采掘工作面孕突过程地应力诱使煤体初始破坏动态响应机制.pdf

采掘工作面孕突过程地应力诱使煤体初始破坏动态响应机制王超杰1，唐泽湘1，徐长航1，杨洪伟2，刘鲁坦1（1.中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛266580；2.河南神火煤电股份有限公司,河南永城476600）摘要：工作面采动应力场诱发煤体初始破坏，作为突出发生的必要条件，揭示其细宏观动态力学过程依然存在巨大挑战。基于采掘工作面典型突出事故，构建了采动煤体损伤失稳过程多变应力载荷路径。采用 PFC3D 离散元软件开展了多工况多尺度下煤体损伤失稳可视化模拟，揭示了采动煤体损伤失稳动态响应规律，阐明了采动煤体裂纹动态演变行为，并基于采动下地应力诱使煤体初始破坏规律提出了突出防治技术展望。结果表明：采动煤体随主应力加卸载速率的变化，其破坏类型和破坏强度差异明显。应力渐进卸载过程，煤体宏观破断面呈现单斜面或共轭剪切面形式，且随卸载速率增加，煤体破坏强度降低。随应力双向同等速率渐进加载，单向突然卸载或保持一定残余应力状态下呈现宏观破断面与中间主应力方向平行，且卸载程度增加或残余应力降低引发煤体破坏强度降低。不同应力载荷下，煤体破坏过程随剪切和张拉裂纹先后出现，呈现张剪破坏。在采动煤体损伤引发失稳过程中裂纹动态演变过程呈现间歇性、渐进性和阵发性复合特征。裂纹整体发育过程可表征为初期新裂纹出现（间歇性突增阶段）、裂纹扩展（渐进性慢增阶段）以及贯通并扩展（阵发性慢增阶段）、整体撕裂煤体过程（骤增阶段）。煤体力学强度被视为影响突出发生的一主控因素，地应力诱发采动煤体初始破坏的难易程度关键在于应力加卸载路径。单向主应力突然卸载或双向主应力渐进卸载，煤体最易发生初始破坏。基于此力学规律，提出可表征工作面突出煤体最危险状态的“采掘工作面突出预测理想采动模式”。关键词：煤与瓦斯突出；煤岩瓦斯动力灾害；突出防治；动态损伤；裂纹扩展中图分类号：TD713文献标志码：A文章编号：02532336（2023）10014015Dynamic response mechanism of initial failure of coal mass induced by in-situ stressin an outburst inoculation process of the working face for coal miningWANGChaojie1,TANGZexiang1,XUChanghang1,YANGHongwei2,LIULutan1（1.College of Mechanical and Electrical Engineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China;2.Henan Shenhuo Group Co.,Ltd.,Yongcheng 476600,China）Abstract:Thereisstillagreatchallengetorevealthemicro-macrodynamicmechanicalbehaviorofinitialcoalfailureinducedbyminingstressfieldinworkingfaceasanecessaryconditionfortheoutburstoccurrence.Themultivariatestressloadingpathsforthedamageandinstabilityofminingcoalwereconstructedbasedonthetypicalcoalandgasoutburstaccidentofminingface.PFC3Ddiscretesoftwarewasusedtocarryoutthevisualsimulationofdamageandinstabilityofcoalundermultipleworkingconditionsandscales.Thedynamicresponselawofdamageandinstabilityofminingcoalwasrevealed,thedynamicevolutionbehaviorofcracksinminingcoalwasclarified,andtheprospectofoutburstpreventiontechnologieswasputforwardbasedontheinitialfailureprocessofcoalinducedbyin-situstress收稿日期：20221019责任编辑：宫在芹DOI：10.13199/ki.cst.2022-1713基金项目：国家自然科学基金资助项目（52104236）；中国博士后科学基金资助项目（2020M672177）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（22CX06018A）作者简介：王超杰（1992），男，河南商丘人，副教授，硕士生导师，博士。E-mail：superj_第51卷第10期煤炭科学技术Vol.51No.102023年10月CoalScienceandTechnologyOct.2023王超杰，唐泽湘，徐长航，等.采掘工作面孕突过程地应力诱使煤体初始破坏动态响应机制J.煤炭科学技术，2023，51（10）：140154.WANGChaojie，TANGZexiang，XUChanghang，et al.Dynamicresponsemechanismofinitialfailureofcoalmassinducedbyin-situstressinanoutburstinoculationprocessoftheworkingfaceforcoalminingJ.CoalScienceandTechnology，2023，51（10）：140154.140undermining.Theresultsshownthatthefailuretypeandstrengthoftheminedcoalvariedsignificantlywiththeloadingandunloadingrateoftheprincipalstress.Intheprocessofgradualunloadingofstress,themacroscopicfracturesurfaceofcoalpresentedtheformofsingleinclinedplaneorconjugateshearplane,andthefailurestrengthofcoaldecreasedwiththeincreaseofunloadingrate.Withthegradualloadinginbothdirectionsofstressatthesamerate,unidirectionalsuddenunloadingoracertainresidualstressmaintainingstatepresentedamacrofracturesurfaceparalleltothedirectionoftheintermediateprincipalstress.Andthefailurestrengthofcoaldecreasedwiththeincreaseoftheunloadingdegreeorthedecreaseoftheresidualstress.Underdifferentstressloaded,thetension-shearfailurepro-cessofcoalappearedsuccessivelywithshearandtensioncracks.Intheprocessofinstabilitycausedbyminingcoaldamage,thedynamicevolutionofcrackspresentedintermittent,progressiveandparoxysmalcompositecharacteristics.Theoveralldevelopmentprocessofcrackscanbecharacterizedastheinitialappearanceofnewcracks(intermittent-suddenincreasestage),crackexpansion(gradual-slowin-creasestage),penetrationandexpansion(paroxysmal-slowincreasestage),andtheoveralltearingprocessofcoal(suddenincreasestage).Themechanicalstrengthofcoalwasregardedasoneofthemaincontrollingfactorsaffectingtheoccurrenceofoutbursts.Thedifficultyofinitialfailureofcoalinducedbyin-situstressdependedcriticallyonthestressloadingandunloadingpath.Thecoalwasmostpronetoini-tialfailurewhentheunidirectionalprincipalstresswassuddenlyunloadedorthebidirectionalprincipalstresswasgraduallyunloaded.Basedonthismechanicallaw,the“idealminingmodeofoutburstpredictioninminingworkingface”wasproposedtorepresentthemostdangerousstateofcoalintheworkingface.Key words:coalandgasoutburst；coal/rock-gasdynamicdisaster；outburstprevention；dynamicdamage；crackpropagation0引言煤岩瓦斯动力灾害以长期性、复杂性和反复性多态势制约煤炭的安全高效开采。学术界开展煤与瓦斯突出（简称“突出”）等灾害防治研究已长达 180余年，取得了众多重大突破，尤其近年灾害多元动态信息的集成监测、动态预警及分源防控技术工程示范1-2。现有研究指出3-4其灾变本质为：在采动应力与瓦斯压力互馈多变响应载荷下，新裂纹萌生、新旧裂纹贯通与扩展诱发的煤岩体结构损伤变形与断裂失稳现象。采动煤岩体力学响应在方向及数值上呈复杂多变特征，载荷类型不同，煤岩动力灾害类型及强度截然不同5-7。同时因动力灾害孕育受控于复杂的地质结构8-9，呈“区域危险，局部灾变”特征。相关机理尚有待进一步揭示，在灾害主控机制及控因间定量化研究依然认识匮乏2,10-11。煤炭工业“十四五”发展方向指出煤矿重大灾害防控基础理论，作为煤炭智能化开采的关键前提，是亟待攻关的重大科学问题12。鉴于原始含瓦斯煤岩体在井下赋存一般呈三向不等应力载荷状态，采掘扰动使其普遍呈五面加载，单面临空受载模式5-7。研究表明4-5,13-16此类应力模式下，煤体中裂纹萌生与扩展沿中间主应力方向演变，最终形成的宏观层裂面近似平行于临空自由面。同时理论分析指出煤体受地应力作用发生初始破坏过程存在拉伸破坏，在失稳过程中瓦斯进一步加剧煤体碎裂，其破坏形式为拉伸剪切复合型。文献 17 也初步证实煤岩体在双围压载荷路径下，其破裂受轴向拉应力的作用沿加载方向扩展。这与常规认识的采动载荷下含瓦斯煤体受剪切破坏的力学响应有着新的补充。尽管，目前对地应力与瓦斯压力在突出灾变过程中的认识不尽相同，但由于灾变过程地应力与瓦斯压力共存，探究采动煤体结构失稳不能严格区分或定义某主控因素在前，它们呈互馈协作状态。因此，煤体初始破坏同样由地应力和瓦斯压力共同作用逐步演化。然而，已然形成共识的是灾变过程两应力在不同阶段必然存在主控状态。大量研究均指出煤岩体初始破坏为灾变前提，因瓦斯嵌入，改变了含瓦斯煤岩体力学响应特征，是煤岩体损伤失稳的推动力18-22。以地应力主导的采动应力场决定煤岩体初始破坏强度与方向23。突出孕育与发动过程关键在于突出煤体的适时揭露。因采掘扰动，工作面前方突出煤体在未揭露前必然受到集中应力作用，随应力推移和瞬态平衡，在残余应力作用下引发持续性损伤失稳。因此，地应力在采动下引发煤体损伤失稳作为突出发生的必要条件，煤体损伤失稳程度对突出强度分布具有关键作用。如相对于煤巷或采煤工作面，突出发生在石门揭煤时，突出强度普遍较大。部分原因归结于突出煤体揭露前瓦斯赋存扰动较小，而另外则由于揭煤工艺致使突出煤体残余应力赋存较大，进而引发煤体损伤失稳程度较高，为后续瓦斯做功提供便利。然而，综合考虑采动煤岩体应力演化路径及突出灾害发动的突然性，构建应力加卸载模型，揭示采动煤岩体裂纹动态扩展及损伤失稳规律仍鲜有报道。导致突出灾害孕育阶段，煤体初始破坏力学过程未能系统揭示。因此，基于突出煤体孕突过程应力演化特征，以三向应力渐变或突变为孕灾过程力学再王超杰等：采掘工作面孕突过程地应力诱使煤体初始破坏动态响应机制2023年第10期141现背景，旨在揭示采掘工作面孕突过程地应力诱使煤体初始破坏动态响应机制。研究成果为阐明煤岩瓦斯动力灾害孕育过程细-宏观动态力学行为提供理论基础。1采掘工作面孕突应力场特征与模型1.1采动煤岩体多变力学特征突出主要发生在煤巷、回采和石门揭煤工作面，根据其触发时间属性分为瞬时突出和延期突出。由掘进特点可归类为掘进时工作面前方发生瞬时/延期突出、掘进后工作面前方/工作面后方煤壁发生延期突出。因此，采动煤岩体应力路径演化过程属突然和渐进加卸载行为。若突出发生在采掘工作面前方，根据突出时间属性，会伴随沿工作面掘进方向煤岩体应力突然或渐进卸载过程，相应简化为最小主应力突然或渐进卸载路径；若突出发生在采掘工作面后方煤壁，根据突出时间属性，会伴随在沿采掘空间方向一定残余应力下，另两方向应力出现应力集中，相应简化为最小主应力以一定应力伺服，最大与中间主应力渐进加载路径。如 2010 年寺河煤矿“916”突出事故（掘进后工作面前方发生延期突出）、2021 年山西石港“325”突出事故（掘进时工作面前方发生延期突出）、2020 年陕西燎原煤业“610”突出事故（掘进时工作面前方发生瞬时突出）、2017 年薛湖煤矿“515”突出事故（掘进后工作面后方煤壁发生延期突出）。故而，突出发生伴随着突出煤体在三向受力下突然或渐进加卸载过程，其加卸载方向及速率决然不同。因此，基于上述四类典型突出事故，采动煤岩体孕突出过程残余应力加卸载路径可简化为 4种力学类型，如图 1 所示，1为最大主应力；2为中间主应力；3为最小主应力。1.2采动煤岩体损伤失稳数值模型采动煤岩体损伤失稳过程属动态行为，基于常规室内试验难以捕捉损伤失稳细观过程。目前，众多研究均已表明利用数值仿真手段不仅可表征实际煤岩体破坏过程，更便于从细宏观角度综合剖析煤岩体损伤直至失稳阶段性特征。因此，本文基于离散元颗粒流软件 PFC3D，开展如图 1 所示的不同力学路径下煤岩体损伤失稳过程模拟。PFC3D5.0 软件中模型建立是将实际问题迁移至数值模拟中演算解决的重要步骤。模型建立过程由以下几步组成：设置模型计算区域、设置 clean 命令、创建粒子集、设定边界条件、设置初始条件与接触模型以及给定粒子参数。以多重应力路径加卸载煤样损伤失稳实验为基础，本文模拟采用平行黏结接触模型，构建了与试验等效的长宽高为 50mm50mm100mm 标准煤岩体试件，如图 2 所示。123123123tt12311=23t231=23t231(a)应力路径(b)应力路径(c)应力路径(d)应力路径图1采动煤岩体孕突过程力学加卸载路径Fig.1Mechanicalloadingorunloadingpathofminingcoal/rockmassduringoutburstsinoculationprocess图2煤岩体试件颗粒化模型Fig.2Granulationmodelofcoalrockmassspecimen因突出煤体在现场采样难以成型，基于文献 24，开展了实际构造煤体的型煤仿制试验，在三轴压缩与巴西劈裂等物理力学性能测试实验后得到实际型煤试样力学参数见表 1。依据型煤试样力学参数与应变特性进行模拟模型试样参数标定，经 100 组参数标定得到模型细观参数见表 2。模型试样与实际试样单轴压缩后应力应变及破坏形态对比如图 3 所示。由图 3 可知，模拟所构建模型与实际型煤抗压强度均为 5.02MPa。峰值处应变，模拟结果为 1.6%，实验结果为 2.2%，二者相差 0.6%；弹性模量，模拟与实验结果分别为388、346MPa，二者误差在10%以内。在受压破坏各阶段特性表现均接近，且均在相同部位发生单斜面剪切破坏，二者间具有较好的相似性。2023年第10期煤炭科学技术第51卷1421.3应力加卸载模式基于图 1，为综合反应采动煤体诱发突出力学过程，本文不仅考虑应力加卸载路径，同时考虑路径下应力加卸载速率的影响。共设计 10 种应力加卸载模式，见表 3。2采动煤体损伤失稳动态响应规律2.1煤体损伤失稳特征4 种力学路径载荷下煤体发生损伤直至失稳破坏过程细宏观形态如图 4图 7 所示。由图 4 可知，在最小主应力渐进卸载过程，采掘面煤体在卸载方向发生明显扩容现象。随卸载速率增加，煤体初始损伤位置由端部转变为中部。同时煤体破断面扩展范围逐步增大，破坏类型由单斜面剪切破坏转变为共轭剪切面破坏。图 5 表明在最小主应力和中间主应力均渐进卸载过程，采掘面煤体在卸载方向发生明显扩容现象，初始损伤在煤体端部及中部均会发生。随中间主应力卸载速率增加，煤体破断面扩展范围逐步增大，破坏类型呈现由单斜面剪切破坏转变为共轭剪切面破坏趋势。从图 6 可看出，在最小主应力突然卸载过程，采掘面煤体在卸载方向发生明显扩容现象，初始损伤在煤体端部及中部均会发生。随最小主应力残余应力值降低，煤体破断面扩展范围逐步增大，宏观破断面由与最小主应力方向成一定夹角逐步发展成其法向方向，与中间主应力方向平行，表明煤体呈现张拉破坏过程。图 7 表明在最小主应力保持一定残余应力过程，采掘面煤体在最小主应力方向发生明显扩容现象，初始损伤发生在煤体端部及中部。最大主应力与中间主应力加载速率相同，类似于文献 17 双围压加载状态，宏观破断面与中间主应力方向平行，煤体呈现张拉破坏。同时可得出围压一旦满足煤体破坏力学强度，围压应力载荷大小对煤体破坏形式无影响。最大主应力与中间主应力加载速率不同，煤体呈现共轭剪切破表 1 型煤试样力学参数Table 1 Mechanical parameters of briquette sample样品视密度/(kgm3)抗拉强度/MPa抗压强度/MPa弹性模量/MPa泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/()型煤13900.745.02140.40.411.6739表 3 应力加卸载模式Table 3 Stress loading or unloading types加卸载路径加卸载速率Z轴(最大主应力1)Y轴(中间主应力2)X轴(最小主应力3)路径 以8mm/s进行加载 以3MPa压力伺服以1mm/s进行卸载以4mm/s进行卸载以8mm/s进行卸载路径 以8mm/s进行加载以1mm/s进行卸载以8mm/s进行卸载以8mm/s进行卸载以8mm/s进行卸载路径 以8mm/s进行加载 以8mm/s进行加载突然卸载至1MPa突然卸载至0.01MPa路径以1mm/s进行加载 以1mm/s进行加载以1MPa压力伺服以8mm/s进行加载 以4mm/s进行加载以1MPa压力伺服以8mm/s进行加载 以8mm/s进行加载以1MPa压力伺服表 2 数值模拟细观参数Table 2 Physical parameters of numerical simulation模型单元细观参数数值颗粒颗粒数N/个11617直径d/mm12密度/(kgm3)1390孔隙率/%10接触弹性模量E/Pa2.09108刚度比K*2.5法向抗拉强度c/Pa9.35106黏聚力c/Pa5.35106摩擦因数c0.4摩擦角/()30胶结间距gc/mm0.154321012轴向应变/102破坏形态轴向应力/MPa34物理试样模拟试样图3模型验证Fig.3Modelvalidation王超杰等：采掘工作面孕突过程地应力诱使煤体初始破坏动态响应机制2023年第10期143坏过程。2.2声发射响应特征煤岩体受力破坏过程伴随声发射事件的产生，即存在瞬态弹性应力波释放现象，这与其内部微小裂纹的出现有直接联系。在 PFC 数值仿真中颗粒间的胶结破坏同样存在应变能的释放，即每个微裂纹的出现表征着一次声发射事件的发生。通过实时监测微裂纹出现的数量即可模拟得到煤岩体破坏过程中的声发射特性。通过煤体在不同应力加卸载模式下声发射 AE 事件计数，分析煤体损伤失稳过程阶段性特征已成为揭示采动煤体动态响应规律的主要手段。图 8 为 4 种应力路径下煤体损伤失稳过程最大主应力与声发射 AE 事件计数时域特征。图中反映了采动煤体在弹性阶段，并无声发射信号激发，随煤体进入塑性破坏阶段，声发射 AE 事件响应逐步增强。应力峰值附近，声发射 AE 事件计数达到最高峰，且AE 事件计数峰值出现时刻稍滞后于应力峰值出现时刻。此现象可归结于煤体发生瞬间破坏后，煤体内部在残余应力下仍会出现持续性损伤的结果。同时可看出在最小主应力渐进卸载过程，随卸载速率增加，声发射 AE 事件计数峰值出现时刻越早，也表明煤体越易发生失稳破坏。同理，在最小主应力和煤体损伤初始位置煤体破坏前夕(Y 轴视角)(a)X 轴以 1 mm/s 卸载(b)X 轴以 4 mm/s 卸载煤体失稳峰后胶结状态块体分布颗粒位移裂隙网络块体切片裂隙切片煤体损伤初始位置煤体破坏前夕(Y 轴视角)煤体失稳峰后胶结状态块体分布颗粒位移裂隙网络块体切片裂隙切片(c)X 轴以 8 mm/s 卸载煤体损伤初始位置煤体破坏前夕(Y 轴视角)煤体失稳峰后胶结状态块体分布颗粒位移裂隙网络块体切片裂隙切片ZXYZXYZXYZXYZXYZXY块体分布(颜色用于区分块体，数值无意义)黏结键状态未键合键合未键合&张拉破坏未键合&剪切破坏23201612840颗粒位移/103 m4.355 83.500 02.500 01.500 05.000 02.230 0块体分布(颜色用于区分块体，数值无意义)黏结键状态未键合键合未键合&张拉破坏未键合&剪切破坏95806550352050颗粒位移/103 m4.638 63.750 02.750 01.750 07.500 01.789 6块体分布(颜色用于区分块体，数值无意义)黏结键状态未键合键合未键合&张拉破坏未键合&剪切破坏1.00.80.60.40.20颗粒位移/103 m3.152 42.500 01.750 01.000 00.250 00.045 3图4应力路径下煤体损伤失稳特征Fig.4Damageandfailurecharacteristicsunderstresspath2023年第10期煤炭科学技术第51卷144胶结状态块体分布颗粒位移裂隙网络块体切片裂隙切片胶结状态块体分布颗粒位移裂隙网络块体切片裂隙切片(a)X 轴以 8 mm/s 卸载、Y 轴以 1 mm/s 卸载煤体损伤初始位置煤体损伤初始位置煤体失稳前夕(Y 轴视角)煤体失稳峰后煤体破坏前夕(Y 轴视角)煤体失稳峰后(b)X 轴、Y 轴以 8 mm/s 卸载ZXYZXYZXYZXY块体分布(颜色用于区分块体，数值无意义)黏结键状态未键合键合未键合&张拉破坏未键合&剪切破坏1.00.80.60.40.20颗粒位移/103 m2.700 52.000 01.250 00.500 00.008 0块体分布(颜色用于区分块体，数值无意义)黏结键状态未键合键合未键合&张拉破坏未键合&剪切破坏1.00.80.60.40.20颗粒位移/103 m2.965 72.250 01.500 00.750 00.033 8图5应力路径下煤体损伤失稳特征Fig.5Damageandfailurecharacteristicsunderstresspath胶结状态块体分布颗粒位移裂隙网络块体切片裂隙切片胶结状态块体分布颗粒位移裂隙网络块体切片裂隙切片ZXYZXYZXYZXY煤体损伤初始位置煤体失稳前夕(Y 轴视角)(a)Z 轴、Y 轴 8 mm/s 加载；X 轴卸载到 1 MPa(b)Z 轴、Y 轴 8 mm/s 加载；X 轴卸载到 0.01 MPa煤体失稳峰后煤体损伤初始位置煤体失稳前夕(Y 轴视角)煤体失稳峰后块体分布(颜色用于区分块体，数值无意义)黏结键状态未键合键合未键合&张拉破坏未键合&剪切破坏457400325250175100250颗粒位移/103 m5.783 24.500 03.000 01.500 00.065 8块体分布(颜色用于区分块体，数值无意义)黏结键状态未键合键合未键合&张拉破坏未键合&剪切破坏1.00.80.60.40.20颗粒位移/103 m2.678 82.000 01.250 00.500 00.048 6图6应力路径下煤体损伤失稳特征Fig.6Damageandfailurecharacteristicsunderstresspath王超杰等：采掘工作面孕突过程地应力诱使煤体初始破坏动态响应机制2023年第10期145中间主应力均渐进卸载过程，声发射 AE 事件计数随中间主应力卸载速率的增加，峰值出现时刻越靠前。在最小主应力突然卸载过程，随最小主应力残余应力值降低，声发射 AE 事件计数峰值出现时刻越早。而最小主应力保持一定残余应力过程，随中间主应力加载速率增加，声发射 AE 事件计数峰值出现时刻越提前。针对 4 种应力路径下声发射 AE 事件计数峰值出现时刻，满足如下关系：应力路径（0.150.2s）应力路径（0.280.3s）应力路径（0.30.5s）应力路径（0.21.5s）。不同应力加卸载模式下煤体最大主应力与声发射 AE 事件累积计数之间的规律，如图 9 所示。由图可得随煤体破坏强度提高，声发射 AE 事件累积计数整体呈增大趋势。如应力路径和，随最小主应力和中间主应力卸载速率增加，煤体破坏强度降低，声发射 AE 事件累积计数减小。应力路径下，随最小主应力残余应力值减小，煤体破坏强度降低，声发射 AE 事件累积计数减小。而针对应力路径时，随中间主应力加载速率增加，煤体破坏强度增大，声发射 AE 事件累积计数略微下降。胶结状态块体分布颗粒位移裂隙网络块体切片裂隙切片胶结状态块体分布颗粒位移裂隙网络块体切片裂隙切片胶结状态块体分布颗粒位移裂隙网络块体切片裂隙切片煤体损伤初始位置煤体失稳前夕(Y 轴视角)(a)Z 轴、Y 轴以 1 mm/s 加载、X 轴以 1 MPa 伺服(b)Z 轴以 8 mm/s 加载、Y 轴以 4 mm/s 加载、X 轴以 1 MPa 伺服(c)Z 轴、Y 轴以 8 mm/s 加载，X 轴以 1 MPa 伺服煤体失稳峰后煤体损伤初始位置煤体失稳前夕(Y 轴视角)煤体失稳峰后煤体损伤初始位置煤体失稳前夕(Y 轴视角)煤体失稳峰后ZXYZXYZXYZXYZXYZXY块体分布(颜色用于区分块体，数值无意义)黏结键状态未键合键合未键合&张拉破坏未键合&剪切破坏447375300225150750颗粒位移/103 m5.680 44.500 03.000 01.500 00.268 4块体分布(颜色用于区分块体，数值无意义)黏结键状态未键合键合未键合&张拉破坏未键合&剪切破坏1.00.80.60.40.20颗粒位移/103 m2.677 82.000 01.250 00.500 00.63 4块体分布(颜色用于区分块体，数值无意义)黏结键状态未键合键合未键合&张拉破坏未键合&剪切破坏381325250175100250颗粒位移/103 m6.425 85.000 03.500 02.000 00.500 08.658 2图7应力路径下煤体损伤失稳特征Fig.7Damageandfailurecharacteristicsunderstresspath2023年第10期煤炭科学技术第51卷146这极有可能由破坏类型的差异引起煤体内部损伤点发育量差别所致，图 12图 13 裂隙分布形态特点对此有所体现。整体而言，表明不同应力加卸载模式下煤体抗压强度越大，煤体在失稳破坏前所积蓄应变能越大，进而引发煤体失稳破坏时转变成声发射能量越高，煤体内部产生损伤破裂点越密集，图 4图 7 中煤体失稳前夕（Y 轴视角）破裂点分布图对此亦有所表征。3采动煤体裂纹动态演变行为3.1裂纹动态演变时域特征采动煤岩体产生局部损伤演变为失稳破坏过程，伴随着煤岩体颗粒的位错、断裂进而发育微裂纹，以及裂纹的扩展、贯通并撕裂煤岩体形成宏观破断面。0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.600102030402004006008001 000声发射事件数/个时间/sX 轴以 1 mm/s 卸载X 轴以 4 mm/s 卸载(a)应力路径(b)应力路径(c)应力路径(d)应力路径X 轴以 8 mm/s 卸载声发射事件数24681011/MPa0.100.200.300.400.50010203040100200300400500声发射事件数/个时间/s声发射事件数123456711/MPa0.06 0.12 0.18 0.24 0.30 0.3605101520255001 0001 5002 000声发射事件数/个时间/s声发射事件数123456711/MPaX 轴以 8 mm/s 卸载、Y 轴以 1 mm/s 卸载X 轴突然卸载至 1 MPaX 轴突然卸载至 0.01 MPaX 轴、Y 轴以 8 mm/s 卸载0.070.140.210.280.35020404008001 2001 6002 000声发射事件数/个时间/s1/MPa声发射事件数11234560.070.140.210.280.35010202004006008001 0001 2001 400声发射事件数/个时间/s声发射事件数11/MPa1234560.050.100.150.200.25020404008001 2001 6002 000声发射事件数/个时间/s2/MPa声发射事件数224680.050.100.150.20020404008001 2001 6002 000声发射事件数/个时间/s2/MPa声发射事件数21234567Z、Y 轴以 1 mm/s 加载Z 轴以 8 mm/s 加载、Y 轴以4 mm/s 加载Z、Y 轴以 8 mm/s 加载0.30 0.60 0.90 1.20 1.50 1.800104008001 2001 6002 000声发射事件数/个时间/s2/MPa声发射事件数224680.070.140.210.280.35020402004006008001 0001 200声发射事件数/个时间/s2/MPa声发射事件数224680.050.100.150.200.25020404008001 2001 6002 000声发射事件数/个时间/s2/MPa声发射事件数22468图8不同应力路径下煤体应力与声发射 AE 事件数时域特征Fig.8TimedomaincharacteristicsofstressandAEeventnumberofcoalsunderdifferentstresspaths王超杰等：采掘工作面孕突过程地应力诱使煤体初始破坏动态响应机制2023年第10期147因此，裂纹动态演变过程不仅可量化分析煤岩体损伤程度，同时可供剖析失稳破坏过程力学作用机制。图 10 为不同应力加卸载模式下，煤体损伤过程张拉裂纹和剪切裂纹量化特征与演化规律。由图可知，煤体破坏过程最初发生剪切损伤，而后伴随张拉裂纹出现产生张拉损伤。且裂纹整体扩展趋势呈现间歇性、渐进性和阵发性复合特征。裂纹整体发育过程分为 4 个阶段：1 个突增阶段、2 个慢增阶段、1 个骤增阶段。这相应体现了采动下煤岩体发生局部损伤、大面积破坏、整体性失稳过程。也表征煤体初期新裂纹的出现（间歇性突增阶段）、裂纹的扩展（渐进性慢增阶段）以及贯通并扩展（阵发性慢增阶段）、整体撕裂煤体过程（骤增阶段）。为简洁解读，上述特征标注仅在图 10a 中的 X 轴以 1mm/s 卸载应力模式下展示。应力路径下，随最小主应力卸载速率增加，煤体抗压强度降低，煤体内部率先出现损伤，呈现裂纹出现时刻越早。同理，针对应力路径，随中间主应力卸载速率增加，呈现裂纹出现时刻越早。应力路径，随最小主应力残余应力值降低，裂纹出现时刻越早。针对应力路径，随中间主应力加载速率增加，即使煤体抗压强度无变化，呈现裂纹出现时刻相应越早。裂纹出现时刻和声发射 AE 事件峰值出现时刻有相似规律，即满足如下关系：应力路径（0.0750.12s）应力路径（0.140.15s）应力路径（0.150.21s）应力路径（0.120.9s）。不同应力路径下煤体剪切和张拉裂纹发育平均速率如图 11 所示。图中表明裂纹发育速率分为缓慢增加阶段、快速增加阶段、快速衰减阶段。整体而言，缓慢增加阶段所耗时间最长，快速衰减阶段次之，快速增加阶段最短。这相应表明采动煤岩体损伤具有时效性，但其失稳破坏过程属快速行为。由突出灾变的阶段性特征可知，裂纹发育速率缓慢增加和快速增加阶段对应着突出的准备阶段，而快速衰减阶段则预示着若瓦斯作用条件满足可发动突出。同时，阶段的时效差异性也体现了灾害在准备阶段可预先监测。如上文分析，同理得出表征煤体抗压强度越低的应力加卸载模式，其引发煤体裂纹发育速率相应率先达到峰值。表明煤体即将产生宏观破断面，诱发失稳破坏。然而，在应力路径下，随应力加载速率增加，裂纹发育速率与煤体强度无明显关系，与中间主应力加载速率呈显著正相关。3.2裂纹动态演化规律图 12 为采动煤体不同损伤阶段裂纹玫瑰云图，云图法向坐标为（0,0,1）。由图 12a 可知，应力路径024682468101/MPa1/102(a)应力路径(c)应力路径(d)应力路径(b)应力路径X 轴 1 mm/s 卸载X 轴 4 mm/s 卸载X 轴 8 mm/s 卸载04 0008 00012 00016 000声发射事件累积计数/个012345612345671/MPa1/102声发射事件累积计数/个X 轴 8 mm/s 卸载、Y 轴 1 mm/s 卸载X、Y 轴 8 mm/s 卸载 01 0002 0003 0004 0005 0001230123456782/MPa2/102X 轴突然卸载至 1 MPaX 轴突然卸载至 0.01 MPa02 0004 0006 0008 000声发射事件累积计数/个0123452468101/MPa2/102Y、Z 轴 1 mm/s 加载Z 轴 8 mm/s 加载、Y 轴 4 mm/s 加载Y、Z 轴 8 mm/s 加载02 0004 0006 0008 000声发射事件累积计数/个图9不同应力路径下煤体应力与声发射累积事件数演化特点Fig.9EvolutioncharacteristicsofstressandcumulativeAEeventnumberofcoalsunderdifferentstresspaths2023年第10期煤炭科学技术第51卷148下，随最小主应力卸载速率增加，煤体裂纹扩展方向较为集中。裂纹扩展过程呈现由沿中间主应力方向逐步向最小主应力方向扩展。图 12b 表明随中间主应力卸载速率增加，煤体裂纹扩展方向较为分散，沿中间主应力方向与最小主应力方向同步扩展。从图 12c 可看出，针对应力路径，煤体裂纹主要由沿中间主应力方向逐步向最小主应力方向扩展。最小主应力残余应力值的变化对裂纹扩展方向影响不