幅度升高；與此同時，前期產(chǎn)生的部分瓦斯流動通在外荷載的作用下閉合，從而在一定程度上會使得瓦斯壓力升高；③ 當應(yīng)力回升至煤體所能承受的最大荷載時，煤體會被再次被破壞，閉合的瓦斯流動通道再次打開的同時，產(chǎn)生新的裂隙通道，應(yīng)力和瓦斯壓力將再次表現(xiàn)出下降趨勢；④ 突出后期，由于煤體中的瓦斯壓力梯度過低，加之應(yīng)力也已產(chǎn)生了大幅度下降，故作用于煤體的內(nèi)外荷載已無法達到煤體的破壞強度，并產(chǎn)生新的瓦斯流動通道，這將使得煤體所承受的應(yīng)力荷載會產(chǎn)生大幅度的回升現(xiàn)象。同時，部分原有的裂隙通道將會再次受到壓縮，瓦斯的下降速率表現(xiàn)出減緩的趨勢。

綜上，突出過程中的應(yīng)力、瓦斯和煤體的破壞處于一種為尋求某種平衡狀態(tài)的動態(tài)轉(zhuǎn)變過程。需要說明的是，突出過程中瓦斯壓力的下降和解吸動力現(xiàn)象均會造成煤體溫度的降低，而根據(jù)以往的研究結(jié)果可知煤巖體的變形和破壞則會使其溫度有所升高，2者的綜合影響會削弱突出煤體的溫度變化。此外，由于突出過程持續(xù)短暫，常規(guī)的鉑電阻傳感元件很難快速捕捉突出煤體的真實溫度變化量，即本文所獲得的突出過程中的溫度變化量應(yīng)比實際的突出過程偏低。

2 突出煤體內(nèi)應(yīng)力及有效應(yīng)力演變

2.1 含瓦斯突出煤體力學(xué)狀態(tài)分析

突出過程中的煤體在圍巖和瓦斯作用下存在2種受力機制(圖7，其中，為瓦斯壓力；為熱膨脹效應(yīng)而造成的膨脹或收縮應(yīng)力；為圍巖施加于煤體的應(yīng)力荷載)，其一是由于圍巖壓縮作用引起的壓縮應(yīng)力，也就是通常所說的地應(yīng)力；其二是由于煤體內(nèi)的瓦斯吸附/解吸效應(yīng)、瓦斯壓縮效應(yīng)及溫變效應(yīng)引起的煤基質(zhì)膨脹/收縮應(yīng)力，可統(tǒng)稱為煤體所受的內(nèi)應(yīng)力。前者可引起煤基質(zhì)顆粒發(fā)生錯動和變形，而后者則僅造成煤基質(zhì)顆粒的變形。

圖7 煤基質(zhì)受力狀態(tài)示意Fig.7 Schematic of the force state of the coal matrix

若煤基質(zhì)具有各向相同的吸附性能、孔隙表面壓力，則在不考慮約束和外荷載對煤基質(zhì)的吸附性能和分子尺度孔隙體積的影響下，吸附膨脹效應(yīng)僅受到瓦斯壓力和溫度的影響。將吸附膨脹過程中的溫度變化而產(chǎn)生的吸附膨脹形變部分完全歸類至突出煤體的溫度變化而造成的熱脹冷縮效應(yīng)，即將吸附膨脹過程按照等溫過程處理，則對于突出煤體而言，單一的由吸附瓦斯氣體膨脹應(yīng)力而使煤基質(zhì)所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)變可表示為

(1)

式中，1為煤基質(zhì)在方向的吸附膨脹線應(yīng)變；為單位質(zhì)量煤基質(zhì)在參考壓力下的極限吸附量，取12.40 m/t；為吸附平衡常數(shù)，取1.66 MPa；為煤基質(zhì)的視密度，取1.45 t/m；為摩爾氣體常數(shù)，8.31 J/

(mol·K)；為吸附環(huán)境溫度，本文突出試驗初始溫度為301 K；為煤基質(zhì)泊松比，取0.3；為煤基質(zhì)彈性模量，取63.3 MPa；為氣體摩爾體積，22.4 L/mol；為瓦斯壓力，MPa。

瓦斯壓縮煤基質(zhì)顆粒使煤基質(zhì)產(chǎn)生壓縮變形，據(jù)彈性力學(xué)可知，瓦斯壓力()壓縮煤基質(zhì)所產(chǎn)生的壓縮變形與煤基質(zhì)的體積壓縮系數(shù)及壓力變化量成正比，即滿足：

(2)

因此，有

(3)

類似瓦斯的壓縮應(yīng)變，煤基質(zhì)由于熱脹冷縮而產(chǎn)生的熱膨脹應(yīng)變與其熱膨脹系數(shù)和溫度變化量成正比，即有

(4)

(5)

假設(shè)突出煤體在破壞前服從廣義胡克定律，且考慮到煤體內(nèi)任意點的瓦斯壓力、溫度在各方向均相同，則根據(jù)式(1)，(3)和(5)可知煤基質(zhì)在任意方向產(chǎn)生的各項應(yīng)力分量及總內(nèi)應(yīng)力為

(6)

=(1-2)Δ

(7)

(8)

=++

(9)

式中，，分別為煤基質(zhì)在任意方向由于吸附效應(yīng)、瓦斯壓縮效應(yīng)造成的膨脹或收縮應(yīng)力；為突出煤基質(zhì)在任意方向的總內(nèi)應(yīng)力。

綜合式(6)～(8)，根據(jù)有效應(yīng)力定義可得到以有效應(yīng)力表示的突出煤體中煤基質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)為

=+

(10)

式中，為煤體的有效應(yīng)力。

2.2 突出過程中的煤體內(nèi)應(yīng)力演變

將試驗所得煤體在突出過程中任意時刻的狀態(tài)參數(shù)代入式(6)～(9)，即得到突出過程中煤體的各項內(nèi)應(yīng)力和總內(nèi)應(yīng)力的實時演化過程，如圖8所示。

由圖8(a)，(b)可知，突出未被觸發(fā)前，瓦斯吸附膨脹應(yīng)力和壓縮應(yīng)力分別達-0.67 MPa和0.60 MPa，且突出過程中吸附膨脹應(yīng)力的絕對值持續(xù)大于瓦斯壓縮應(yīng)力，即突出過程中瓦斯對煤體持續(xù)表現(xiàn)出膨脹效應(yīng)。換言之，突出過程中瓦斯對煤體施加的作用力可等效為張拉作用。由圖8(c)可知，對于熱膨脹應(yīng)力而言，由于突出過程中煤體溫度降低，故溫度變化可等效為煤體受到壓縮作用，即突出過程中的熱膨脹應(yīng)力為正值?？紤]到吸附膨脹應(yīng)力、瓦斯壓縮應(yīng)力和熱膨脹應(yīng)力分別為瓦斯壓力和溫度的函數(shù)，故其在突出過程中的演化趨勢與前文所述的瓦斯壓力和溫度類似，此處不再贅述。

圖8(d)給出了突出過程中的總內(nèi)應(yīng)力演化過程。突出激發(fā)瞬間，卸壓區(qū)總內(nèi)應(yīng)力在0.22 s時即達到峰值-0.13 MPa，且在隨后相當長一段時間內(nèi)維持在較高水平。這說明突出前期，卸壓區(qū)的煤體基質(zhì)會長期受到內(nèi)應(yīng)力的張拉作用，隨著突出的發(fā)展，卸壓區(qū)瓦斯壓力降低，其總內(nèi)應(yīng)力開始緩慢下降，在該過程中，集中區(qū)的總內(nèi)應(yīng)力開始緩慢增加，并在2.26 s時達到峰值-0.13 MPa，隨后開始緩慢下降。對比卸壓區(qū)和集中區(qū)的總內(nèi)應(yīng)力可知，無論是總內(nèi)應(yīng)力的升高階段還是下降階段，卸壓區(qū)變化速率均高于集中區(qū)，這符合突出過程自煤壁開始并向煤體深部延伸，且越靠近工作面瓦斯流動通道越多這一事實。在長達4 s的突出過程中，應(yīng)力升高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)的總內(nèi)應(yīng)力表現(xiàn)出上升趨勢，但其變化量較前2個區(qū)域小>得多。值得注意的是，原巖應(yīng)力區(qū)的總內(nèi)應(yīng)力反而高于應(yīng)力升高區(qū)，這是由于原巖應(yīng)力區(qū)的地應(yīng)力較低，煤體閉合孔裂隙較應(yīng)力升高區(qū)更少，易于瓦斯流動。此外，原巖應(yīng)力區(qū)煤體與試驗系統(tǒng)試件箱接觸面更多，瓦斯在一定程度上會沿著試件箱的壁面逸散，這也是物理模擬實驗難以避免的現(xiàn)象。

圖8 突出過程中煤體不同區(qū)域各項內(nèi)應(yīng)力時程演化Fig.8 Time-history evolution of various internal stresses in different zones of coal body during outburst

考慮到煤體各方向的荷載并非一致，因此會造成突出過程中的煤基質(zhì)各項膨脹應(yīng)力的分布產(chǎn)生空間差異。為此，根據(jù)試驗過程中所獲得的批量瓦斯壓力和溫度數(shù)據(jù)，利用四點樣條插值法分別給出了突出過程中卸壓區(qū)及集中區(qū)在和方向的吸附膨脹應(yīng)力和總內(nèi)應(yīng)力時空演化云圖，如圖9，10所示。

圖9 吸附膨脹應(yīng)力時空演化Fig.9 Spatio-temporal evolution of adsorption stress

圖10 總內(nèi)應(yīng)力時空演化Fig.10 Spatio-temporal evolution of total internal stress

由圖9可知，突出過程中煤體中心區(qū)域的吸附膨脹應(yīng)力最先跌落，隨著突出的發(fā)展膨脹應(yīng)力下降區(qū)影響范圍逐漸擴展并延伸至煤體兩側(cè)。對于卸壓區(qū)，在突出前期(2.0 s內(nèi))，隨著方向距離的增加，吸附膨脹應(yīng)力具有減小的趨勢；而隨著方向距離的增加，吸附膨脹應(yīng)力具有增加的趨勢。這表明突出過程中煤體的破壞將自突出口開始，并首先向應(yīng)力加載的反方向延伸(即圖2所示的煤體左上角)，從而造成了該處煤體的裂隙通道增加，吸附膨脹應(yīng)力快速降低。在持續(xù)4.0 s的突出過程中，卸壓區(qū)吸附膨脹應(yīng)力可基本降至0。由集中區(qū)方向和方向上的吸附膨脹應(yīng)力云圖(圖9(c)，(d))可知，當突出持續(xù)約1.25 s時，集中區(qū)的吸附膨脹應(yīng)力才開始緩慢跌落。同樣地，集中區(qū)煤體的吸附膨脹應(yīng)力先自煤體中心下降，隨著突出的發(fā)展，吸附膨脹應(yīng)力下降區(qū)逐漸擴展至煤體兩側(cè)。相較而言，集中區(qū)的吸附膨脹應(yīng)力下降速率比卸壓區(qū)小得多，這一方面說明突出過程中集中區(qū)的瓦斯壓力梯度比卸壓區(qū)小，另一方面說明盡管集中區(qū)的煤體初始應(yīng)力較卸壓區(qū)更高，但在突出過程中卻不會破壞煤體至生成比卸壓區(qū)更發(fā)育的瓦斯裂隙通道。

由圖10可知，突出啟動后煤體卸壓區(qū)方向和方向的總內(nèi)應(yīng)力同樣均自煤體中心開始升高，并在短時間內(nèi)即可達到較高值約-0.16 MPa。隨著突出的發(fā)展，煤體兩側(cè)的總內(nèi)應(yīng)力逐漸升高，在約2.5 s時，2個方向上的總內(nèi)應(yīng)力將再次恢復(fù)至初始水平。自約2.5 s后，總內(nèi)應(yīng)力將持續(xù)表現(xiàn)出降低過程；但在方向上，3.0 s后在100～150 m局部范圍內(nèi)總內(nèi)應(yīng)力再次升高至約-0.09 MPa。這表明突出過程中由于瓦斯壓力和溫度的變化，卸壓區(qū)的煤體將首先經(jīng)歷持續(xù)增強的張拉作用，隨后張拉作用逐漸減弱并消失，在此過程中，煤體局部區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)階段增強的張拉效果。對于應(yīng)力集中區(qū)而言，當卸壓區(qū)總內(nèi)應(yīng)力處于峰值狀態(tài)時(約1.5 s)，隨即開始增加。在持續(xù)4.0 s的突出過程中，集中區(qū)煤體各位置總內(nèi)應(yīng)力基本表現(xiàn)為持續(xù)的升高過程；換言之，突出過程中在逐漸降低的瓦斯壓力和溫度變化影響下，該區(qū)域的煤體持續(xù)的表現(xiàn)為受到張拉作用。

給出模型參數(shù)，地質(zhì)體中心埋深相同z1=z2=20m，m1=400，m2=1000與中心埋深不同z1=20m，z2=40m，m1=400，m2=1000，得到的成像結(jié)果圖8。

2.3 突出過程中的煤體有效應(yīng)力演變

根據(jù)式(10)可知，突出過程中煤體各方向的有效應(yīng)力與外荷載應(yīng)力僅表現(xiàn)為數(shù)值上的差異，且這個差異即為前文所述的煤體總內(nèi)應(yīng)力。由于總內(nèi)應(yīng)力相較外荷載應(yīng)力小得多，會使得突出過程中的有效應(yīng)力與外荷載應(yīng)力的演化過程基本保持相同的演化趨勢，故在此不對煤體各區(qū)域方向和方向的有效應(yīng)力演化過程做進一步分析，而直接給出了突出不同時刻煤體內(nèi)的有效應(yīng)力分布云圖，如圖11，12所示。

由圖11，12可知，突出啟動前位于煤體263～525 mm內(nèi)的應(yīng)力集中區(qū)有效應(yīng)力最大，且自工作面一側(cè)起，有效應(yīng)力逐漸經(jīng)歷了先增加后降低的分布特征，這符合工作面前方煤體的實際應(yīng)力賦存狀態(tài)。在方向上，突出啟動后的1.5 s內(nèi)，煤體內(nèi)的有效應(yīng)力變化主要表現(xiàn)為集中區(qū)的降低；在2.00 s時，有效應(yīng)力集中區(qū)已轉(zhuǎn)移至450～800 mm內(nèi)，且有效應(yīng)力持續(xù)降低。在2.60 s時，煤體內(nèi)有效應(yīng)力將會有所恢復(fù)，其集中區(qū)將再次向突出口方向轉(zhuǎn)移；在隨后的3.00 s，有效應(yīng)力將再次降低，集中區(qū)再次向煤體深部轉(zhuǎn)移，而在突出終止時的4.00 s，有效應(yīng)力集中區(qū)再次轉(zhuǎn)移至初始的263～525 mm區(qū)域，且有效應(yīng)力值再次顯著升高。對于方向而言，突出過程中的有效應(yīng)力集中區(qū)同樣存在類似的現(xiàn)象，即隨著突出的持續(xù)發(fā)展，有效應(yīng)力集中區(qū)會反復(fù)地自靠近突出口一側(cè)向煤體深部轉(zhuǎn)移，并在突出終止時逐漸恢復(fù)至原始位置，且有效應(yīng)力值表現(xiàn)為間歇式的減小和增大過程。

圖11 x方向有效應(yīng)力時空演化Fig.11 Spatio-temporal evolution of effective stress in x direction

圖12 y方向有效應(yīng)力時空演化Fig.12 Spatio-temporal evolution of effective stress in y direction

由上述分析可知，突出過程中煤體內(nèi)“能量釋放核心”位置處于動態(tài)變化的過程，而非長期處于應(yīng)力集中區(qū)。這類似于一個自煤體深部向工作面方向的間歇累積蓄能過程，短時間的突出動力現(xiàn)象發(fā)生后，“能量釋放核心”的能量降低，煤體深處將再次積聚能量并轉(zhuǎn)移至煤體前方以供下一次突出動力現(xiàn)象的維持。

3 突出煤體應(yīng)力狀態(tài)及失穩(wěn)傾向分析

上述關(guān)于突出過程中的煤體內(nèi)應(yīng)力及有效應(yīng)力的討論前提是煤樣破壞前滿足廣義胡克定律，而廣義胡克定律服從的前提條件即認為切應(yīng)力不產(chǎn)生線應(yīng)變，故上述有效正應(yīng)力即為煤體所承受的有效主應(yīng)力。需要強調(diào)的是，包括本文所述的型煤在內(nèi)的煤體往往并非理想彈性體，故本文在分析突出過程中的煤體破壞模式時，僅僅就其破壞傾向性進行了討論，這區(qū)別于通常所述的破壞狀態(tài)。換句話說，煤體的彈性變形越大，則其愈發(fā)容易進入塑性階段，從而達到其峰值強度。

若不考慮圖2中方向的煤體受力狀態(tài)，則根據(jù)方向和方向的有效應(yīng)力演化過程可以得到煤體不同區(qū)域的平面應(yīng)力圓演化過程。描述煤體平面應(yīng)力圓的2個關(guān)鍵參數(shù)即為應(yīng)力圓的大小(半徑)和圓心位置，而煤體的失穩(wěn)破壞傾向性則可以結(jié)合C-M準則確定?；诖耍竟?jié)將重點闡述突出煤體的應(yīng)力狀態(tài)和失穩(wěn)傾向性。

3.1 突出過程中煤體應(yīng)力狀態(tài)演變

根據(jù)煤體初始應(yīng)力狀態(tài)可知，本文中為煤體的最大有效主應(yīng)力，而為煤體的最小有效主應(yīng)力。主應(yīng)力差越大，則表明煤體單元任意斜截面上的剪應(yīng)力越大，換句話說，煤體的剪切破壞傾向性將越大。圖13給出了突出過程中煤體不同區(qū)域的有效主應(yīng)力差演化過程。

圖13 突出煤體各區(qū)域有效主應(yīng)力差演化Fig.13 Evolution of difference between principal stresses in each zone of outburst coal

由圖13可知，對于卸壓區(qū)而言，在突出過程的前1.62 s，有效主應(yīng)力差表現(xiàn)為先增大后減小，而后再次增大減小的變化過程；自1.62 s后，最大有效主應(yīng)力由方向改變?yōu)榉较?，且有效主?yīng)力差基本表現(xiàn)為持續(xù)增大的過程。在煤體的其他區(qū)域，在持續(xù)4.0 s的突出過程中，方向一直為最大有效主應(yīng)力方向，所不同的是集中區(qū)的有效主應(yīng)力差總體表現(xiàn)為先減小后增大的過程。相較而言，集中區(qū)和原巖區(qū)的有效主應(yīng)力差變化幅度較小。這說明突出過程中的煤體破壞將主要表現(xiàn)在卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)。此外，無論在突出煤體的哪個區(qū)域，突出過程中短時間內(nèi)均存在主應(yīng)力差的升降波動，這說明突出過程中的煤體剪切破壞傾向性處于持續(xù)的動態(tài)變化過程。

此外，隨著突出的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)力圓的圓心位置同樣處于持續(xù)的變化過程，故無法僅根據(jù)有效主應(yīng)力差或者應(yīng)力圓心位置判斷突出過程中煤體所處的應(yīng)力狀態(tài)。在前文分析了突出煤體有效主應(yīng)力差的基礎(chǔ)上，此處進一步對應(yīng)力圓的圓心位置進行討論，圖14給出了突出過程中煤體各區(qū)域有效應(yīng)力圓的圓心位置演化過程。

圖14 突出煤體各區(qū)域應(yīng)力圓心位置演化Fig.14 Evolution of the center position of the stress circle in each area of the outburst coal

由圖14可知，對于卸壓區(qū)，突出初始時刻應(yīng)力圓心的位置位于點(0.73，0)，在=0.70 s時，應(yīng)力圓心將移動至更靠近圓心的點(0.44，0)；隨后，在=0.96 s時，應(yīng)力圓心將再次遠離至點(0.58，0)；隨著突出的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)力圓心位置將周期性的向-圖的原點處靠近后再遠離，但每個周期內(nèi)移動的距離將逐漸縮短。對比應(yīng)力集中區(qū)可以發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。對于應(yīng)力升高區(qū)，在持續(xù)4.0 s的突出過程中，應(yīng)力圓心的位置基本未發(fā)生明顯的變化，而原巖區(qū)的應(yīng)力圓心位置則僅由初始的點(1.53，0)向原點移動至點(1.48，0)。

綜上分析可知，突出過程中煤體處于壓縮和張拉狀態(tài)的動態(tài)演變過程，而具體處于某種受力狀態(tài)則可進一步根據(jù)某一時刻的應(yīng)力圓心位置及前文所述有效主應(yīng)力差的狀態(tài)予以完全確定，本文暫未對此開展進一步討論。

3.2 突出過程中煤體失穩(wěn)傾向性演變

結(jié)合突出過程中的有效主應(yīng)力差及應(yīng)力圓心位置可得知突出煤體所處應(yīng)力狀態(tài)，但難以直接反應(yīng)突出過程的煤體破壞傾向性，而根據(jù)C-M準則可知，當應(yīng)力圓上的一點應(yīng)力狀態(tài)至包絡(luò)線的距離越遠，則表明突出煤體的穩(wěn)定性越高；相反，應(yīng)力圓上某點應(yīng)力至包絡(luò)線距離越近，則煤體愈發(fā)容易破壞，如圖15所示(其中，，分別為應(yīng)力圓上任意一點，,分別為線段,延長線與強度包絡(luò)線的交點)。在此給出突出煤體破壞傾向性的定義，即突出煤體的破壞傾向性是指某時刻煤體某點應(yīng)力圓上任意位置到強度包絡(luò)線的距離。

根據(jù)圖15所示的幾何關(guān)系可知突出煤體的破壞傾向性可表示為

圖15 C-M準則及突出煤體破壞傾向性示意Fig.15 C-M criterion and indication of failure tendency of outburst coal

(11)

式中，||即為本文所述的突出煤體破壞傾向性；為煤體內(nèi)摩擦角，本文為28°；為煤體黏聚力。

根據(jù)式(11)可將突出煤體的破壞傾向性變化量表示為

Δ=||-||

(12)

式中，||和||分別為突出煤體在和時刻的破壞傾向性。

分析式(12)易知，當Δ>0時，則表明隨著突出的發(fā)展，煤體的破壞傾向性增強，且Δ越大，則表明相較前一時刻煤體的破壞傾向性越高；相反，當Δ<0時，則表明隨著突出的發(fā)展，煤體的破壞傾向性越弱，且Δ越小，煤體愈發(fā)穩(wěn)定。

根據(jù)式(11)，(12)，圖16給出了突出過程中煤體不同區(qū)域的破壞傾向性演化過程。由圖16可知，突出過程中卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)煤體的破壞傾向性顯著大于應(yīng)力升高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。突出激發(fā)瞬間，卸壓區(qū)煤體在0.2 s時，破壞傾向性變化量達到了最高的0.04，表明此刻煤體具有極高的破壞可能；隨后煤體趨于穩(wěn)定，并在0.72 s時，達到了第1個最穩(wěn)定時刻。而后在1.2 s時，破壞傾向性在此達到了另一個峰值。如此反復(fù)，卸壓區(qū)煤體在1.66 s時達到第3個易破壞時刻。由此可知，突出過程中煤體處于間歇性的趨于破壞和穩(wěn)定狀態(tài)，而非持續(xù)的破壞狀態(tài)。值得注意的是，在隨后的1.66～3.78 s內(nèi)，煤體長期處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，明確這一階段與其他階段煤體的力學(xué)狀態(tài)差異可成為揭示突出機理的關(guān)鍵。對于應(yīng)力集中區(qū)而言，同樣可以發(fā)現(xiàn)在經(jīng)歷一個趨于破壞的力學(xué)狀態(tài)后，煤體將會隨即進入一個趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。比較卸壓區(qū)和集中區(qū)的破壞傾向性變化量峰值可知，卸壓區(qū)煤體的破壞傾向性隨著突出的發(fā)展趨于減弱，而集中區(qū)煤體的破壞傾向性則呈現(xiàn)先增強后減弱的過程。在應(yīng)力升高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，突出過程中煤體的破壞傾向性相對較穩(wěn)定。因此，突出過程中應(yīng)重點關(guān)注卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)的煤體所處的力學(xué)狀態(tài)。

圖16 突出煤體各區(qū)域破壞傾向性演化Fig.16 Evolution of failure tendency in each zone of outburst coal

綜上述分析可知，以C-M準則作為突出煤體的破壞準則時，一方面可以就突出煤體破壞傾向性趨于穩(wěn)定時，根據(jù)煤體此刻的力學(xué)狀態(tài)探討突出的啟動機理；另一方面，增加2個方向主應(yīng)力的同時，確保主應(yīng)力差保持不變，即讓煤體某點的應(yīng)力圓向-圖中的正方向移動，可以減弱煤體的破壞傾向性，從而一定程度上削弱突出發(fā)生的可能性。

4 結(jié) 論

(1)突出過程中的應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體處于尋求某種平衡狀態(tài)的動態(tài)轉(zhuǎn)變過程，具體表現(xiàn)為：突出初期，在高瓦斯壓力梯度和應(yīng)力共同作用下，低強度煤體發(fā)生破壞，瓦斯和應(yīng)力同時跌落；突出中期，隨著應(yīng)力和瓦斯壓力降低，煤體將再次表現(xiàn)出一定承載能力，應(yīng)力和瓦斯壓力將因此升高，而當其達到煤體的極限承載能力時，煤體會被再次破壞，應(yīng)力和瓦斯壓力將再次下降；突出后期，作用于煤體的內(nèi)外荷載無法達到煤體的破壞強度，煤體所承受的應(yīng)力荷載會產(chǎn)生大幅回升，瓦斯壓力下降速率減緩。

(2)突出過程中瓦斯對煤體持續(xù)表現(xiàn)出膨脹效應(yīng)，即瓦斯對煤體施加的作用力可等效為張拉作用，溫度變化可等效為煤體受到壓縮作用。突出過程中煤體中心區(qū)域的吸附膨脹應(yīng)力和總內(nèi)應(yīng)力最先變化，隨著突出的發(fā)展其變化區(qū)逐漸擴展并延伸至煤體兩側(cè)；突出過程中有效應(yīng)力集中區(qū)會反復(fù)地自靠近突出口一側(cè)向煤體深部轉(zhuǎn)移，并在突出終止時逐漸恢復(fù)至原始位置，且有效應(yīng)力值表現(xiàn)為間歇式的減小和增大過程。

(3)突出煤體處于壓縮和張拉狀態(tài)的動態(tài)演變過程，卸壓區(qū)煤體在突出過程中最大主應(yīng)力方向發(fā)生改變，且突出后期主應(yīng)力差基本表現(xiàn)為持續(xù)增大的過程，而其他區(qū)域的煤體在突出過程中最大主應(yīng)力方向保持一致，所不同的是集中區(qū)的主應(yīng)力差總體表現(xiàn)為先減小后增大的過程；隨著突出的持續(xù)發(fā)展，卸壓區(qū)和集中區(qū)的突出煤體應(yīng)力圓心位置將周期性的向-圖的原點處靠近后再遠離，但每個周期移動的距離逐漸縮短。

(4)突出煤體處于間歇性的趨于破壞和穩(wěn)定狀態(tài)，卸壓區(qū)和集中區(qū)煤體的破壞傾向性顯著大于升高區(qū)和原巖區(qū)；在卸壓區(qū)和集中區(qū)，突出過程中煤體在經(jīng)歷一個趨于破壞的力學(xué)狀態(tài)后，將會隨即進入另一個趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。卸壓區(qū)煤體的破壞傾向性隨著突出的發(fā)展趨于減弱，而集中區(qū)煤體的破壞傾向性則呈先增強后減弱的過程。