基于加卸载响应比的冲击地压矿井急倾斜巨厚煤层推进速度研究

崔 峰，贾 冲，来兴平，陈建强，张随林，何仕凤

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；3.自然资源部 煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021；4.国家能源集团 新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830002)

煤炭资源开采使得工作面前方煤岩经历了从原岩应力、轴向应力升高而围压递减(卸载)到破坏卸荷的采动力学过程，受加载、卸载的扰动影响，煤岩力学行为与灾变过程极其复杂。随着煤炭资源开采深度的增加，矿井冲击地压等动力灾害日益加剧，威胁着煤矿安全、高效开采，因而亟待展开推进速度采动影响下的加卸载效应分析。

现阶段，部分学者将我国综放开采单次采出最大厚度达20 m的煤层称为巨厚煤层。急倾斜煤厚为20 m以上的矿井充分利用其煤层易垮落、顶板稳固性较好的特点，使得水平分段放顶煤采煤法得到广泛应用。伴随着急倾斜煤层开采深度与强度不断增大，工作面采动影响产生加卸载作用的破坏趋势与冲击效应日趋严重。

近年来，随着冲击地压扰动响应失稳理论、冲击地压启动理论等的提出，煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术等的应用，使冲击地压机理及其防治工作逐步向前推进。然而冲击地压影响因素众多，以往推进速度作为众多开采技术客观影响因素之一，对冲击地压的影响易被弱化，近些年来冲击地压研究工作趋于精细，推进速度引起采动加卸载的冲击效应逐渐受到重视。截至2021年1月，全国138处冲击地压矿井中47处需核减产能1 316万t/a，显示出降低工作面推进速度已成为控制采动效应的一种重要手段。

工作面过快推进虽在一定时间提高了生产效益，但其防治成本明显增加，复杂地段易诱发冲击地压等动力灾害问题，使矿井面临减产甚至停止作业。在工作面推进速度的综合分析方面，王家臣等发现工作面推进速度越快基本顶断裂伴生的初始动能越大，对支架造成的动载冲击明显。冯龙飞等由微震监测得到坚硬顶板大采高工作面临界回采速度为4 m/d。刘金海等由工作面1.6，4.0，6.4 m/d推进速度得到推进越快其微震响应越明显。赵同彬等以东滩煤矿分析得到回采速度4.0 m/d左右的微震活动有利于顶板弹性能缓慢释放。马海峰等通过1.2，2.0，3.0 MPa/min的轴压加载速率代表2，4，6 m/d推进速度展开力学行为研究，得到不同推进速度条件下煤体破坏时的峰值应力随轴压加载速率的增加基本呈线性增加趋势。崔峰等由微震监测确定了宽沟煤矿B4-1煤层最佳推进速度为4 m/d，得到了上行开采覆岩结构稳定的煤柱剩余尺寸。谭云亮等通过动能计算公式推演，得到开采进尺越大其产生的动能越高。

采动影响下的循环加卸载试验，有助于深化对煤层变形及其损伤特征的研究，其中王振等分析了不同应力分布对煤层动力灾害的控制作用。杨继华等以输入的地震加速度作为加、卸载，以洞室围岩的加速度作为响应，确定了洞室群的加、卸载响应区段。夏冬等探讨了岩石力学特性、声发射特征、加卸载响应比的变化情况。张浪平等建立且分析了损伤变量与加卸载响应比之间的联系。

诸多学者的研究成果为工作面不同推进速度采动影响下的煤样力学行为研究奠定了基础，但对采动应力路径下的煤样力学特性研究较少，且鲜有应用加卸载响应比来进行冲击地压矿井工作面推进速度的研究，鉴于此，笔者以国能乌东煤矿为背景，采用数值模拟与煤样力学试验方法，进行急倾斜巨厚煤层推进速度影响的采动应力路径分析，并由此路径为煤样加卸载循环试验方案设计提供依据，引入加卸载响应比对采动影响下的冲击煤样类型进行表征，旨在为工作面的安全高效开采提供科学指导。

1 急倾斜巨厚煤岩体赋存特征

乌东煤矿主采的南区急倾斜巨厚煤层，力学结构和煤岩体赋存特征如图1所示，矿井现主采B1+2，B3+6煤层的平均倾角均为87°平均厚度分别为28.00，40.51 m，矿井采用水平分段综放开采的工作面沿倾向布置、沿走向推进，其煤层厚度即为工作面的宽度。两层煤中间的岩柱自西向东逐渐变窄，厚度在50～110 m。乌东煤矿自2013年7月以来发生过多起冲击地压事故，而被确定为冲击地压矿井。矿井目前开采+425 m水平的B3+6煤层具有弱冲击倾向性，其结构简单，属稳定煤层。

图1 急倾斜巨厚煤层力学结构和煤岩体赋存特征

2 推进速度对采动应力路径影响的数值模拟

本次采用具有应力渐变特征的有限元FLAC3D数值计算模拟软件，通过调整单次开采下三维网格中多面体单元长度来拟合实际单次推进距离，进行工作面不同推进速度下的三维结构受力特性模拟与采动应力特征分析。根据乌东煤矿的南区地质资料与钻孔窥视的岩层柱状图，绘制出水平方向的乌东煤矿岩层结构示意如图2所示，除煤层外矿井岩性主要为灰质泥岩、细粒砂岩、粉砂岩、泥岩及炭质泥岩。

图2 乌东煤矿煤岩层柱状结构示意

业内学者大多采用了4 m/d作为安全或中等推进速度，因而本文暂采用4.0 m/d以下、4.0～6.0 m/d、6.0 m/d以上，将急倾斜巨厚煤层推进速度划分为低速、中速、高速3个区域范围。结合乌东煤矿南区0.8 m的单次截深，选取3.2，4.8，6.4 m/d作为低速、中速、高速推进速度，并据此展开急倾斜煤层不同推进速度下的采动应力路径研究。

2.1 不同推进速度模拟方案与模型构建

根据地层结构与工程背景，利用FLAC3D有限元数值模拟软件，构建出的三维数值分析模型如图3所示，模型外形尺寸(长×宽×高)为300 m×400 m× 500 m。网格划分采用3.2，4.8，6.4 m/d推进速度下的最大公因子1.6 m，对推进速度方向即将方向的块体进行划分，以此保证了同一模型便可进行方案设计下的3种推进速度的采动应力分析。

图3 数值计算模型构建

由于本次的数值计算模型模拟至地表，因而模型上表面未施加边界应力，初始条件设置的重力为0，重力加速度为9.8 m/s，水平方向施加有初始梯度应力，除模型上表面未进行边界限定外，其余5个边界表面均设置允许的变形量为0.2 m，以此限制模型的侧向和底部位移。

急倾斜煤岩体部分岩层的物理力学参数见表1，表1中的急倾斜煤岩体部分岩层与建模岩层一一对应，根据现场地质调查与岩石力学试验结果综合确定了煤岩力学参数，在FLAC数值模拟赋参时根据开采实践结果进行了适当折减。王金安等在研究综放工作面推进速度对围岩应力影响时，通过给定单次开采计算步时，并由单次开挖块体长度的不同，达到不同推进速度的模拟效果。本次数值模拟实验研究将其思路加以应用，由多次开采至平衡的平均步时作为给定的单次开采计算步时，并由单次开挖的块体长度分别为3.2，4.8，6.4 m，尽可能的达到3.2，4.8，6.4 m/d的不同推进速度模拟效果。由不同推进速度过程中工作面前方、模型中部150 m处块体垂直应力的平均值作为综放工作面推进过程中的采动应力。

表1 急倾斜煤岩体部分岩层物理力学参数

2.2 不同推进速度下的采动应力路径

在模型边界留设32 m进行开切眼，在工作面推进方向的147.2 m处布置应力测线，采用3.2，4.8，6.4 m/d的推进速度至+425 m水平开采结束。以3.2 m/d推进速度为例，结合开切眼前方115.2 m测线处第6个测点的采动应力变化，其+425 m水平覆岩应力分布及其采动应力路径如图4所示。随着工作面的持续推进其采动应力呈循环加卸载式的逐级递增趋势，且随着循环次数的增加，其加卸载幅度逐步增加，接近测点的最后一次推进时其应力卸载幅度较大，明显降低，但其应力大小依旧明显高于煤层开采前的初始应力。

图4 +425 m水平覆岩应力分布及其采动应力路径

由于工作面初始推进57.6 m(3种不同推进速度的公倍数)过程中，测线处的应力变化差异性较小，因而对工作面再次推进57.6 m过程中较为明显的应力变化加以监测，其工作面推进57.6 m的煤层与顶底板应力变化特征如图5所示，以此对3种推进速度方案下的采动应力路径进行分析。

图5 工作面推进57.6 m的煤层与顶底板应力变化特征

根据数值模拟计算不用推进速度下的采动力学行为，得到工作面开采过程中的采动应力分布特征，由于初始推进过程中的采动应力相对平稳，因而结合推进速度、开采时间、垂直应力变化以及峰值位置，绘制出57.6 m范围内的不同推进速度下采动应力演化特征如图6所示，其低速、中速、高速分别以3.2，4.8，6.4 m/d推进18,12,9 d。

图6 不同推进速度下采动应力演化特征

由图6(a)可知，3.2 m/d采动应力共经历14个明显的加卸载循环，应力明显区域范围为44.8 m，其中7处加载幅度略大与加卸幅度较大区域范围为22.4 m。由图6(b)可知，4.8 m/d采动应力共经历10个明显的加卸载循环，采动应力明显区域范围为48.0 m，其中5处为加载幅度略大区域与加卸幅度较大区域，区域范围为24.0 m。由图6(c)可知，6.4 m/d采动应力共经历8个明显的加卸载循环，采动应力明显区域范围为51.2 m，其中5处为加载幅度略大区域与加卸幅度较大区域，区域范围为32.0 m。

由图6可知，3.2，4.8，6.4 m/d推进下的采动应力分别经历14，10，8个明显加卸载循环，明显应力区域范围分别为44.8，48.0，51.2 m。低速、中速、高速加卸载路径下的峰值应力分别为11.66，14.26，15.20 MPa，其中中速、高速推进下的应力峰值较低速分别增加22.3%，30.4%。且随着推进速度增加其采动应力路径的循环加卸载幅度增加，次数减小，主要影响区域范围增加，作用时间减小。

3 采动应力路径下煤样力学行为分析

3.1 采动应力路径下煤样加卸试验方案

按照我国国标GB/T 25217.2—2010《冲击地压测定、监测与防治方法》中“试验机以0.5～1.0 MPa/s的速率加载直至煤样破坏”的规定，先采用0.50 MPa/s的加载速率进行常规加载试验，因循环加卸载阶段的应力变化幅度较小，0.5 MPa/s加载速率过快，因而再采用0.05 MPa/s加载速率进行煤样常规加载及其采动影响的循环加卸载试验。

煤样力学试验方案汇总见表2，不同推进速度应力路径的加卸载参数见表3，其中，，分别为某一循环加卸载过程中加载应力的最大值与卸载应力的最小值。

表2 煤样力学试验方案汇总

表3 不同推进速度应力路径的加卸载参数

根据数值模拟计算的采动应力变化进行煤样的试验方案设计，因应力路径中初始若干次的加卸载幅度较小，为确保足够的加卸载时长，因而剔除加卸载幅度小于0.05 MPa的循环加卸载路径，并将循环加卸载前的阶段视为0.05 MPa/s等速加载。

加卸载路径如图7所示，不同推进速度下预加载阶段应力路径相同，3种推进速度均以0.05 MPa/s加载速率持续加载至+425 m水平采前煤层处原岩应力6.72 MPa，而后等应力保载，以原岩应力状态持续30 s，再进行循环加卸载阶段，至循环结束后加载至破坏阶段，采用0.05 MPa/s的加载速率直至煤样破坏。

图7 煤样力学试验循环加卸载应力路径

3.2 采动应力路径下的煤样力学特性

通过B3+6煤层+425 m水平现场取样后将其加工成50 mm×100 mm的标准圆柱体煤样，其煤样的制备严格控制其取样精度，2个端面的最大不平整度不超过0.1 mm，端面垂直于试样轴线，煤岩高度误差不超过0.3 mm。煤样制备后将其密封，以隔绝空气，防止风化，为满足试验所需充足的煤样每种试验方案共制备4个煤样，以供筛选。

压力试验机系统及其试验流程如图8所示，经由RSM-SY5(T)非金属声波检测设备的煤样波速测量后，剔除波速差异明显的煤样，选取剩余煤样进行既定方案下的力学试验研究。运用WANCE万能试验机的微机控制电液伺服压力试验机系统、MISTRAS声发射测试装置的联合监测，由煤样应力-应变曲线、抗压强度、声发射能量与计数等关系变化，分析常规加载与不同推进速度采动应力路径下的煤样力学特性与破坏特征。

图8 压力试验机系统及其试验流程

图9为煤样声发射传感器布设方式，通过环境噪音测试，将声发射系统门槛值设为40 dB，模拟滤波器下限为1 kHz，模拟滤波器上限为1 MHz，采样频率设为1 MHz。试验采用共4个通道，每个通道对应独立的声发射探头和前置放大器，信号放大倍数为40倍，采集系统严格按照上述要求设置参数后连接实验设备。煤样受力过程中，使声发射监测与加载系统保持同步。

图9 煤样声发射传感器布设方式

根据试验结果，绘制出不同方案下的煤样应力-应变曲线，如图10所示。加载速率增加，煤样强度增大，0.05 MPa/s加载速率下，不同路径循环加卸载的应力-应变曲线存在明显的滞回环效应，且随着应力路径所处推进速度的增加，滞回环效应越明显，同时高速推进应力路径下的煤样应力峰值普遍大于低速。

循环加卸载煤样力学特征参数见表4。由图10、表4可知，低速推进速度下的煤样强度低，发生破坏所释放的能量低，造成的破坏效应较弱；高速加载路径下，煤样破坏前的应变程度高，煤样内部结构调整，促使煤样的压密程度更高，其煤样抗压强度较高于低速应力路径。

图10 煤样应力-应变曲线

表4 循环加卸载煤样力学特征参数

不同循环加卸载应力路径下，煤样峰值强度与不同推进速度应力路径的关系如图11所示。3.2，4.8，6.4 m/d应力路径下煤样的平均抗压强度分别为16.12，16.44，17.15 MPa，中速、高速路径下的强度比低速分别增加约1.98%，6.39%。煤样强度随着应力路径所处推进速度的增加呈明显的非线性递增趋势，且其增幅逐渐增加，其非线性表达式为=15.857 44+0.053 34e0.498 09。

图11 煤样峰值强度与不同推进速度应力路径的关系

3.3 采动应力路径下的煤样声发射特征

通过采动应力路径下煤样的声发射计数与能量变化，绘制了不同加载速率下煤样声发射事件及其能量分布特征如图12所示，其中图12(a)，(b)分别为0.50，0.05 MPa/s常规加载的煤样声发射事件及其能量分布特征。0.50 MPa/s加载速率下，煤样在25 s附近的能量计数明显增加，并伴有大量能量产生，至煤样破坏后，声发射累计能量3 867 mV·μs，计数1 767个，单位时间的声发射能量约为103.1 mV·μs/s。0.05 MPa/s常规加载速率下，煤样0～250 s内的声发射累计计数呈指数型增长趋势，250 s后的声发射累计计数呈线性递增，至煤样破坏，煤样所受累计声发射计数为3 126个，累计能量6 640 mV·μs，单位时间声发射能量约为19.6 mV·μs/s。常规加载的不同加载速率下，煤样的加载速率越低，其声发射累计计数越多，加载速率越高其每秒产生的声发射能量越大。

图12 不同加载速率下煤样声发射事件及其能量分布特征

循环加卸载的煤样声发射能量分布云图如图13所示，低速推进应力路径下，煤样裂隙产生所伴随的声发射能量主要为38～72 mm高度内的煤样左前方，多处高能量区域集中分布在煤样中下部；中速推进应力路径下，煤样裂隙产生所伴随的声发射能量主要为32～58 mm高度内的煤样中部，高能量区域分布相对较为集中分布在煤样中部；高速推进应力路径下，煤样裂隙产生所伴随的声发射能量主要为28～60 mm高度内，高能量区域较为集中分布在煤样中部。

图13 循环加卸载的煤样声发射能量分布云图

不同推进速度应力路径下，煤样声发射能量大小呈现出高速应力路径明显大于中速、大于低速的特征，且不同应力路径下的声发射高能量区域分布相对较为集中分布在煤样的中部及下部区域内。

不同采动应力路径下的煤样声发射能量分布及其破坏特征如图14所示。由图14左部的煤样应力-事件-能量关系可知，煤样低速、中速、高速推进的不同路径循环加卸载阶段，能量与计数递增趋势均以最后两次循环阶段最为明显，其循环加卸载结束后声发射累计计数分别为1 998，2 428，2 535个，累计能量分别为3 686，5 309，7 423 mV·μs。至煤样破坏，煤样所受累计声发射计数分别为3 268，3 480，3 733个，累计能量分别为7 668，8 536，12 411 mV·μs。

图14 不同采动应力路径下的煤样声发射能量分布及其破坏特征

不同应力路径下的煤样力学试验过程中，预加载阶段的声发射累计计数与能量均呈现为明显的线性增长趋势，循环加卸载阶段的声发射累计计数与能量均呈现为明显的阶梯型递增趋势，低速与中速路径下煤样加载至破坏阶段的声发射累计计数与能量均呈现为明显的指数型递增趋势，而高速路径下呈现为明显的线性递增趋势。高速应力路径下循环加卸载造成的损伤较大，其声发射计数与能量增幅在加载至破坏的末段出现计数与能量的大幅增加。

主裂隙发育使得声发射能量事件分布较广，其中低速应力路径下的煤样呈现为明显的剪切破坏形式，煤样变形破坏的起裂、终止位置以及破坏剪切面均与声发射定位保持高度一致；中速应力路径下的破坏煤样主要为5个较大破碎块体；高速应力路径下的破坏煤样为2处明显的较大破碎块体与较多小的破碎块体，其破碎程度较中速应力路径更高。低速、中速、高速不同应力路径下，煤样的破坏程度呈现逐步增加的趋势。

4 煤样冲击类型及其加卸载响应规律

通过类比煤矿冲击矿压的评价方法，将不同速度应力路径下的煤样冲击类型进行划分，并引入加卸载响应比理论，形成采动应力路径下的煤样循环加卸载响应比评价指标，对急倾斜巨厚煤层不同推进速度开采扰动诱发煤层的破坏规律加以表征，为乌东煤矿B3+6煤层+425 m水平工作面推进达到安全高效开采提供依据，从而指导矿井生产实际。

4.1 类比冲击矿压的煤样冲击类型评价分析

关于室内煤样冲击地压类型的定义，沈威等通过类比煤矿冲击矿压，对实体煤掘进加卸载路径下的冲击煤样与非冲击煤样加以定义，将煤样满足以下条件定义为冲击煤样：① 煤样破裂声响巨大并存在震动；② 声发射监测到破裂事件能量大于10mV·μs；③ 应力应变曲线产生突然应力降，释放弹性能。

煤样0.05 MPa/s的循环加卸载速率下，3.2 m/d推进速度采动应力路径下的煤样破裂声音较小，无明显震动，破裂事件能量为7 668 mV·μs，应力-应变曲线未产生突然的应力降低；4.8 m/d推进速度的采动应力路径下，煤样破裂发出“砰”的声音，震动较弱，破裂事件能量为8 536 mV·μs，应力应变曲线未产生突然的应力降低；6.4 m/d推进速度的采动应力路径下，煤样破裂发出“嘣”的声音，震动较强，破裂事件能量为12 411 mV·μs，应力应变曲线产生突然的应力降低。对室内煤样冲击地压类型的判定指标加以应用得出：6.4 m/d高速推进路径下的煤样破坏可视为冲击煤样，3.2 m/d低速、4.8 m/d中速推进路径下的煤样可视为非冲击煤样。

4.2 采动应力路径下的煤样加卸载响应规律

在地震力学、断裂力学等学科基础上，尹祥础等首先提出新的地震预测方法——加卸载响应比理论，探讨了加卸载响应比的岩石破坏前兆特性。

为了定量刻画加载响应与卸载响应的差别，将响应率定义为

(1)

式中，Δ和Δ分别为载荷和响应对应的增量。

令及分别代表加载与卸载时的响应率，把应力当作荷载，把应变当作响应，通过加载与卸载阶段响应率的比值，将弹性模量加卸载响应比定义为

(2)

式中，为响应率；下标“”，“”分别为加、卸载阶段；为弹性模量。

结合加卸载过程中的损伤变化率以及声发射数和式(2)可得声发射数加卸载响应比为

(3)

式中，Δ为损伤变量变化率；为声发射数。

通过煤样加卸载力学试验结果，借助加卸载响应比的理论，分析煤样不同应力路径加卸载扰动影响下的力学响应特征，对矿井实际工作面推进速度影响的开采扰动加以表征。跟据以往经验和文献[34]研究结果，采用加载阶段的弹性模量取应力-应变曲线直线段的斜率，卸载阶段的应力-应变曲线峰值与谷值斜率分别作为加载、卸载阶段的弹性模量。将加载与卸载阶段的弹性模量分别记为，，同时结合煤样加载与卸载阶段的声发射数量分别记为，，其煤样循环加卸载下的弹性模量比与声发射数量比见表5，表5中比号左右的数值分别为加载与卸载阶段的弹性模量与声发射数量。

表5 煤样循环加卸载的弹性模量比与声发射数量比

由于低速下的加载阶段弹性模量明显大于中速与高速的加载阶段；而在不同推进速度下的卸载阶段，高速路径明显大于低速与中速。这使得高速推进速度应力路径下的弹性模量比(/)明显大于中速和低速。低速、中速、高速不同推进速度的循环加卸载应力路径下，由于循环加卸载过程中的应力变化量随着循环次数的增加普遍增大，在相同加载速率下使得煤样加载与卸载时间随循环次数增加而不断增多，从而造成了加载与卸载阶段的声发射数量均随循环次数的增加而增多。

根据式(2)，(3)响应比的定义绘制出0.05 MPa/s加卸载速率下，煤样循环加卸载的弹性模量及声发射数量的加卸载响应比如图15所示。由图15(a)可知，在低速路径下煤样的弹性模量加卸载响应比基本在1.22～1.68内波动；中速路径第1～6次循环下的基本在1.29～1.55内呈缓增趋势，第7，8次循环下的增幅明显增加，第8次循环所得达到最大值1.87；在高速路径下加卸载响应比呈现明显的单增趋势，第8次循环得到最大值达到2.04。循环加卸载过程中，低速路径下的呈现出相对稳态的趋势，中速路径下的呈现出先稳态、后增加的趋势，高速路径下的值呈持续增加趋势。

图15 弹性模量及声发射数量的加卸载响应比

由于加卸载路径下的卸载应力大小变化量普遍小于加载应力变化量，使得加载峰值处的弹性模量相对稳定，基本等于峰值前方一定阶段的弹性模量；卸载谷值处的弹性模量未能稳定，普遍小于谷值前方一定阶段的弹性模量，若继续卸载其弹性模量亦会持续减小，从而使不同推进路径初始阶段的处于1.50附近波动，在中速路径煤样循环第7，8次时，煤样临近破坏时的内部损伤加剧，开始增加，保持稳定，使得突然增大，而高速推进在第5次循环便出现突增，且循环加卸载过程中的普遍大于中速，即高速推进应力路径下的煤样损伤程度高于中速。

由图15(b)可知低速应力路径下，第6次循环加卸载的声发射数量响应比突增至5.27；中速路径第5次循环加卸载的达到最大4.55，循环加卸载过程中的稳定在2.00～4.55内；高速路径第3，7次循环下的分别突增至3.85，3.74，响应比整体随循环次数的增加呈明显的波动式递增趋势。

加卸载路径下的加载阶段，煤样持续受载使得煤样内部持续压缩，损伤较为明显，因而加载阶段的声发射数量普遍大于卸载阶段；而卸载阶段通过应力的释放使得煤样内部存在试件存在弹塑性变形而产生摩擦，随着循环加卸载的进行，其卸载阶段的弹性变形逐渐向塑性变形转换，卸载阶段因变形产生摩擦效应形成的声发射数量随着卸载次数增加而产生的增量较小。

4.3 基于加卸载响应比的冲击煤样评价指标

通过类比煤矿冲击矿压的评价方法将不同推进速度应力路径下的循环加卸载煤样冲击类型进行划分后，引入加卸载响应比理论得出响应比的大小，形成采动应力路径下的煤样循环加卸载响应比评价指标，对急倾斜巨厚煤层不同推进速度开采扰动诱发煤层的破坏规律加以表征。其采动应力路径下煤样加卸载响应表征分析方法如图16所示。

图16 采动应力路径下煤样加卸载响应表征分析方法

低速、中速、高速3种应力路径采用相同加载速率时，煤样循环加卸载时间的加卸载响应比与煤样循环加卸载大小的加卸载响应比相同。借助于加卸载响应比的由来，引入加卸载大小比，对开采扰动的加卸载比加以表征。

加卸载响应比采用式(4)计算。

(4)

式中，，分别为循环加卸载阶段的加载应力和卸载应力。

单位应力变化量下声发射数量的加卸载(声发射数量/加卸载)响应比为

(5)

由表3不同推进速度应力路径的加卸载参数变化，计算出单次加载与卸载阶段的应力差值，其不同应力路径下加载应力变化量与加载应力变化量均普遍随着循环加卸载次数的增加而增大，其中卸载应力变化量于中速、高速的末次循环阶段的变化量较为明显，分别为5.05与5.17 MPa，略大于该阶段的加载应力大小。

采动应力路径循环加卸载过程中的加载应力普遍大于卸载应力，加卸载应力变化量差异较大，为此采用声发射数量/加卸载大小的响应比，即单位应力变化量下的声发射数量之比对煤样循环加卸载加以表征。根据式(4)，(5)，绘制了煤样加卸载应力大小及单位应力下声发射数量的加卸载响应比如图17所示。由图17(a)可知，低速、中速、高速应力路径下，煤样循环加卸载大小的加卸载响应比变化幅度较大，普遍大于1。在低速路径的第2，6，8次循环加卸载时分别达到3.80，4.58，2.49，产生明显突增峰值；在中速路径的第5次循环加卸载时达到3.83；在高速路径的第3，7次循环加卸载时明显突增到3.64，2.48。由图17(b)可知，在低速、中速、高速不同路径下，单位应力下声发射数量的加卸载响应比均大于1，表明声发射事件主要产生于加载阶段，且随着循环次数的增加整体呈现明显的递增趋势，其中最后3次循环加卸载过程中的递增趋势最为明显。在低速路径下的前9次循环加卸载过程中，基本在1.07～1.52内波动，第10次循环加卸载达到最大值1.70；在中速、高速路径第1～6次循环下的基本在1.04～1.34内呈震荡式波动，第7，8次循环下的增幅明显增加，中速、高速路径的末次循环所得达到最大，分别为1.93，2.63。

图17 加卸载应力大小及单位应力下声发射数量的加卸载响应比

根据煤样循环加卸载的弹性模量、单位应力下声发射数量响应比即，综合分析得出：煤样所受外部载荷较低时，损伤程度较小，其稳定性较高，加卸载响应比较小，微小的扰动造成了原煤内部损伤微扩展及变形微增量。随载荷的持续增加，原煤材料内部损伤和破坏不断增加，此时煤样宏观表现出刚度下降，且内部结构稳定性逐渐下降。

根据循环加卸载的冲击煤样评价结果，得出不同推进速度应力路径下的煤样冲击类型，即6.4 m/d高速推进应力路径下的煤样破坏可视为冲击煤样，而3.2，4.8 m/d低速与中速推进应力路径下的煤样破坏视为非冲击煤样；结合加卸载响应比，掌握了不同推进速度应力路径下的煤样加卸载响应比的大小，即6.4 m/d高速推进应力路径下的弹性模量比及声发射数量/加卸载大小的响应比均大于2，分别为2.04，2.63，低速与中速则小于2。结合各类煤样冲击类型的评价结果及其加卸载响应比，提出了适用于采动应力路径下的煤样循环加卸载响应比评价指标，具体内容见表6。

表6 采动应力路径下煤样循环加卸载响应比评价指标

由不同应力路径下的煤样抗压强度、能量变化情况、破坏特征、煤样冲击类型等的汇总分析可知，高速应力路径下的煤样强度较高，产生破坏的冲击效应较强，释放能量较大，6.4 m/d高速推进虽然可以满足矿井生产的高效作业，但其存在一定的冲击危险性；3.2 m/d低速推进虽然可以达到矿井的安全生产，但其生产效率较低，因而3种不同速度中，满足乌东煤矿B3+6煤层+425 m水平的安全高效开采的合理推进速度为4.8 m/d。

5 工程实践

微震监测可以实现采动过程中煤岩破裂事件时间、空间及能量的监测，是冲击地压矿井必备的监测手段。通过对B3+6煤层+425 m水平工作面开采过程中微震事件数据的统计分析，可以分析不同开采速度下微震事件的数量及能量，支撑工作面合理推进速度的确定及验证。

根据B3+6煤层+425 m水平工作面950～1 520 m开采过程中的微震监测，形成了B3+6煤层+425 m水平工作面开采过程中的微震空间分布特征，具体如图18所示。

图18 +425 m水平工作面开采过程中的微震空间分布特征

图18反映出+425 m水平工作面的微震事件主要分布在夹持岩柱、B3+6煤层及其顶底板的区域范围内，其中+425B巷道周围的震源分布较为多，且10J以上的大能量事件有4处，其中3处分布在+425B巷道，1处分布在B巷道。

工作面不同推进速度形成了覆岩不同的破坏特征，引发的微震能量也存在明显不同，为有效分析不同推进速度下的微震能量分布特征，绘制了工作面约57.6 m(与数值模拟中3种不同推进速度的公倍数保持一致)开采过程中，不同推进速度各能量区间的累计能量-事件关系，如图19所示。

图19 不同推进速度各能量区间的累计能量-事件关系

由图19可知，随着微震能量区间的增加，能量计数呈明显的线性递减趋势，其较低的能量区间微震事件数量越多，但累计的微震能量较少。3.2 m/d推进速度下微震事件呈明显的“高频-低能”特征，4.8 m/d推进速度下微震事件呈相对明显的“低频-高能”特征，0～10，10～10，10～10J各区间范围内3.2 m/d推进下的微震事件明显较多，但3.2 m/d推进速度下，10～10J范围的较大能量事件为59个，明显小于4.8 m/d时的87个，且3.2 m/d推进速度下未产生10～10J内的大能量事件。

至57.6 m开采结束后，3.2，4.8 m/d推进速度下累计微震能量分别为357 337，395 423 J，4.8 m/d较3.2 m/d推进下的累计微震能量高约10.66%，其单日推进4.8 m时平均每日微震能量为32 952 J，较3.2 m推进的19 852 J增加约65.99%。4.8 m/d推进时的单日能量较3.2 m/d存在明显增加，但现场+425 m工作面开采采用顶底板深浅孔爆破，于煤层顶底板岩层中形成立体缓冲带，并在B3巷沿煤体倾向施工注水，弱化了中间夹持岩柱，合理的现场施工作业，满足了+425 m水平工作面4.8 m/d的安全开采。

为全面分析不同推进速度应力路径下煤样的抗压强度、声发射能量、破坏特征、现场微震能量与事件及其加卸载响应比的变化规律，图20展示了不同推进速度采动影响的加卸载效应综合分析。

图20 不同推进速度采动影响的加卸载效应综合分析

由图20可知，低速、中速、高速不同推进速度应力路径下的煤样抗压强度、累计声发射能量与2种方法所得加卸载响应比呈明显的正相关关系。且随着推进速度增加，其应力路径下的煤样破碎程度逐步加大。当载荷水平不断提高，使得煤层抵抗失稳破坏的能力不断下降，所以失稳破坏的可能性及其破坏程度随着载荷水平的增加而逐渐增大，同时导致煤样的临界敏感性不断增加，增大。其中，不同推进速度应力路径下的末次循环加卸载结束后，6.4 m/d推进应力路径下的明显大于低速和中速，循环加卸载在6.4 m/d应力路径下的损伤程度大于3.2，4.8 m/d下的损伤程度。

现场实测开采速度相对保持在4.8 m/d连续开采12 d的微震事件中，10～10J内的较大能量事件占比达到8.43%，明显大于3.2 m/d连续开采18 d的能量占比。同时4.8 m/d开采的微震累计能量较高，连续开采57.6 m的用时较短，使得平均单日开采微震事件以及单个微震事件的能量较大，现场实测的平均单日开采微震事件以及单个微震事件的能量大小与2种方法所得加卸载响应比呈明显的正相关关系。

通过类比煤矿冲击矿压的评价指标，得到6.4 m/d 应力路径下的煤样可视为冲击煤样，结合不同推进速度应力路径下的加卸载响应比的大小，形成了采动应力路径下弹性模量响应比与单位应力变化的声发射数量响应比均大于2的加卸载响应比评价指标，得到了3种推进速度中4.8 m/d能较好的满足乌东煤矿B3+6煤层+425 m水平的安全高效开采。现场微震监测得到+425 m水平工作面开采在采用深浅孔爆破与注水弱化顶底板与中间夹持岩柱的施工作业后，4.8 m/d的推进速度实现了+425 m水平工作面的安全高效开采。

6 结 论

(1)数值模拟实验揭示了急倾斜巨厚煤层不同推进速度下的采动应力路径变化特征，得到了工作面3.2，4.8，6.4 m/d理想推进情况下工作面前方煤体分别经历14，10，8个明显的加卸载循环次数，推进速度增加使得采动应力峰值增大，同时随工作面推进速度增加其采动应力路径下循环加卸载幅度增大，循环次数减小，主要影响区域范围增加，而作用时间减小。

(2)基于工作面推进速度采动影响下煤体受到的加卸载循环次数，提出以急倾斜巨厚煤层不同推进速度下的采动应力路径为煤岩试件的加卸载应力路径，完成了采动应力路径作用下的煤样力学行为分析。得出了采动应力路径下煤样的平均抗压强度随工作面推进速度增加呈明显的非线性递增趋势，且其递增幅度逐渐增加，煤样破坏程度、声发射能量亦随不同应力路径所处推进速度的增加而增大，其中循环加卸载结束后6.4 m/d应力路径下的累计声发射能量较低速、中速应力路径分别高约61.9%，45.4%。

(3)通过类比冲击矿压评价指标与加卸载响应比的特征分析，掌握了煤样冲击类型及其加卸载响应的规律，提出了基于采动加卸载响应比的冲击地压矿井工作面推进速度合理确定方法，根据弹性模量与单位应力下声发射数量响应比的变化特征，构建了不同推进速度采动应力路径下加卸载响应比的煤样破坏临界值，确定了冲击地压矿井急倾斜巨厚煤层工作面的合理推进速度，现场工程实践监测反映出4.8 m/d的推进速度能较好实现+425 m水平的安全高效开采。