深部煤巖原位擾動力學行為研究

高明忠，王明耀，謝 晶，高亞楠,7，鄧光迪，楊本高，王 飛，郝海春,謝和平

(1.深圳大學 廣東省深地科學與地熱能開發利用重點實驗室，廣東 深圳 518060; 2.深圳大學 深地科學與綠色能源研究院，廣東 深圳 518060; 3.深圳大學 深圳市深部工程科學與綠色能源重點實驗室，廣東 深圳 518060; 4.深圳大學 土木與交通工程學院，廣東 深圳 518060; 5.四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065; 6.四川大學 水利水電學院，四川 成都 610065; 7.中國礦業大學 深部資源流態化開采前沿科學研究中心，江蘇 徐州 221116)

深部資源開采過程中，巖體力學行為及災變過程極其復雜，經典巖體力學理論已不能有效描述。國內外學者相繼提出了“深部”的概念[1-2]，并發展了針對深部的工程技術與工程建議。深部巖體力學常出現異于常態的力學行為，目前普遍認為“深部”是采動力學行為由以線性為主轉為非線性為主的深度，或是表現出某些特殊工程現象的臨界深度[1-4]，但并未強調圍巖所處應力環境與狀態，這與工程實踐有所差異。謝和平團隊針對該問題開展了深入探索，通過對大量現場地應力測試統計分析認為，深部不是(深度的)位置概念，而是一種力學狀態。隨著深度的增加，地應力狀態逐漸從淺部的構造應力主導狀態向深部靜水壓力狀態轉變，即理論上到達一定臨界深度后呈現出三向等壓的靜水壓力狀態(σ1=σ2=σ3)，相關研究通過力學分析為深部界定提供一個機理性的、定量化的描述，有效指導了深部資源的開采及其災害防控[5-6]。

目前，關于“深部”，學術界最大共識在于其“三高一擾動”(高地應力、高地溫、高滲透壓，開挖擾動)特征。并且普遍認為“三高”環境導致巖石的組織結構、基本力學特征和工程響應與淺部相比都將發生變化，是深部工程災害頻發且不同于淺部災害形式的主要原因之一[7-8]。人們針對高地應力、高地溫及高滲透壓作用下的巖石物理力學特征展開了廣泛的研究，包括變形行為、強度特征、細觀結構、滲透特性等[9-11]。值得注意的是地質環境如地應力、地溫、滲透壓往往都是與賦存深度密切相關的，因此，一些學者也以賦存深度為切入點，對深部巖體力學性質進行了深入研究。李俊如等[12]實測發現不同深度巖石抗壓強度、抗剪強度和黏聚力等隨深度的增加而逐漸增大。蔣小偉等[13]利用巖體質量分級RQD方法，評估了巖石變形模量隨賦存深度增長的特征。可見賦存深度對巖石強度影響十分顯著，其總體上隨深度的增加而增大[14]。除了探討深度對巖石變形破壞和強度特征方面的影響外，人們對巖石破壞機理隨賦存深度的變化也進行了相應研究。WAGNER等[15]認為深部巖體的破壞更多表現為動態的突然破壞，即巖爆或沖擊地壓。仵彥卿[16]通過室內三軸試驗發現巖石孔隙率隨地層賦存深度的增加(各個深度軸向應力σ1=γH，圍壓σ3=KγH進行模擬)而逐漸減小。同時，深部煤巖體力學響應具有突變性，淺部巖體破壞一般是漸進的，且在臨近破壞時經常表現出變形加劇現象，破壞前兆明顯。在深部開采條件下，大多學者認為巖體破壞具有強烈的沖擊破壞特性，其力學響應的破壞過程往往是突發的、無前兆的突變過程。在實際巷道開挖過程中表現為大范圍巷道的突然坍塌和失穩[17-18]，在采動工作面中該過程可能表現為頂板的突然大面積沖擊來壓[15,19]等現象。

現有的研究，大多是基于深部環境的因素或狀態(如地應力、溫度或深度等)展開，同時考慮原位賦存狀態和開采擾動的巖體力學行為研究還比較少見。深部巖體破壞失穩的本質原因就是開采擾動破壞了初始應力平衡狀態，深部巖體的力學行為與開采擾動及開采方式密切相關[20-21]。沿用傳統的常規三軸巖石力學實驗全應力-應變曲線對巖體的基本力學行為和變形破壞過程進行描述分析，獲得的巖石材料基本力學性質(如彈性模量、泊松比、強度、黏聚力、內摩擦角等)，缺乏考慮現場的原位應力狀態和開采擾動的影響，未與工程活動相關聯，不能反映在工程活動或運營狀態下巖體真實的力學性質[6，20,22]。因此，亟需要考慮原位地質環境和原位工程擾動，探索原位巖體力學行為;從試驗測試手段上來說，需要探索和建立原位力學研究試驗方法。

筆者以深部煤炭資源開采為工程背景，通過現場實測探索深部開采擾動下煤巖應力環境演化過程;考慮不同深度應力狀態和煤炭開采不同擾動強度，開展深部原位采動力學試驗，分析煤巖體在真實復雜原位應力路徑演化過程中的力學行為和破裂特征，初步揭示深部原位環境下巖石力學行為規律，以期為深部資源開采提供理論基礎和技術支撐。

1 深部原位力學環境測試及原位應力路徑

深部原位巖體最初處于平衡狀態，受開采或開挖活動影響，原巖應力場出現變化，應力重新分布，且不同工程活動致使圍巖所受應力路徑大相徑庭，導致巖體強度特征、變形破壞特征等一系列力學行為表現出完全不同的規律。即使同種工況下不同擾動強度對深部巖石力學性質也會產生不同影響，普遍認為在一定加載速率范圍內，巖石強度隨加載速率增大而增大[23-26]。另一方面，隨著深度增加，圍巖應力水平和圍巖屬性均會發生改變，不同深度煤巖體表現出來的基本力學特性與淺部開采時截然不同，甚至基本的力學參數也發生變化，如彈性模量、泊松比等[21]。因此，深部原位巖石力學研究，必須充分考慮不同深度原位應力狀態、開采擾動路徑以及擾動強度等方面的影響。

1.1 深部原位采動過程力學環境測試

煤炭開采過程的擾動效應相對容易監測捕捉，基于同煤集團同忻礦北三盤區某工作面展開原位巖石力學研究。該工作面位于同忻井田西部、北三盤區的西南部，工作面標高818～842 m，對應地面標高1 294.3～1 443 m，垂直埋深約為550 m。煤層基本頂為中細粗粒砂巖、泥巖及鋁土質泥巖，水平層理，泥質膠結。直接頂為含礫粗砂巖及中砂巖，以石英碎屑為主，偽頂為泥巖，直接底為高嶺巖及炭質泥巖，基本底為煤及中粗砂巖，以石英為主，長石次之。該工作面為近水平中厚或厚煤層，煤層厚度10.8～18.0 m，大部分區域平均厚度為14.88 m左右，傾角0°～3°，平均傾角1.5°，地質構造簡單，開采條件較好。

通過開展采動過程的原位雙軸監測(圖1)[27]，探索放頂煤開采條件下采動應力演化特征，獲取擾動煤巖體的原位力學參數，得到真正對應工程擾動影響的煤巖體原位力學行為。為測試結果更加真實可靠，具有可比較性，現場原位雙軸試驗開展前，首先從該工作面采集煤塊并制作成100 mm×100 mm×100 mm的立方體標準試樣。試驗時在煤壁上掏出尺寸為500 mm×400 mm×300 mm(寬×高×深)的槽，將墊片、應力計、扁平千斤頂放置于原位掏槽剛性實驗加載端，而后把煤樣緊貼應力計下部墊片放置，緩慢按壓豎向千斤頂施加預應力，防止上端面墊片滑落，最后調整墊片、煤樣、千斤頂及應力計位置，使各部件軸心緩慢調整至同一豎直線上，以防后期偏心加載，同時安裝側向壓力監測裝置。試樣安裝完成后，定期下井采集應力傳感器數據獲取煤巖體在開采過程中豎向和水平方向的應力變化值。

隨著工作面向前推進，工作面前方一定距離的煤體支承壓力σ1由靜水壓力狀態逐漸升高至峰值應力，而垂直工作面水平應力σ2則由靜水壓力狀態逐漸降低至0(釆動卸壓過程)，垂直巷道的σ3也會逐漸降低。為將支承壓力演化過程定量化，假定α,β分別為工作面推進引起的支承壓力集中系數和水平應力集中系數，即分別為垂直應力和水平應力與初始應力之比，利用現場原位雙軸監測數據計算出監測期間各時間點對應α,β值:

α=σ1/(λγH)

(1)

β=σ2/(λγH)

(2)

式中，λ為側壓比，不同地區λ值略有差異;γ為上覆巖層的容重，kN/m3;H為煤巖賦存深度，m。

最終得到擾動煤巖體應力集中系數α,β的演化曲線，應力集中系數變化過程反映了礦壓波動、暫態穩定等過程，而其大小則反映開采擾動影響程度。σ1和σ2即為考慮了工作面生產狀況、原位力學環境、真實支護狀態等條件的煤巖體原位擾動支承壓力值和水平應力值[27]。

圖2 擾動煤巖體應力集中系數演化過程[27]Fig.2 Evolution process of stress concentration coefficient of disturbed coal[27]

根據現場試驗數據(圖2)，提煉出支承壓力σ1與水平應力σ2原位擾動演化規律。初期支承壓力從預應力處略有下降，待水泥砂漿具有一定承載力后，呈現階段式、波動式緩慢上升，前期增長較緩，后期隨采煤工作面臨近，開采擾動造成應力場重分布劇烈，支承壓力增長加快，35～55 h受頂板周期來壓影響，且水泥砂漿未完全固結導致支承壓力周期波動;20～35 h以及80～95 h出現的暫態穩定現象，主要是由于采煤機停機檢修、工人交接班等工況。水平應力σ2隨著工作面推進呈現階梯式下降，推斷該過程為頂板周期來壓所致。因此，該原位擾動演化規律綜合考慮了工作面生產狀況、原位力學環境、真實支護狀態等條件，同時考慮了應力變化的時間效應，可以更好地體現擾動煤巖體真實應力變化特征。

綜合原位雙軸試驗數據，原位擾動應力演化路徑，隨著采煤工作面推進，軸向應力經歷了由初始狀態逐漸升高至峰值應力，然后伴隨著煤巖破壞降低至殘余強度;側向壓力則由初始狀態不斷卸載逐漸降至較低水平。此類與現場實際緊密相關的，考慮了開采過程中應力演化階段的、能反映擾動煤巖真實受力狀態的應力路徑，稱為原位開采擾動應力路徑。

1.2 原位采動過程應力路徑分析

針對同煤集團同忻礦某工作面選用的放頂煤開采方式，對放頂煤開采過程中巖石應力變化規律展開初步探索。謝和平等提出的放頂煤開采方式工作面支承壓力分布規律及工作面前方煤體應力環境狀態(圖3)[22]，最初原巖應力處于靜水壓力狀態，隨著工作面推進，煤層中的支承壓力(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，而后伴隨煤巖體的破壞進入卸壓狀態，垂向應力逐漸降低至煤壁處殘余強度狀態，另一方面，水平應力則由三向等壓的靜水壓力狀態逐漸降低。

圖3 放頂煤開采條件下工作面前方煤體應力環境Fig.3 Stress state of the coal around the working face for top-coal caving

為探索深部煤巖體原位力學行為，對放頂煤開采不同深度、不同加卸載速率條件下煤巖體的真三軸強度、變形參數展開研究，以期掌握真實擾動過程中的煤巖體力學行為特征，分析模擬原巖應力區煤巖體力學特性，基于謝和平等提出的放頂煤開采方式下工作面前方應力分布規律，結合現場原位雙軸試驗所得原位擾動演化模型[22]，簡化部分復雜應力波動過程，提出工作面前方煤巖體經歷的采動應力演化模擬路徑如圖4所示。圖4中原巖應力區指遠離進風巷位置，靠近采煤工作面中心處，通風巷道開挖卸荷作用對該部分煤體單元影響較小；開挖破碎區指靠近進風巷道，該部分煤體單元受進風巷道開挖卸荷作用影響較大；而開挖擾動區則指位于原巖應力區和開挖破碎區中間的煤巖體。

據此，可擬定原位采動過程的應力路徑試驗方案:① 靜水壓力階段:以0.2 MPa/s的加載速率同時施加軸向應力(σ1方向)與水平應力(σ2方向與σ3方向)至20,30,40 MPa(按試驗面地質條件垂直應力梯度為25 kPa/m，對應設計埋深分別為800,1 200,1 600 m)，即圖4中OA段;保持靜水壓力狀態不變，穩定一段時間，即圖4中AB段;② 第1卸載階段:整個加卸載階段均保持σ3不變，增加軸向應力σ1的同時降低水平應力σ2。其中軸向應力與水平應力均采用應力控制方式加載，σ1應力加載速率v1分別為0.05,0.10,0.20 MPa/s，σ2應力卸載速率v2分別為0.04,0.08,0.16 MPa/s，加載至軸向應力系數為1.5，即σ1=1.5σ3，對應圖4中BC,BD,BE段;③ 第2卸載階段:持續增加軸向應力σ1同時降低水平應力σ2，直至破壞。其中軸向應力與水平應力均采用應力控制方式加載，σ1應力加載速率v1分別為0.10,0.20,0.40 MPa/s，σ2對應的應力卸載速率v2分別為0.04,0.08,0.16 MPa/s，即圖4中CF,DG段。

圖4 放頂煤開采條件下應力路徑Fig.4 Stress path of top-coal caving

2 基于原位應力路徑的深部煤巖力學特征分析

深部原位擾動應力路徑演化模型的提出是原位力學行為研究的基礎，現場原位雙軸監測軸向壓力及側向壓力變化趨勢總體與前述謝和平等提煉的工作面前方支承壓力隨采煤工作面推進演化過程一致，此應力路徑可研究開采條件下煤巖體強度與變形特性。本文利用重慶大學自主研發的多功能真三軸流固耦合試驗系統，開展考慮放頂煤開采擾動路徑、不同深度原位賦存環境和不同加卸載速率等因素的深部煤巖原位采動巖石力學測試分析，一定程度上可避免現有的單軸壓縮試驗(σ1>σ2=σ3=0)與常規三軸加卸載試驗(σ1≥σ2=σ3)的局限性，該試驗系統可實現多種復雜應力路徑下單軸、雙軸、五面加載單面臨空與六面混合加載的真三軸應力狀態下煤巖力學特性與流體滲流規律研究[28-29]。

2.1 原位采動應力路徑下煤巖體力學行為

基于不同賦存深度煤巖原位采動應力環境下的試驗模擬方法，通過改變初始應力水平與加卸載速率等因素，最大程度還原深部不同深度下煤巖原位開采過程，同時通過與常規三軸試驗結果對比分析，研究深部原位不同深度煤巖賦存狀態、開采擾動路徑及擾動強度對于煤巖體強度、變形等力學特征的影響[30-32]。天然環境的不同賦存深度巖石處于復雜地應力環境狀態，其力學性質與初始應力大小方向息息相關，因此在研究深部原位巖石力學行為規律時，必須要考慮受賦存深度影響的原位應力狀態。當埋深為800,1 200,1 600 m時，試樣在加卸載階段破壞時峰值應力平均值分別為49.28,62.35和66.31 MPa，隨著埋深的增加，煤巖體強度呈增加趨勢，但其強度變化規律表現出明顯的非線性特征，1 200 m埋深下對試樣強度提升更為顯著，較800 m埋深下至少提高了13%。同時，在低圍壓作用下煤巖體在破壞時出現了相對于初始狀態的體積膨脹現象，但隨著埋深增加，受高圍壓限制作用，煤巖體在破壞時呈壓縮趨勢。

為進一步研究加卸載速率對不同深度煤巖原位力學行為的影響，繪制了各個深度下不同方向的應力-應變曲線(圖5～7)，對于原巖應力區煤巖體，在一定范圍內改變加卸載速率對煤巖體變形特征產生的影響較小，整個加卸載破壞過程中，不同深度下煤巖體表現出類似的變形特征。在第1卸載階段中，σ1方向上壓縮變形持續增大，與之相反，σ2方向上膨脹變形持續增大。σ3方向上由于受到圍壓的限制作用，只產生微小的膨脹變形，且應變變化率明顯低于其他兩個方向。進入第2卸載階段，雖然σ1方向上加載速率提升，但應力-應變曲線仍然沿著第1卸載階段的趨勢發展至破壞，不同的是在低圍壓加載下煤巖體破壞時有明顯的膨脹趨勢。

圖5 不同方向應力-應變曲線(800 m)Fig.5 Stress-strain curve of different directions (800 m)

圖6 不同方向應力-應變曲線(1 200 m)Fig.6 Stress strain curves in different directions (1 200 m)

圖7 不同方向應力-應變曲線(1 600 m)Fig.7 Stress strain curves in different directions (1 600 m)

如圖5所示，在800 m埋深下，v2在0.04～0.16 MPa/s變化時，隨著加卸載速率提高，煤巖體強度基本保持不變，破壞時垂直應力σ1相差1%左右，σ1約為49 MPa，受加載速率影響較小，現場回采時可結合頂底板情況適當提高采煤工作面推進速度。此外，當加卸載速率v2在0.04～0.08 MPa/s范圍時，隨著加卸載速率提高，ε1與ε2基本保持不變;當加卸載速率繼續提高至v2=0.16 MPa/s，ε1顯著增加，ε2降低，而ε3隨著加卸載速率提高一直保持小幅度提高。由于煤樣的各向異性特征，σ1方向與σ2方向的應變變化率存在差異，當σ1方向應變變化率小于σ2方向(如v2=0.04,0.08 MPa/s)時，整個加卸載過程中煤樣一直處于體積膨脹狀態，煤樣破壞時ε1明顯小于ε2;相反，當σ1方向應變變化率大于σ2方向(如v2=0.16 MPa/s)時，整個加卸載過程中煤樣一直處于體積壓縮狀態，煤樣破壞時ε1明顯大于ε2。因淺部圍巖強度受開采速率影響較小，實際生產過程中，在保證煤巖體具有較高承載能力的同時可適當提高開采速率，改善生產效率。

在1 200 m埋深下(圖6)不同于800 m埋深低圍壓條件，隨著加卸載速率提高，煤巖體整體強度顯著降低。相較于v2=0.04 MPa/s時的破壞強度，v2=0.08 MPa/s時破壞強度僅下降約1%，v2=0.16 MPa/s時破壞強度下降約16%，此時峰值應力σ1約為55.70 MPa。表明在該深度下，當加卸載速率在一定范圍內時對煤巖體強度影響并不顯著，若超出該范圍，加卸載速率提高則會使煤巖體整體強度降低，開采擾動作用對于煤巖體力學特征影響顯著。此外，當加卸載速率v2在0.04～0.08 MPa/s時，隨著加卸載速率提高，ε1與ε2基本保持不變;當加卸載速率繼續提高至v2=0.16 MPa/s，ε1與ε2均顯著降低，但ε3隨著加載速率提高呈小幅度降低趨勢。此外，1 200 m埋深下試樣σ1方向應變變化率均大于σ2方向，整個加卸載過程中煤樣一直處于體積壓縮狀態，煤樣破壞時ε1明顯大于ε2。這一現象表明隨著深度增加，圍壓對于試樣擴容的限制作用增強，煤樣在較深部高地應力的作用下發生整體體積壓縮，煤層內部將累積較大的應變能，同時煤體內部原生裂隙與孔隙的閉合，因而深部煤炭開采過程中，煤層內局部發生破壞時會急劇釋放高量級能量，極有可能誘發沖擊地壓和煤與瓦斯突出等一系列工程災害[33-34]。

當模擬進入1 600 m埋深時(圖7)，受到高應力環境與煤樣各向異性特點的影響，隨著加卸載速率提高，煤樣非線性變形特征顯著增強，且呈現出不規律變化趨勢，煤巖體整體強度同樣隨加卸載速率提高呈降低趨勢。相較于v2=0.04 MPa/s時的破壞強度，v2=0.08 MPa/s時破壞強度下降約6%，v2=0.16 MPa/s時破壞強度下降約7%。表明隨著深度增加，提高加卸載速率會使煤巖體整體強度降低，開采擾動作用在一定范圍內對于煤巖體力學特征影響顯著，但當加卸載速率增加超過該范圍后，其改變對該位置煤巖體強度影響減弱。該工況下煤樣整體變形特征與埋深1 200 m類似，除v2=0.08 MPa/s時表現出差異性外，其余試樣σ1方向應變變化率均大于σ2方向，整個加卸載過程中煤樣一直處于體積壓縮狀態。且1 600 m埋深下試樣峰值應力對應的體積應變平均值為0.55%，約為1 200 m埋深下的2倍，可見高地應力作用下，煤層受到開采擾動影響整體壓縮變形量較淺部更大，蓄積能量隨著煤巖體局部破壞釋放，煤巖系統進一步發生整體結構失穩的可能性增大。淺部沒有沖擊傾向性的非沖擊礦井，進入深部有轉變為發生沖擊地壓的傾向，可采取措施使應力釋放，從而防止沖擊地壓的發生，或者利用超前注水軟化煤層[35-36]。

受不同賦存深度煤巖體的原位地應力環境影響，相同推進速度對于不同深度的煤巖體擾動影響存在差異，某個開采速度對于淺部煤巖體影響較小，但進入深部后該推進速度可能造成強開采擾動，會大大降低煤巖體的承載能力，改變煤巖體力學特性。由圖8可明顯看出，煤巖體在800 m埋深時，當卸載速率v2在0.04～0.16 MPa/s內變化時，隨著加卸載速率提高，煤巖體強度基本保持不變;埋深為1 200 m時，卸載速率對煤巖體強度影響也并不大，若超出該范圍至v2=0.16 MPa/s，加卸載速率提高則明顯使煤巖體整體強度降低;當埋深為1 600 m時，卸載速率提高使煤巖體整體強度降低，但繼續提高加載速率至v2=0.16 MPa/s時，則煤巖體強度無明顯變化，與0.08 MPa/s條件下強度基本一致。上述現象表明，該工況下在某個范圍內采煤工作面推進速度的改變對煤巖體力學特征會產生顯著影響，超出該范圍后影響大大減弱。且該影響范圍與煤層的賦存深度有關，煤層埋深越深，開采速度影響范圍區間較小，因此在實際工程中，應結合煤層實際賦存深度，將工作面開采速度控制在合理范圍內，盡可能降低開采擾動的影響，對于煤礦安全高效開采具有重要意義。

圖8 加載速率對不同深度煤巖體影響Fig.8 Effect of the loading rate on the coal with different depths

2.2 深部煤巖原位力學行為和常規三軸力學行為對比

針對不同開采深度的煤巖進行了常規三軸壓縮試驗，并與原位力學的測試結果進行對比，如表1和圖9所示。

表1 不同深度煤巖考慮采動與未考慮采動實驗結果Table 1 Results with/without the consideration of mining distubance

圖9 典型立方體煤樣常規三軸壓縮應力-應變曲線Fig.9 Stress-strain curve of cubic coal specimen of triaxial compression tests

煤巖體在原位力學行為測試和常規三軸加載下強度都隨初始圍壓增加而呈增大趨勢，表明煤炭開采進入深部后，高地應力使得煤巖體破壞需更大的外部荷載驅動，但明顯后者增加幅度更大，受圍壓影響更為明顯。當圍壓為20 MPa時，峰值強度約為67.1 MPa;40 MPa時，最大峰值強度達到99.8 MPa，整體強度增加約40%。然而常規三軸加載并未考慮垂直于采煤工作面方向的水平應力σ2在開采過程中不斷卸荷的影響，導致煤巖強度偏高，而且由于常規三軸試驗σ2,σ3方向圍壓相等，整個變形破壞過程中煤樣水平方向(σ2方向與σ3方向)應變基本保持一致，不能反映深部巖體擾動后的三向不等壓狀態。基于真三軸加卸載系統的深部煤巖體原位擾動力學特性與破裂行為研究，考慮了開采過程中σ2方向的卸荷，故應變ε2遠遠大于ε3，可以反映深部因受地下工程擾動影響由初始靜水壓力狀態向三向不等壓力學狀態發展的過程，煤巖體缺乏σ2方向的約束更容易破壞，因此相較于常規三軸壓縮，煤巖體強度整體較小，更接近真實開采條件下的圍巖變形特征。此外，常規三軸加載相對于初始狀態始終保持體積壓縮，低圍壓下試樣體積壓縮一直增加，但高圍壓作用下煤巖體在破壞時有膨脹趨勢。需要指出是深部原位巖石力學行為測試中煤巖體在低圍壓作用下破壞時有膨脹趨勢，但在高圍壓作用下，雖然σ2方向在不斷卸荷，但是σ3方向的水平應力仍然限制了煤巖體的膨脹發展，破壞時仍呈壓縮趨勢。

3 基于原位應力路徑的深部煤巖破裂特征分析

3.1 原位采動應力路徑下煤巖破裂特征

深部高地應力條件下，巷道開挖卸荷使得圍巖由三向受力轉變為兩向受力，極易誘發工程災害。除了常見的巷道圍巖冒頂、底臌、片幫、巖爆等災害外，深部采礦工程中出現一系列特有破壞模式，如圍巖的板裂破壞、高能級巖爆等。在深部原位巖石力學特性研究的基礎上，對巖石的破壞形式、破裂角與破裂面進行對比分析，進而對真實擾動條件下深部煤巖原位力學破壞特征展開探索。

對于原巖應力區煤巖體，由于σ3受巷道開挖影響較小，在整個試驗過程中σ3保持不變，因而在σ3方向設置恒定圍壓的限制作用下，煤樣破壞主要是由σ1持續加載與σ2持續卸載引起。對比試樣宏觀破壞形態，深部高圍壓條件下煤樣破壞后新生的裂紋數量較少，圍壓作用在一定程度上限制了煤樣內部微裂紋產生與發育，新生的裂紋數量較少，煤樣整體較為完整。此外，隨著深度增加，試樣由“半Y”型拉-剪復合破壞向“半X”型純剪切破壞過渡，破壞角度呈現減小趨勢。同時，加載速率作為深部煤巖體原位力學行為的重要影響因素，對不同賦存深度煤巖體破壞程度及破壞模式也有不同程度的影響。

圖10為800 m埋深下煤巖體在不同加卸載速率下破壞后的形貌特征，煤樣主要呈現“半X”型與“半Y”型破壞，屬于純剪切破壞或拉-剪復合破壞。低卸載速度下(v2=0.04 MPa/s)，煤樣破壞后未產生宏觀斷裂面，只產生兩條整體貫穿裂紋，煤樣基本保持完整形態。隨著卸載速率提高，當卸載速度v2=0.08 MPa/s時，煤樣破壞后同時產生宏觀剪切破壞面與張拉破壞面，且除了宏觀破壞面外，煤樣表面還產生許多縱橫交錯的細小裂紋，煤樣整體被分割成多個塊體，破壞更加劇烈。當卸載速度v2達到0.16 MPa/s時，發生破壞的煤樣同時出現2個交叉的“X”型共軛剪切破壞面與2條整體貫穿的張拉裂紋，破壞形態更為復雜。

圖10 煤樣真三軸加卸載試驗破壞后形貌特征(800 m)Fig.10 Failure pattern of the coal specimens for the true triaxial loading and unloading tests (800 m)

如圖11所示，與800 m埋深低圍壓狀態類似，1 200 m埋深下煤樣破壞同樣呈現“半X”型與“半Y”型破壞，賦存深度的增加并未影響其破壞模式。不同于800 m埋深低圍壓狀態的是，此時受到30 MPa較高圍壓的限制作用，煤樣破壞后表面細小裂紋數量顯著較少，各面均更加完整平滑。當卸載速度v2由0.04 MPa/s提高到0.08 MPa/s，煤樣由拉-剪復合破壞向純剪切破壞過度，均只有單一破壞面;當卸載速度v2達到0.16 MPa/s時，煤樣破壞時出現兩個基本平行的“半X”型剪切破壞面。

隨著模擬深度繼續增加至1 600 m(圖12)，與低圍壓狀態類似，不同工況下煤樣均在第2卸載階段發生整體失穩破壞，煤樣基本均呈現“半X”型純剪切破壞形態，未見明顯張拉破壞特征。受到深部原位高地應力的限制作用，除了試驗前煤樣表面含有的原生裂紋外，破壞后新生的裂紋數量相對較少，不同卸載速率下煤樣的宏觀破壞形式未見明顯差異。

圖12 煤樣真三軸加卸載試驗破壞后形貌特征(1 600 m)Fig.12 Failure pattern of the coal specimens for the true triaxial loading and unloading tests (1 600 m)

采用室內原位巖石力學行為測試對現場真實擾動條件進行模擬，研究表明不同工況下煤樣的破壞形式與破壞程度均有所差異，而煤樣的破壞角度與破壞面形態在一定程度上可以反映其宏觀破壞特征，因而對不同工況下煤樣的破壞角度進行測量統計，并對破壞面形態加以描述，以期進一步揭示不同工況下煤樣的宏觀破壞特征。

表2為煤巖體在深部原位測試下破壞角度與破壞面形態的破壞特征統計。隨著深度增加，煤樣破壞角度呈現減小趨勢，不同圍壓條件下煤樣破壞表面較為粗糙，顆粒間摩擦痕跡明顯，煤樣均表現出明顯的滑動剪切破壞特征。以破壞面角度75°作為衡量“I”型張拉破壞與“半X”型剪切破壞的分界值[37]。根據試樣破壞面角度可對試樣宏觀破壞模式作出判斷，在20 MPa圍壓條件下，隨著卸載速率v2提高，煤樣破壞由單剪切破壞面轉變為雙交叉剪切破壞面;隨著模擬深度增加至1 200 m時，煤樣在高卸載速率下破壞面形態更為復雜，分別出現雙平行剪切破壞面，破壞更加劇烈;當埋深增加至1 600 m時，煤樣出現單彎折剪切破壞面、單弧形剪切破壞面等形態。

3.2 深部煤巖原位破裂特征和常規三軸破裂行為對比

立方體煤樣常規三軸壓縮試驗破壞后形貌特征和深部原位采動應力路徑下破壞形態類似，宏觀破壞形式主要為“半X”型與“半Y”型破壞，即純剪切破壞或拉-剪復合破壞或2者的組合，表明深部煤巖體考慮工程擾動的原位力學行為很少改變試樣最終的破壞方式。受到圍壓的限制作用，常規三軸壓縮試驗煤樣破壞后表面微裂紋數量相對較少，煤樣整體保存較為完整，且隨著圍壓升高，這種抑制作用更加顯著。此外，由于立方體煤樣四周邊角處易產生應力集中現象，因而該位置有較多煤巖薄片與小塊煤樣脫落，煤樣破壞的宏觀裂紋多從脫落位置開始延伸發育，最終貫穿整個試樣。圖13為不同圍壓下煤樣常規三軸壓縮試驗破壞后形貌特征。

表2 原巖應力區煤巖體破壞特征統計Table 2 Summary data of failure characteristics of the coal in the undisturbed zone

圖13 煤樣常規三軸壓縮試驗破壞后形貌特征Fig.13 Failure pattern of the coal specimens for the triaxial compression tests

4 結 論

(1)隨著賦存深度的增加使得開采速度對煤巖力學性質的影響程度增大。巖體強度隨賦存深度非線性增長，淺部(低圍壓)巖體的強度受載荷速率影響較小，開采速率對深部(高圍壓)巖體力學特征的影響存在特定范圍，在該范圍內，巖體力學性質隨開采速度變化劇烈。在實際工程中，應結合煤層賦存深度，將工作面開采速度控制在合理范圍內，盡可能降低開采擾動的影響。

(2)深部煤巖原位力學行為研究表明，隨著深度增加，試樣由低圍壓下膨脹破壞為主轉變為高圍壓下壓縮破壞，由“半Y”型拉-剪復合破壞向“半X”型純剪切破壞過渡，煤樣破壞角度呈減小趨勢，深部的高圍壓限制使煤樣破壞后表面細小裂紋數量減少，各破壞面更加平滑完整。立方體煤樣常規三軸壓縮試驗破壞后形貌特征和深部原位采動應力路徑下破壞形態類似，表明放頂煤開采方式下考慮工程擾動的原位力學行為少有改變試樣最終的破壞方式。

(3)煤巖體在考慮原位采動應力路徑和常規三軸加載下強度都隨著深度增加而呈增大趨勢，但以往的常規三軸加載方式不能實現深部巖體擾動后的三向不等壓狀態，往往會導致煤巖體強度偏高，整個變形破壞過程中煤樣水平方向應變基本一致，與實際情況并不相符。基于真三軸加載系統的深部煤巖原位力學行為測試，考慮了開采卸荷、巷道掘進卸荷，一定程度上可以反映深部受地下工程擾動后由初始靜水壓力狀態向三向不等壓力學狀態轉變的過程，能最大程度上還原真實開采條件下的圍巖變形特征。

煤炭資源開采過程中，煤巖體的自身力學屬性受其工程及賦存特征所影響，而相對應的力學響應也直接影響到現場工程實際。深部原位巖石力學是解決傳統巖石力學與深度不相關、與深部原位環境不相關、與工程活動不相關的巖體力學分支。傳統的巖石力學理論無法描述開采擾動條件下原位巖體力學行為研究，難以有效指導深地資源開發。本文初步提出了深部巖體力學行為的研究思路和方法，但大量工作亟待完善和開展。未來，深部原位真實復雜賦存環境下巖石本真物理力學參數、力學行為規律、破斷失穩致災、能量積聚釋放等一系列科學難題是提升資源獲取能力的根本，同時也是發展原位開采技術(如原位流態化開采)的先決條件，需要持續深入研究。