受载突出煤体的力学状态演变及破坏倾向性

周 斌，许 江，彭守建，赵鹏翔，秦 雷，白 杨，程 亮

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044)

在我国煤炭开采领域进入响应“双碳”目标的新形势下，推动煤炭开采向资源富集地集中势必会持续增加我国煤炭开采深度。由此引来的高地应力和瓦斯压力将使得煤与瓦斯突出(简称“突出”)事故愈发值得关注。尽管在长达180余年的研究过程中，通过卸压抽采、水力化措施和开采保护层等一系列防突治突措施，使得突出事故已经得到一定程度上的控制，但由于突出过程受瓦斯压力、地质构造、地应力、采动应力、煤体力学性质等多种因素的影响，这使得突出过程的认识并不明确，从而造成突出防治手段往往面临着高投入低收益的情况。突出过程本质上是煤体在与具有吸附特性的瓦斯耦合作用下发生的应力集中和强度破坏、突然失稳并在瓦斯作用下快速抛出的过程。认识突出的力学作用过程及其煤体破坏机制仍将是厘清突出机理从而实现突出有效防治的根本途径。

突出过程中的受载煤体在突然卸压后，内部拉应力特征是控制突出煤体破坏从而诱发突出的直接因素。蒋承林认为突出过程是由一个逐渐增强的煤体破坏过程和一个逐渐衰减的后继煤体破坏过程构成的，起初瓦斯膨胀能较大，导致抛出的煤片较大，而突出后期煤体释放的瓦斯膨胀能较小，抛出的破碎煤体减少。潘岳等在球壳失稳假说的基础上，指出突出过程中煤体自发形成球盖壳式的结构抵抗被突出，基于此认识进一步建立了突出煤壳失稳解体模型。而马中飞等直接将突出煤体视为承压散体，并提出了突出的承压散体失控机理。郭德勇等提出了突出的黏滑失稳机理，认为突出过程可视为摩擦滑动过程，这一滑动过程伴随着煤体黏滑失稳现象。潘一山、窦林名和CHEN等认为，当工作面前方的高应力区域的煤体所承载的复合荷载超过其峰值强度后，就会破坏并形成耗能的塑性变形区或产生断裂破坏，该区域的煤体裂隙、孔隙空间被高压瓦斯充满，当采动诱发的动载叠加到临近工作面区域时，极易于发生突出。徐涛等、罗新荣等、段东等、黄维新等基于含瓦斯煤的固-气耦合模型，利用RFPA，PFC等模拟软件给出了突出过程的细观机制，讨论了突出过程中煤体内的拉剪裂纹的演化及煤体的破坏模式。LIU等建立了多种应力条件下的煤基质应力模型，在此基础上，得到了突出煤破碎力学模型。LI等采用三维应力加载系统、声发射测试仪和数值模拟手段对突出煤体的破坏过程进行了研究，其研究结果表明三维应力作用下煤样的变形破坏呈椭圆形，声发射事件多发生于弱结构面。

突出物理模拟试验作为认识突出现象本质的有力研究手段，其在深入分析突出力学作用机理及其煤体破坏过程中发挥了重要作用。基于突出物理模拟试验结果，张春华等、高魁等指出在石门巷道推进过程中，封闭型地质构造破坏区围岩应力和瓦斯压力所形成的异常升高的应力梯度和瓦斯压力梯度为突出的发生提供了有利条件。张庆贺等、王汉鹏等认为当总应力相同时，型煤强度越低、瓦斯压力越高，煤体越容易发生破坏，其强度对突出起阻碍作用。郭品坤、TU等认为突出瞬间暴露煤体由原来的三向应力状态快速转变为双向应力状态，在卸载拉应力和高瓦斯压力梯度的双重拉伸作用下突出发动。唐巨鹏等指出突出过程中声发射能量信号经历了平稳、升高和峰值过程，基于此提出突出过程是一个煤体破坏和能量积累的力学过程。许江和周斌等对突出过程中的煤体内瓦斯压力、温度和地应力的演化过程进行了系列讨论，并基于膨胀波传播理论对突出过程中存在的阵发特征开展了详细分析。

综上，尽管国内外学者已就突出的力学作用机制及突出煤体破坏特征开展了广泛讨论，但由于试验手段限制，鲜见有突出过程中受载煤体的力学状态演变过程及煤体破坏模式方面的报道，为此，笔者基于大型突出物理模拟试验结果所得突出煤体热-流-固体系参数的演变过程，分析了突出过程中的煤体破坏模式、煤体内应力及有效应力演变和煤体的应力状态及破坏倾向性，所得结果进一步加深了对突出现象本质的认识，从而为采取针对性的防突减灾措施提供了理论借鉴。

1 煤与瓦斯突出试验方法及结果

1.1 煤与瓦斯突出试验系统及方法

突出试验系统如图1所示，该试验系统在还原突出动力现象时能够同时捕获突出过程中的瓦斯压力、温度和应力数据，从而便于分析任意时刻突出煤体所处的力学状态。该试验系统的构件、工作原理及主要技术参数已在文献[31]中做了详细描述。在此仅对突出试验系统的压力、温度和应力3个状态参量的获取方式进行简要叙述。

突出试验系统直接获得的应力状态参数来自装置压头内的应力传感器(图1(a))，以该方式获得的实则为煤体的外荷载，类似于煤层所受围岩应力，故在本文中被称为应力荷载。为了能够获得突出过程中的瓦斯压力和温度状态参数，在试件箱侧壁安装了共计36个气体压力和16个温度传感器(图1(b))，并将测点延伸至煤体内部。

图1 突出试验系统实物Fig.1 Photograph of coal and gas outburst test system

如图2所示，突出试验系统可施加3个方向共计9个应力荷载，其中方向仅施加1个荷载力，平行于突出口方向且位于煤试件末端(其中，，，和分别为煤体在方向不同区域的应力值；，，和分别为煤体在方向不同区域的应力值；为煤体在方向的应力值)。，方向的荷载作用点及瓦斯压力/温度测点P1～P9/T1～T4，P10～P18/T5～T8，P19～P27/T9～T12和P28～P36/T13～T16分别位于=122，384，646和908 mm四个平面内，各测点编号方式如图2所示。试验所用突出型煤的50 mm × 100 mm标准圆柱型试件的平均单轴抗压强度、弹性模量和泊松比分别为0.89 MPa，63.28 MPa和0.30。

图2 测点布置及编号方式Fig.2 Arrangement and numbering of measuring points

考虑到突出事故多发生在石门揭煤工作面，且较回采工作面的突出强度更高。对石门揭煤突出而言，低透气性的围岩对高瓦斯含量的煤体产生了很好的“圈闭”作用，岩石平巷向煤层掘进过程中，煤体内的应力会经历由原始受力状态到应力集中状态再到卸压状态的过渡。石门揭煤瞬间，煤体突然卸载，瓦斯和应力双重因素产生的卸载波作用使得煤体被瞬间破坏，并在高瓦斯压力梯度下沿着巷道呈现出典型的气-固两相流流动状态。此外，水平和垂直地应力往往存在一定差异，结合该突出试验系统的实际性能，最终选定的作用于煤体的初始应力状态如图3所示，其具体的应力加载在文献[30，33]中已做详细阐述。

图3 突出煤体初始应力状态Fig.3 Initial stress state of outburst coal

1.2 煤与瓦斯突出试验结果及分析

图4～6分别给出了突出过程中的应力、瓦斯压力和温度演变过程。需要说明的是，由于突出过程的显著动力现象，瓦斯压力和煤体温度少量测点的传感器发生了损坏，此处尽可能给出了煤体中心点处的瓦斯压力和温度变化过程。

图4 突出过程的应力演化Fig.4 Stress evolution during coal and gas outburst

图5 突出过程的瓦斯压力演化Fig.5 Gas pressure evolution during coal and gas outburst

图6 突出过程的温度演化Fig.6 Temperature evolution during coal and gas outburst

由图4～6可知，突出过程中的应力跌落、瓦斯压力和温度的下降均主要表现在煤体卸压区和应力集中区。对于应力而言，其跌落过程中局部范围内会产生小幅度的回升，而在突出后期卸压区煤体方向和应力集中区的应力则会产生大幅度的回升。对于瓦斯压力而言，突出瞬间卸压区煤体瓦斯压力迅速下降，且在下降过程中同样存在一定程度的瓦斯压力回升；煤体由卸压区至原岩应力区，瓦斯压力下降时间表现出显著滞后性。此外，在持续4.0 s的突出过程中，卸压区的煤体温度最大下降量为3.0 K，集中区的温度下降量为1.5 K，相较应力和瓦斯的变化，突出过程中的煤体温度下降量不仅更小且其下降过程表现的更为平缓。上述试验结论再次证实了早期的研究结果。

分析上述突出过程中的应力、瓦斯压力及温度的演化过程，可以初步得到突出煤体的破坏模式，即：① 首先，在工作面煤体被揭露瞬间，在极高的瓦斯压力梯度和地应力共同作用下，原本由于采掘扰动而产生大量裂隙的卸压区低强度煤体将进一步发生破坏，产生更多的瓦斯流动通道，同时使得应力开始跌落。随着煤体深度的增加，瓦斯压力梯度降低，但由于应力在集中区的骤增现象，克服了瓦斯压力梯度降低所造成的影响，使得应力集中区的煤体同样能够在瓦斯压力梯度和应力的双重作用下发生破坏，进而造成该区域内瓦斯压力和应力的下降。延伸至应力升高区和原岩应力区，瓦斯压力梯度和应力值均比前2个区域低，故在整个突出过程中，很难达到煤体的破坏强度并伴随产生大量的瓦斯流动通道，故无法使得瓦斯压力和应力发生大幅度的变化；② 随着突出过程中的应力跌落和瓦斯压力降低，煤体所承受的内外荷载均降低，进而无法达到其破坏强度，煤体随即再次表现出一定的承载能力，直观表现为应力的小幅度升高；与此同时，前期产生的部分瓦斯流动通在外荷载的作用下闭合，从而在一定程度上会使得瓦斯压力升高；③ 当应力回升至煤体所能承受的最大荷载时，煤体会被再次被破坏，闭合的瓦斯流动通道再次打开的同时，产生新的裂隙通道，应力和瓦斯压力将再次表现出下降趋势；④ 突出后期，由于煤体中的瓦斯压力梯度过低，加之应力也已产生了大幅度下降，故作用于煤体的内外荷载已无法达到煤体的破坏强度，并产生新的瓦斯流动通道，这将使得煤体所承受的应力荷载会产生大幅度的回升现象。同时，部分原有的裂隙通道将会再次受到压缩，瓦斯的下降速率表现出减缓的趋势。

综上，突出过程中的应力、瓦斯和煤体的破坏处于一种为寻求某种平衡状态的动态转变过程。需要说明的是，突出过程中瓦斯压力的下降和解吸动力现象均会造成煤体温度的降低，而根据以往的研究结果可知煤岩体的变形和破坏则会使其温度有所升高，2者的综合影响会削弱突出煤体的温度变化。此外，由于突出过程持续短暂，常规的铂电阻传感元件很难快速捕捉突出煤体的真实温度变化量，即本文所获得的突出过程中的温度变化量应比实际的突出过程偏低。

2 突出煤体内应力及有效应力演变

2.1 含瓦斯突出煤体力学状态分析

突出过程中的煤体在围岩和瓦斯作用下存在2种受力机制(图7，其中，为瓦斯压力；为热膨胀效应而造成的膨胀或收缩应力；为围岩施加于煤体的应力荷载)，其一是由于围岩压缩作用引起的压缩应力，也就是通常所说的地应力；其二是由于煤体内的瓦斯吸附/解吸效应、瓦斯压缩效应及温变效应引起的煤基质膨胀/收缩应力，可统称为煤体所受的内应力。前者可引起煤基质颗粒发生错动和变形，而后者则仅造成煤基质颗粒的变形。

图7 煤基质受力状态示意Fig.7 Schematic of the force state of the coal matrix

若煤基质具有各向相同的吸附性能、孔隙表面压力，则在不考虑约束和外荷载对煤基质的吸附性能和分子尺度孔隙体积的影响下，吸附膨胀效应仅受到瓦斯压力和温度的影响。将吸附膨胀过程中的温度变化而产生的吸附膨胀形变部分完全归类至突出煤体的温度变化而造成的热胀冷缩效应，即将吸附膨胀过程按照等温过程处理，则对于突出煤体而言，单一的由吸附瓦斯气体膨胀应力而使煤基质所产生的膨胀应变可表示为

(1)

式中，1为煤基质在方向的吸附膨胀线应变；为单位质量煤基质在参考压力下的极限吸附量，取12.40 m/t；为吸附平衡常数，取1.66 MPa；为煤基质的视密度，取1.45 t/m；为摩尔气体常数，8.31 J/

(mol·K)；为吸附环境温度，本文突出试验初始温度为301 K；为煤基质泊松比，取0.3；为煤基质弹性模量，取63.3 MPa；为气体摩尔体积，22.4 L/mol；为瓦斯压力，MPa。

瓦斯压缩煤基质颗粒使煤基质产生压缩变形，据弹性力学可知，瓦斯压力()压缩煤基质所产生的压缩变形与煤基质的体积压缩系数及压力变化量成正比，即满足：

(2)

因此，有

(3)

类似瓦斯的压缩应变，煤基质由于热胀冷缩而产生的热膨胀应变与其热膨胀系数和温度变化量成正比，即有

(4)

(5)

假设突出煤体在破坏前服从广义胡克定律，且考虑到煤体内任意点的瓦斯压力、温度在各方向均相同，则根据式(1)，(3)和(5)可知煤基质在任意方向产生的各项应力分量及总内应力为

(6)

=(1-2)Δ

(7)

(8)

=++

(9)

式中，，分别为煤基质在任意方向由于吸附效应、瓦斯压缩效应造成的膨胀或收缩应力；为突出煤基质在任意方向的总内应力。

综合式(6)～(8)，根据有效应力定义可得到以有效应力表示的突出煤体中煤基质的应力状态为

=+

(10)

式中，为煤体的有效应力。

2.2 突出过程中的煤体内应力演变

将试验所得煤体在突出过程中任意时刻的状态参数代入式(6)～(9)，即得到突出过程中煤体的各项内应力和总内应力的实时演化过程，如图8所示。

由图8(a)，(b)可知，突出未被触发前，瓦斯吸附膨胀应力和压缩应力分别达-0.67 MPa和0.60 MPa，且突出过程中吸附膨胀应力的绝对值持续大于瓦斯压缩应力，即突出过程中瓦斯对煤体持续表现出膨胀效应。换言之，突出过程中瓦斯对煤体施加的作用力可等效为张拉作用。由图8(c)可知，对于热膨胀应力而言，由于突出过程中煤体温度降低，故温度变化可等效为煤体受到压缩作用，即突出过程中的热膨胀应力为正值。考虑到吸附膨胀应力、瓦斯压缩应力和热膨胀应力分别为瓦斯压力和温度的函数，故其在突出过程中的演化趋势与前文所述的瓦斯压力和温度类似，此处不再赘述。

图8(d)给出了突出过程中的总内应力演化过程。突出激发瞬间，卸压区总内应力在0.22 s时即达到峰值-0.13 MPa，且在随后相当长一段时间内维持在较高水平。这说明突出前期，卸压区的煤体基质会长期受到内应力的张拉作用，随着突出的发展，卸压区瓦斯压力降低，其总内应力开始缓慢下降，在该过程中，集中区的总内应力开始缓慢增加，并在2.26 s时达到峰值-0.13 MPa，随后开始缓慢下降。对比卸压区和集中区的总内应力可知，无论是总内应力的升高阶段还是下降阶段，卸压区变化速率均高于集中区，这符合突出过程自煤壁开始并向煤体深部延伸，且越靠近工作面瓦斯流动通道越多这一事实。在长达4 s的突出过程中，应力升高区和原岩应力区的总内应力表现出上升趋势，但其变化量较前2个区域小>得多。值得注意的是，原岩应力区的总内应力反而高于应力升高区，这是由于原岩应力区的地应力较低，煤体闭合孔裂隙较应力升高区更少，易于瓦斯流动。此外，原岩应力区煤体与试验系统试件箱接触面更多，瓦斯在一定程度上会沿着试件箱的壁面逸散，这也是物理模拟实验难以避免的现象。

图8 突出过程中煤体不同区域各项内应力时程演化Fig.8 Time-history evolution of various internal stresses in different zones of coal body during outburst

考虑到煤体各方向的荷载并非一致，因此会造成突出过程中的煤基质各项膨胀应力的分布产生空间差异。为此，根据试验过程中所获得的批量瓦斯压力和温度数据，利用四点样条插值法分别给出了突出过程中卸压区及集中区在和方向的吸附膨胀应力和总内应力时空演化云图，如图9，10所示。

图9 吸附膨胀应力时空演化Fig.9 Spatio-temporal evolution of adsorption stress

图10 总内应力时空演化Fig.10 Spatio-temporal evolution of total internal stress

由图9可知，突出过程中煤体中心区域的吸附膨胀应力最先跌落，随着突出的发展膨胀应力下降区影响范围逐渐扩展并延伸至煤体两侧。对于卸压区，在突出前期(2.0 s内)，随着方向距离的增加，吸附膨胀应力具有减小的趋势；而随着方向距离的增加，吸附膨胀应力具有增加的趋势。这表明突出过程中煤体的破坏将自突出口开始，并首先向应力加载的反方向延伸(即图2所示的煤体左上角)，从而造成了该处煤体的裂隙通道增加，吸附膨胀应力快速降低。在持续4.0 s的突出过程中，卸压区吸附膨胀应力可基本降至0。由集中区方向和方向上的吸附膨胀应力云图(图9(c)，(d))可知，当突出持续约1.25 s时，集中区的吸附膨胀应力才开始缓慢跌落。同样地，集中区煤体的吸附膨胀应力先自煤体中心下降，随着突出的发展，吸附膨胀应力下降区逐渐扩展至煤体两侧。相较而言，集中区的吸附膨胀应力下降速率比卸压区小得多，这一方面说明突出过程中集中区的瓦斯压力梯度比卸压区小，另一方面说明尽管集中区的煤体初始应力较卸压区更高，但在突出过程中却不会破坏煤体至生成比卸压区更发育的瓦斯裂隙通道。

由图10可知，突出启动后煤体卸压区方向和方向的总内应力同样均自煤体中心开始升高，并在短时间内即可达到较高值约-0.16 MPa。随着突出的发展，煤体两侧的总内应力逐渐升高，在约2.5 s时，2个方向上的总内应力将再次恢复至初始水平。自约2.5 s后，总内应力将持续表现出降低过程；但在方向上，3.0 s后在100～150 m局部范围内总内应力再次升高至约-0.09 MPa。这表明突出过程中由于瓦斯压力和温度的变化，卸压区的煤体将首先经历持续增强的张拉作用，随后张拉作用逐渐减弱并消失，在此过程中，煤体局部区域将出现阶段增强的张拉效果。对于应力集中区而言，当卸压区总内应力处于峰值状态时(约1.5 s)，随即开始增加。在持续4.0 s的突出过程中，集中区煤体各位置总内应力基本表现为持续的升高过程；换言之，突出过程中在逐渐降低的瓦斯压力和温度变化影响下，该区域的煤体持续的表现为受到张拉作用。

给出模型参数，地质体中心埋深相同z1=z2=20m，m1=400，m2=1000与中心埋深不同z1=20m，z2=40m，m1=400，m2=1000，得到的成像结果图8。

2.3 突出过程中的煤体有效应力演变

根据式(10)可知，突出过程中煤体各方向的有效应力与外荷载应力仅表现为数值上的差异，且这个差异即为前文所述的煤体总内应力。由于总内应力相较外荷载应力小得多，会使得突出过程中的有效应力与外荷载应力的演化过程基本保持相同的演化趋势，故在此不对煤体各区域方向和方向的有效应力演化过程做进一步分析，而直接给出了突出不同时刻煤体内的有效应力分布云图，如图11，12所示。

由图11，12可知，突出启动前位于煤体263～525 mm内的应力集中区有效应力最大，且自工作面一侧起，有效应力逐渐经历了先增加后降低的分布特征，这符合工作面前方煤体的实际应力赋存状态。在方向上，突出启动后的1.5 s内，煤体内的有效应力变化主要表现为集中区的降低；在2.00 s时，有效应力集中区已转移至450～800 mm内，且有效应力持续降低。在2.60 s时，煤体内有效应力将会有所恢复，其集中区将再次向突出口方向转移；在随后的3.00 s，有效应力将再次降低，集中区再次向煤体深部转移，而在突出终止时的4.00 s，有效应力集中区再次转移至初始的263～525 mm区域，且有效应力值再次显著升高。对于方向而言，突出过程中的有效应力集中区同样存在类似的现象，即随着突出的持续发展，有效应力集中区会反复地自靠近突出口一侧向煤体深部转移，并在突出终止时逐渐恢复至原始位置，且有效应力值表现为间歇式的减小和增大过程。

图11 x方向有效应力时空演化Fig.11 Spatio-temporal evolution of effective stress in x direction

图12 y方向有效应力时空演化Fig.12 Spatio-temporal evolution of effective stress in y direction

由上述分析可知，突出过程中煤体内“能量释放核心”位置处于动态变化的过程，而非长期处于应力集中区。这类似于一个自煤体深部向工作面方向的间歇累积蓄能过程，短时间的突出动力现象发生后，“能量释放核心”的能量降低，煤体深处将再次积聚能量并转移至煤体前方以供下一次突出动力现象的维持。

3 突出煤体应力状态及失稳倾向分析

上述关于突出过程中的煤体内应力及有效应力的讨论前提是煤样破坏前满足广义胡克定律，而广义胡克定律服从的前提条件即认为切应力不产生线应变，故上述有效正应力即为煤体所承受的有效主应力。需要强调的是，包括本文所述的型煤在内的煤体往往并非理想弹性体，故本文在分析突出过程中的煤体破坏模式时，仅仅就其破坏倾向性进行了讨论，这区别于通常所述的破坏状态。换句话说，煤体的弹性变形越大，则其愈发容易进入塑性阶段，从而达到其峰值强度。

若不考虑图2中方向的煤体受力状态，则根据方向和方向的有效应力演化过程可以得到煤体不同区域的平面应力圆演化过程。描述煤体平面应力圆的2个关键参数即为应力圆的大小(半径)和圆心位置，而煤体的失稳破坏倾向性则可以结合C-M准则确定。基于此，本节将重点阐述突出煤体的应力状态和失稳倾向性。

3.1 突出过程中煤体应力状态演变

根据煤体初始应力状态可知，本文中为煤体的最大有效主应力，而为煤体的最小有效主应力。主应力差越大，则表明煤体单元任意斜截面上的剪应力越大，换句话说，煤体的剪切破坏倾向性将越大。图13给出了突出过程中煤体不同区域的有效主应力差演化过程。

图13 突出煤体各区域有效主应力差演化Fig.13 Evolution of difference between principal stresses in each zone of outburst coal

由图13可知，对于卸压区而言，在突出过程的前1.62 s，有效主应力差表现为先增大后减小，而后再次增大减小的变化过程；自1.62 s后，最大有效主应力由方向改变为方向，且有效主应力差基本表现为持续增大的过程。在煤体的其他区域，在持续4.0 s的突出过程中，方向一直为最大有效主应力方向，所不同的是集中区的有效主应力差总体表现为先减小后增大的过程。相较而言，集中区和原岩区的有效主应力差变化幅度较小。这说明突出过程中的煤体破坏将主要表现在卸压区和应力集中区。此外，无论在突出煤体的哪个区域，突出过程中短时间内均存在主应力差的升降波动，这说明突出过程中的煤体剪切破坏倾向性处于持续的动态变化过程。

此外，随着突出的持续发展，应力圆的圆心位置同样处于持续的变化过程，故无法仅根据有效主应力差或者应力圆心位置判断突出过程中煤体所处的应力状态。在前文分析了突出煤体有效主应力差的基础上，此处进一步对应力圆的圆心位置进行讨论，图14给出了突出过程中煤体各区域有效应力圆的圆心位置演化过程。

图14 突出煤体各区域应力圆心位置演化Fig.14 Evolution of the center position of the stress circle in each area of the outburst coal

由图14可知，对于卸压区，突出初始时刻应力圆心的位置位于点(0.73，0)，在=0.70 s时，应力圆心将移动至更靠近圆心的点(0.44，0)；随后，在=0.96 s时，应力圆心将再次远离至点(0.58，0)；随着突出的持续发展，应力圆心位置将周期性的向-图的原点处靠近后再远离，但每个周期内移动的距离将逐渐缩短。对比应力集中区可以发现同样的现象。对于应力升高区，在持续4.0 s的突出过程中，应力圆心的位置基本未发生明显的变化，而原岩区的应力圆心位置则仅由初始的点(1.53，0)向原点移动至点(1.48，0)。

综上分析可知，突出过程中煤体处于压缩和张拉状态的动态演变过程，而具体处于某种受力状态则可进一步根据某一时刻的应力圆心位置及前文所述有效主应力差的状态予以完全确定，本文暂未对此开展进一步讨论。

3.2 突出过程中煤体失稳倾向性演变

结合突出过程中的有效主应力差及应力圆心位置可得知突出煤体所处应力状态，但难以直接反应突出过程的煤体破坏倾向性，而根据C-M准则可知，当应力圆上的一点应力状态至包络线的距离越远，则表明突出煤体的稳定性越高；相反，应力圆上某点应力至包络线距离越近，则煤体愈发容易破坏，如图15所示(其中，，分别为应力圆上任意一点，,分别为线段,延长线与强度包络线的交点)。在此给出突出煤体破坏倾向性的定义，即突出煤体的破坏倾向性是指某时刻煤体某点应力圆上任意位置到强度包络线的距离。

根据图15所示的几何关系可知突出煤体的破坏倾向性可表示为

图15 C-M准则及突出煤体破坏倾向性示意Fig.15 C-M criterion and indication of failure tendency of outburst coal

(11)

式中，||即为本文所述的突出煤体破坏倾向性；为煤体内摩擦角，本文为28°；为煤体黏聚力。

根据式(11)可将突出煤体的破坏倾向性变化量表示为

Δ=||-||

(12)

式中，||和||分别为突出煤体在和时刻的破坏倾向性。

分析式(12)易知，当Δ>0时，则表明随着突出的发展，煤体的破坏倾向性增强，且Δ越大，则表明相较前一时刻煤体的破坏倾向性越高；相反，当Δ<0时，则表明随着突出的发展，煤体的破坏倾向性越弱，且Δ越小，煤体愈发稳定。

根据式(11)，(12)，图16给出了突出过程中煤体不同区域的破坏倾向性演化过程。由图16可知，突出过程中卸压区和应力集中区煤体的破坏倾向性显著大于应力升高区和原岩应力区。突出激发瞬间，卸压区煤体在0.2 s时，破坏倾向性变化量达到了最高的0.04，表明此刻煤体具有极高的破坏可能；随后煤体趋于稳定，并在0.72 s时，达到了第1个最稳定时刻。而后在1.2 s时，破坏倾向性在此达到了另一个峰值。如此反复，卸压区煤体在1.66 s时达到第3个易破坏时刻。由此可知，突出过程中煤体处于间歇性的趋于破坏和稳定状态，而非持续的破坏状态。值得注意的是，在随后的1.66～3.78 s内，煤体长期处于相对稳定状态，明确这一阶段与其他阶段煤体的力学状态差异可成为揭示突出机理的关键。对于应力集中区而言，同样可以发现在经历一个趋于破坏的力学状态后，煤体将会随即进入一个趋于稳定的状态。比较卸压区和集中区的破坏倾向性变化量峰值可知，卸压区煤体的破坏倾向性随着突出的发展趋于减弱，而集中区煤体的破坏倾向性则呈现先增强后减弱的过程。在应力升高区和原岩应力区，突出过程中煤体的破坏倾向性相对较稳定。因此，突出过程中应重点关注卸压区和应力集中区的煤体所处的力学状态。

图16 突出煤体各区域破坏倾向性演化Fig.16 Evolution of failure tendency in each zone of outburst coal

综上述分析可知，以C-M准则作为突出煤体的破坏准则时，一方面可以就突出煤体破坏倾向性趋于稳定时，根据煤体此刻的力学状态探讨突出的启动机理；另一方面，增加2个方向主应力的同时，确保主应力差保持不变，即让煤体某点的应力圆向-图中的正方向移动，可以减弱煤体的破坏倾向性，从而一定程度上削弱突出发生的可能性。

4 结 论

(1)突出过程中的应力、瓦斯压力和煤体处于寻求某种平衡状态的动态转变过程，具体表现为：突出初期，在高瓦斯压力梯度和应力共同作用下，低强度煤体发生破坏，瓦斯和应力同时跌落；突出中期，随着应力和瓦斯压力降低，煤体将再次表现出一定承载能力，应力和瓦斯压力将因此升高，而当其达到煤体的极限承载能力时，煤体会被再次破坏，应力和瓦斯压力将再次下降；突出后期，作用于煤体的内外荷载无法达到煤体的破坏强度，煤体所承受的应力荷载会产生大幅回升，瓦斯压力下降速率减缓。

(2)突出过程中瓦斯对煤体持续表现出膨胀效应，即瓦斯对煤体施加的作用力可等效为张拉作用，温度变化可等效为煤体受到压缩作用。突出过程中煤体中心区域的吸附膨胀应力和总内应力最先变化，随着突出的发展其变化区逐渐扩展并延伸至煤体两侧；突出过程中有效应力集中区会反复地自靠近突出口一侧向煤体深部转移，并在突出终止时逐渐恢复至原始位置，且有效应力值表现为间歇式的减小和增大过程。

(3)突出煤体处于压缩和张拉状态的动态演变过程，卸压区煤体在突出过程中最大主应力方向发生改变，且突出后期主应力差基本表现为持续增大的过程，而其他区域的煤体在突出过程中最大主应力方向保持一致，所不同的是集中区的主应力差总体表现为先减小后增大的过程；随着突出的持续发展，卸压区和集中区的突出煤体应力圆心位置将周期性的向-图的原点处靠近后再远离，但每个周期移动的距离逐渐缩短。

(4)突出煤体处于间歇性的趋于破坏和稳定状态，卸压区和集中区煤体的破坏倾向性显著大于升高区和原岩区；在卸压区和集中区，突出过程中煤体在经历一个趋于破坏的力学状态后，将会随即进入另一个趋于稳定的状态。卸压区煤体的破坏倾向性随着突出的发展趋于减弱，而集中区煤体的破坏倾向性则呈先增强后减弱的过程。