許海亮，郭 旭，孫金斗，朱萬(wàn)宇

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144)

沖擊地壓是嚴(yán)重的礦山動(dòng)力災(zāi)害之一，煤柱是煤礦生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，也是易發(fā)生沖擊地壓的主要部位。在煤柱沖擊地壓研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一系列的理論，并據(jù)此在沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)警及有效控制等方面進(jìn)行了大量深入研究，并取得了豐富的研究成果。潘一山等[1]針對(duì)煤柱的非穩(wěn)定性問(wèn)題，利用尖角突變模型得到了判斷煤巖柱發(fā)生沖擊地壓的必要條件和充分條件。徐曾和等[2]分析了堅(jiān)硬頂板條件下的煤柱巖爆非穩(wěn)定機(jī)制，提出了可監(jiān)測(cè)的信息指標(biāo)。秦子晗[3]通過(guò)對(duì)崔木煤礦35 m寬煤柱的分析，提出了頂板側(cè)向預(yù)裂降低煤柱內(nèi)集中應(yīng)力的方式，降低煤柱沖擊地壓發(fā)生頻率。宋艷芳等[4]開(kāi)展了獨(dú)立煤柱沖擊地壓蠕變失穩(wěn)研究，揭示了沖擊地壓蠕變失穩(wěn)機(jī)理，建立了蠕變失穩(wěn)判別準(zhǔn)則。楊偉利等[5]采集了平煤十一礦3次煤柱沖擊地壓發(fā)生前后的微震信號(hào)，分析微震信號(hào)的時(shí)序特征，提出了煤柱沖擊地壓發(fā)生前存在明顯的活躍期，圍巖系統(tǒng)與外界交換能量。袁瑞甫等[6]通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬得到遺留煤柱的垂直應(yīng)力分布特征，提出了回采階段，工作面超前支承壓力和煤柱原有應(yīng)力疊加，造成沖擊力大于阻抗力，導(dǎo)致沖擊危險(xiǎn)提高。王存文等[7]通過(guò)建立保護(hù)層中孤島煤柱的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，分析了煤柱及被保護(hù)層煤體的應(yīng)力狀態(tài)，提出了兩種煤柱誘發(fā)沖擊地壓的機(jī)理。潘岳等[8]、張勇等[9]提出了狹窄煤柱巖爆的折迭突變模型，認(rèn)為煤柱巖爆機(jī)制是由于彈性能釋放量超過(guò)峰后軟化煤柱形變所耗的能量所造成的。徐思朋等[10]根據(jù)煤柱沖擊地壓的時(shí)間效應(yīng)，從流變的角度給出了沖擊地壓發(fā)生的判別準(zhǔn)則。劉德乾[11]建立了首采工作面在不同頂板條件的工程地質(zhì)和力學(xué)模型，研究了煤層開(kāi)采過(guò)程中頂板及煤柱應(yīng)力和變形特征。宋義敏等[12]和許海亮等[13]通過(guò)直剪摩擦滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)，研究了沖擊地壓的失穩(wěn)瞬態(tài)過(guò)程，分析了沖擊失穩(wěn)過(guò)程中斷層位移演化時(shí)間和空間特征。

已有沖擊地壓發(fā)生的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)表明，沖擊地壓發(fā)生后，沖出的煤巖體通常不發(fā)生明顯的變形或破壞，而是煤巖體整體性移出，頂?shù)装迮c煤層間存在明顯的擦痕[14-15]。這一現(xiàn)象說(shuō)明，沖擊地壓發(fā)生的過(guò)程往往是巖層之間的摩擦滑動(dòng)過(guò)程，是以煤巖體整體性移出為結(jié)果的一種災(zāi)害。因此，開(kāi)展基于層間摩擦的煤柱沖擊地壓實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)沖擊地壓孕育演化過(guò)程的階段特征及其主控因素，對(duì)研發(fā)具有針對(duì)性的預(yù)測(cè)防治技術(shù)、實(shí)現(xiàn)沖擊地壓的有效控制具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。本文利用數(shù)字散斑相關(guān)方法，設(shè)計(jì)了組合體煤柱模型，對(duì)組合煤柱體單軸壓縮過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)分析，研究軸向荷載下組合體煤柱變形場(chǎng)演化特征及層間位移演化過(guò)程，探索了獨(dú)立煤柱系統(tǒng)的彈性變形能演化規(guī)律。

1 煤柱沖擊地壓實(shí)驗(yàn)

通過(guò)設(shè)計(jì)室內(nèi)模型試塊實(shí)驗(yàn)還原采場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立煤柱的結(jié)構(gòu)形式及材料性質(zhì)差異，利用CCD相機(jī)記錄煤柱受載過(guò)程中的變形信息，分析變形演化過(guò)程，將沖擊地壓分階段還原，進(jìn)行分階段、分位置的詳細(xì)研究。

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括加載系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)兩部分。本次實(shí)驗(yàn)加載系統(tǒng)采用RLJW-2 000液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；圖像采集系統(tǒng)由兩臺(tái)CCD相機(jī)組成，采集參數(shù)設(shè)置為：圖像采集速度為5幀/s，物面分辨率為0.17 mm/pixel，圖像分辨率為1 600 pixel×1 200 pixel，靈敏度約為0.01個(gè)像素大小。圖像采集的坐標(biāo)軸以水平向右為正，為X軸；豎直向下為正，為Y軸；拉壓應(yīng)變規(guī)定為以受壓為正，受拉為負(fù)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用數(shù)字散斑相關(guān)方法對(duì)組合體煤柱進(jìn)行觀測(cè)分析，數(shù)字散斑相關(guān)方法是基于灰度不變?cè)恚ㄟ^(guò)計(jì)算、對(duì)比變形前后的數(shù)字圖像，得出各點(diǎn)的位移，進(jìn)而計(jì)算巖石表面變形場(chǎng)，從而為分析巖石變形演化時(shí)空特征提供數(shù)據(jù)支撐。

選用花崗巖和紅砂巖的組合體模擬實(shí)際組合煤柱體進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。強(qiáng)度相對(duì)較高的花崗巖試塊布置于組合體模型的上下部分，強(qiáng)度相對(duì)較低的紅砂巖試塊位于組合體的中間，通過(guò)不同強(qiáng)度試塊的組合，以達(dá)到模擬實(shí)際組合煤柱體的實(shí)驗(yàn)效果，組合體煤柱模型設(shè)計(jì)如圖1所示，巖塊尺寸及材料強(qiáng)度見(jiàn)表1。

表1 巖塊尺寸及強(qiáng)度表Table 1 Table of rock block size and strength

圖1 煤柱組合體模型及散斑噴涂Fig.1 Coal pillar composite model and speckle spraying

巖塊接觸面使用300#砂紙進(jìn)行打磨，保證誤差在0.02 mm以內(nèi)，不做黏合處理。在試件采集表面進(jìn)行人工散斑場(chǎng)噴涂，組合體煤柱噴涂散斑如圖1所示，整體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.2 Field layout of experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)前，首先對(duì)加載系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行核對(duì)時(shí)，保證兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)間的一致性；然后進(jìn)行試件布置，保證巖塊采集表面完全對(duì)齊；最后進(jìn)行試驗(yàn)機(jī)、圖像采集范圍及分辨率等調(diào)試工作。

實(shí)驗(yàn)中，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)采用位移控制方式進(jìn)行加載，加載速率設(shè)置為0.25 mm/min；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)開(kāi)始加載的同時(shí)啟動(dòng)圖像采集系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)加載至模型試塊出現(xiàn)破壞沖擊，最后停止加載及圖像采集并記錄破壞后的圖像。實(shí)驗(yàn)共得到了6組有效數(shù)據(jù)，共獲得約36 000張測(cè)量圖像。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)完成后，根據(jù)CCD相機(jī)記錄的圖像計(jì)算巖石表面位移場(chǎng)。選取加載前巖石表面散斑場(chǎng)作為數(shù)據(jù)分析的原始圖像，為后續(xù)數(shù)據(jù)提供參考；利用數(shù)字散斑計(jì)算相關(guān)方法，結(jié)合加載曲線分析全過(guò)程中的散斑圖像，獲取變形場(chǎng)演化過(guò)程中的詳細(xì)數(shù)據(jù)。利用MATLAB軟件編寫程序輸出所需數(shù)據(jù)，根據(jù)加載曲線和散斑變形場(chǎng)的典型時(shí)刻設(shè)置標(biāo)識(shí)點(diǎn)，呈現(xiàn)變形場(chǎng)的演化過(guò)程。選取其中三次實(shí)驗(yàn)的加載應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，繪制加載曲線如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)加載曲線Fig.3 Experimental loading curve

以3#實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)試件受載全過(guò)程進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)字散斑圖像全過(guò)程分析及加載曲線的特征形式，在3#實(shí)驗(yàn)曲線上設(shè)置了標(biāo)識(shí)點(diǎn)0～標(biāo)識(shí)點(diǎn)8，以便于描述煤柱壓縮變形演化過(guò)程。

圖4為3次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮嚰罱K破壞形態(tài)與變形場(chǎng)云圖對(duì)比(水平正應(yīng)變?cè)茍D，以拉應(yīng)變?yōu)檎?。如圖4所示，3組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠茐男问胶妥冃螆?chǎng)云圖相似；同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ推茐男问脚c數(shù)字散斑變形場(chǎng)對(duì)比可知，數(shù)字散斑可精確計(jì)算組合體煤柱受載過(guò)程的變形信息，為后續(xù)研究提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

圖4 試件破壞實(shí)物與水平正應(yīng)變場(chǎng)對(duì)照?qǐng)DFig.4 Comparison diagram of specimen failure object and horizontal normal strain field

2 煤柱沖擊地壓演化過(guò)程研究

2.1 煤柱沖擊地壓變形場(chǎng)演化過(guò)程研究

利用數(shù)字散斑技術(shù)計(jì)算全過(guò)程中的巖石表面變形場(chǎng)，對(duì)巖石表面位移場(chǎng)求導(dǎo)得出表面應(yīng)變場(chǎng)，通過(guò)MATLAB軟件編程輸出標(biāo)識(shí)點(diǎn)1～標(biāo)識(shí)點(diǎn)8時(shí)刻及最終破壞的水平正應(yīng)變演化云圖(以拉應(yīng)變?yōu)檎?。以標(biāo)識(shí)點(diǎn)0處圖像為參考圖像，標(biāo)識(shí)點(diǎn)1～標(biāo)識(shí)點(diǎn)8處水平方向正應(yīng)變演化云圖見(jiàn)圖5。在標(biāo)識(shí)點(diǎn)1處圖5中組合體煤柱試件的應(yīng)變?cè)谌址植紵o(wú)明顯差異，說(shuō)明試件加工精度較高，符合實(shí)驗(yàn)要求。

圖5 組合體煤柱水平正應(yīng)變場(chǎng)演化云圖Fig.5 Evolution nephogram of horizontal normal strain field of coal pillar in composite body

標(biāo)識(shí)點(diǎn)2～標(biāo)識(shí)點(diǎn)5位于加載曲線的線性增長(zhǎng)階段，由圖5可知，弱夾層巖塊左側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)變形局部化；隨著壓機(jī)持續(xù)加載，弱夾層變形局部化帶的范圍逐漸擴(kuò)大，應(yīng)變量值逐漸變大。變形局部化帶由中間向兩端交界面附近擴(kuò)展，其擴(kuò)展方向和壓機(jī)加載方向基本平行。

標(biāo)識(shí)點(diǎn)6處為第一個(gè)峰值點(diǎn)后的最低點(diǎn)，結(jié)合加載曲線可知，在較大的豎向荷載下，弱夾層巖塊的變形局部化帶進(jìn)一步擴(kuò)大，巖體內(nèi)裂隙失穩(wěn)擴(kuò)展至邊界位置，且有向下層巖塊發(fā)展的趨勢(shì)，在弱夾層變形局部化帶正下方處的下層巖塊也出現(xiàn)了明顯的變形局部化帶。

標(biāo)識(shí)點(diǎn)7處，弱夾層內(nèi)部裂隙失穩(wěn)擴(kuò)展，形成了結(jié)構(gòu)弱面，結(jié)構(gòu)弱面的失穩(wěn)滑動(dòng)是此過(guò)程中裂隙擴(kuò)展的主要原因。結(jié)構(gòu)弱面兩側(cè)的巖體產(chǎn)生水平方向滑動(dòng)，導(dǎo)致左右兩側(cè)水平方向正應(yīng)變出現(xiàn)了整體性的差異。

標(biāo)識(shí)點(diǎn)8處，下層巖塊產(chǎn)生明顯的裂隙破壞，系統(tǒng)進(jìn)入短暫的平衡態(tài)后壓機(jī)持續(xù)加載，最終導(dǎo)致在標(biāo)識(shí)點(diǎn)8處煤柱系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)破壞。最終形成如圖5所示的破壞形式。

從變形場(chǎng)演化過(guò)程可以看出，含弱夾層巖體的層狀結(jié)構(gòu)及巖性差異導(dǎo)致含弱夾層巖塊的單軸加載曲線存在明顯的多峰性，存在較為明顯的亞失穩(wěn)階段；含弱夾層巖塊的局部化有著明顯的規(guī)律：由于強(qiáng)度原因，變形局部化帶首先出現(xiàn)在弱夾層，隨著荷載的持續(xù)增大，以平行于加載方向向頂?shù)装鍍啥朔较虬l(fā)展，最終貫穿弱夾層。

2.2 煤柱層間摩擦滑動(dòng)演化過(guò)程研究

層狀巖體中材料性質(zhì)的差異，導(dǎo)致在同一力源作用下，交界面處存在相對(duì)摩擦甚至滑動(dòng)。本節(jié)聚焦層間接觸面，計(jì)算弱夾層在接觸面處的剪切變形。

在弱夾層與上層巖塊的交界面處沿水平方向等間距取監(jiān)測(cè)點(diǎn)，研究交界面附近弱夾層剪切變形演化規(guī)律，具體取點(diǎn)如圖6所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)剪切變形計(jì)算方法如下：在接觸面下方附近取A、B、C三點(diǎn)，使用各點(diǎn)四周3 mm內(nèi)所有像素格的平均位移代表點(diǎn)A、B、C三處的實(shí)際位移，根據(jù)其實(shí)際位移情況計(jì)算剪切變形。計(jì)算方法示意圖如圖7所示。

圖7 計(jì)算方法示意圖Fig.7 Schematic diagram of calculation method

以大于90°為負(fù)，小于90°為正，得到4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的剪切變形的變化曲線，如圖8所示。由圖8可知，在加載過(guò)程中，位于弱夾層交界面中部附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、監(jiān)測(cè)點(diǎn)3相比于邊緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、監(jiān)測(cè)點(diǎn)4的剪切變形出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)性。分析認(rèn)為，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、監(jiān)測(cè)點(diǎn)4點(diǎn)處相比監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、監(jiān)測(cè)點(diǎn)3點(diǎn)處弱夾層所受約束較弱，在邊緣約束較弱的區(qū)域，其滑動(dòng)處于“從動(dòng)”狀態(tài)，因此無(wú)明顯規(guī)律性。在弱夾層和上層巖塊交界面的中部巖層間約束強(qiáng)，使得監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、監(jiān)測(cè)點(diǎn)3點(diǎn)處的剪切應(yīng)力出現(xiàn)了有規(guī)律的波動(dòng)。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～監(jiān)測(cè)點(diǎn)4處剪切變形演化Fig.8 Evolution of shear deformation from monitoring point 1 to monitoring point 4

為進(jìn)一步研究交界面處的摩擦滑動(dòng)機(jī)制，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處的剪切變形及層間位移差，繪制在同一坐標(biāo)中，如圖9所示。

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)3處剪切變形和層間位移演化曲線Fig.9 Evolution curve of shear deformation and interlayer displacement at monitoring point 3

由圖9可知，層間位移階段性增加，在層間位移的積累過(guò)程中，剪切變形也有規(guī)律可循。具體表現(xiàn)為，在層間位移增加時(shí)剪切變形減小(180～270 s)，在層間位移減小或保持不變時(shí)，剪切變形增大(330～370 s)。巖塊受壓，巖層間逐漸進(jìn)入咬合狀態(tài)，其最初的剪切變形由初始的咬合狀態(tài)決定，泊松比差異引起巖層間相對(duì)滑動(dòng)，層間位移出現(xiàn)少量增加，剪切變形開(kāi)始積累，阻滯層間位移積累，層間位移增加速度減小并最終歸零，剪切變形達(dá)到極大值；弱夾層應(yīng)變積累，超出原有的凹凸體限制能力后，層間位移繼續(xù)增大，由滑動(dòng)摩擦引起的剪切變形得到釋放，剪切變形減小，呈現(xiàn)出了交界面處弱層巖體剪切變形周期性變化的現(xiàn)象。交界面處的周期性剪切強(qiáng)度超出煤巖體抗剪強(qiáng)度時(shí)，煤巖體強(qiáng)度則轉(zhuǎn)化為殘余強(qiáng)度，間接削弱煤柱體的抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)李利萍等[16]研究，深部煤巖體長(zhǎng)期在高地應(yīng)力作用下，通常呈節(jié)理裂隙的斷續(xù)結(jié)構(gòu)，在頂板斷裂等引起的垂直和水平?jīng)_擊反復(fù)強(qiáng)烈擾動(dòng)作用下，采場(chǎng)及巷道周圍的煤巖體不斷發(fā)生振動(dòng)、變形和破壞，形成塊體結(jié)構(gòu)，特別是煤層與頂板、底板間接觸部分的煤體由斷續(xù)逐漸變?yōu)樗炙珊推扑?，最終形成較薄的一層粉狀軟煤層，減小層間摩擦系數(shù)，增加了沖擊地壓的可能性。

在考慮了尺度效應(yīng)后，實(shí)際工程中煤巖整體程度、煤巖介質(zhì)交界面的接觸強(qiáng)度遠(yuǎn)大于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，交界面處凹凸體的影響范圍也會(huì)擴(kuò)大很多。由內(nèi)因巖石材料泊松比差異和外因頂板來(lái)壓所導(dǎo)致剪切變形的交替變化，會(huì)引起煤層與頂?shù)装逯g的接觸部分出現(xiàn)粉狀軟煤，增加沖擊地壓的可能性。

3 煤柱沖擊地壓能量及動(dòng)力特征演化規(guī)律研究

3.1 煤柱沖擊地壓層間能量傳遞特征規(guī)律研究

目前階段，無(wú)法測(cè)量出巖石能量的準(zhǔn)確值，但上層巖塊在整個(gè)加載過(guò)程中，基本處于線彈性階段，以其彈性變形能代表其吸收和釋放能量具有一定的意義，變形能密度計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：E為上層巖塊的彈性模量，MPa；ε1、ε2分別為試件表面的第一主應(yīng)變和第二主應(yīng)變；U為變形能密度，MPa；ν為巖石試件泊松比。

進(jìn)一步使用上層巖塊與試驗(yàn)機(jī)夾板間的豎向位移差，表征上層巖塊對(duì)弱夾層巖塊的作用，計(jì)算示意圖見(jiàn)圖10。計(jì)算上層巖塊與試驗(yàn)機(jī)夾板間的豎向位移差以及上層巖塊的表面彈性變形能密度結(jié)合煤柱的應(yīng)力應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖11。

圖10 上層巖塊位移差計(jì)算示意圖Fig.10 Schematic diagram for calculating displacement difference of upper rock block

圖11 上層巖塊壓縮曲線及彈性變形能密度曲線Fig.11 Compression curve and elastic deformation energy density curve of upper rock block

由上層巖塊變形能密度曲線可知，在加載初期，其變形能密度曲線增長(zhǎng)較為緩慢(應(yīng)變0.10%～0.40%)。分析認(rèn)為在加載初期，弱夾層處于彈性階段，其變形能力較大吸收了壓機(jī)輸入的大部分能量，隨著應(yīng)力增加，其變形能力逐漸減弱，因此上層巖塊積累能量的速度逐漸增大(0.65%～0.80%)。

在下層巖塊出現(xiàn)破壞至試件整體失穩(wěn)破壞的過(guò)程中，上層巖塊彈性變形能出現(xiàn)了明顯的減小。分析認(rèn)為在系統(tǒng)達(dá)到失穩(wěn)破壞的界限時(shí)，上層巖塊釋放所積累的彈性能，作用于弱夾層巖塊，弱夾層巖塊出現(xiàn)了微弱抵抗，但此時(shí)整個(gè)試塊處于失穩(wěn)的邊緣，顯然抵抗無(wú)法持續(xù)，最終含弱夾層試件失穩(wěn)破壞。在該過(guò)程中，上層巖塊釋放的所積累的彈性變形能，釋放彈性能的過(guò)程也會(huì)加速整個(gè)系統(tǒng)的失穩(wěn)破壞。

由圖11可知，在加載初期(應(yīng)變0.10%～0.40%)，豎向荷載較小時(shí)，壓縮量整體逐漸增大，部分時(shí)間略微減小或基本不變。分析認(rèn)為，巖塊間彈性模量的差異、弱夾層巖塊內(nèi)部微破裂釋放能量，使得上下層巖塊和弱夾層巖塊的壓縮量需隨時(shí)調(diào)整，在曲線上表現(xiàn)為上層巖塊的壓縮值在增大后出現(xiàn)少量減小或保持穩(wěn)定；當(dāng)豎向荷載足夠大時(shí)(應(yīng)變0.65%～0.80%)，上、中、下三塊巖塊的壓縮量雖在隨時(shí)調(diào)整，但此階段壓機(jī)輸入的能量遠(yuǎn)大于各巖塊微破裂釋放的能量，各層巖石開(kāi)始存儲(chǔ)大量的變形能，因此上層彈性模量較大巖塊的壓縮值只會(huì)出現(xiàn)增加或保持不變，不會(huì)再次出現(xiàn)減小的情況。

弱夾層進(jìn)入峰值強(qiáng)度后，上層巖塊的壓縮量增加速度明顯變慢，這是因?yàn)槿鯅A層不能提供較大的支撐力；在第一個(gè)應(yīng)力峰值附近，上層巖塊壓縮量出現(xiàn)了明顯的減小，代表其發(fā)生了回彈，由于上層巖塊的上端頂面為壓機(jī)固定端，因此其發(fā)生的回彈會(huì)作用于弱夾層，加速弱夾層巖塊變形局部化帶的發(fā)展，在最后一個(gè)應(yīng)力峰值附近其壓縮值再次減小導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失穩(wěn)破壞。

3.2 煤柱沖擊地壓動(dòng)力特征規(guī)律研究

根據(jù)煤柱最終的破壞形式，選取監(jiān)測(cè)位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖7)計(jì)算位移，得出位移后進(jìn)行微分，計(jì)算加載過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的加速度，計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

圖12 煤柱沖擊地壓加速度特征Fig.12 Acceleration characteristics of rock burst of coal pillar

由圖12可知，在前期加載階段(0～1 170 s)弱夾層巖塊及下層巖塊的加速度基本為0，在1 172～1 182 s時(shí)，弱夾層中變形局部化帶兩側(cè)巖體逐漸開(kāi)裂，并1 183 s時(shí)形成沖擊，弱夾層沖擊加速度為4.44 mm/s2,下層巖塊隨后發(fā)生沖擊(1 183.2 s)，沖擊加速度為5.42 mm/s2；其后經(jīng)歷短暫波動(dòng)后再次出現(xiàn)峰值，其中弱夾層沖擊加速度為2.2 mm/s2，下層巖塊沖擊加速度為9.5 mm/s2。分析認(rèn)為，在弱夾層出現(xiàn)破壞時(shí)，形成板裂結(jié)構(gòu)，釋放部分能量。形成板裂結(jié)構(gòu)后，弱夾層巖塊承載面積快速減小，導(dǎo)致下層巖塊所受豎向荷載極不均勻，再次劈裂形成沖擊。

4 結(jié) 論

通過(guò)設(shè)計(jì)并進(jìn)行了基于層間摩擦滑動(dòng)的煤柱沖擊地壓實(shí)驗(yàn)，對(duì)組合體煤(巖)柱單軸壓縮過(guò)程的位移場(chǎng)演化規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)煤柱內(nèi)層間滑動(dòng)及界面剪切變形、上層巖塊彈性變形能的釋放過(guò)程進(jìn)行了分析，得出結(jié)論如下所述。

1) 由于巖性差異導(dǎo)致含弱夾層巖塊的單軸加載曲線存在明顯的多峰性，弱夾層結(jié)構(gòu)由于其強(qiáng)度較低會(huì)優(yōu)先形成變形局部化帶，且變形局部化帶以平行于加載方向優(yōu)先發(fā)育并逐漸擴(kuò)大貫穿整個(gè)弱夾層。

2) 煤柱內(nèi)巖層交界面處發(fā)生摩擦滑動(dòng)，由于巖石內(nèi)部材料泊松比差異，與頂板來(lái)壓所導(dǎo)致的剪切變形交替變化，會(huì)引起煤層與頂?shù)装逯g的接觸部分出現(xiàn)粉狀軟煤，導(dǎo)致摩擦系數(shù)減小，增加了沖擊地壓的可能性。

3) 弱夾層進(jìn)入峰值強(qiáng)度后，無(wú)法繼續(xù)提供較大承載力，上層巖塊發(fā)生回彈會(huì)作用于弱夾層，加速弱夾層巖塊變形局部化帶的發(fā)展。災(zāi)變時(shí)刻上層巖塊所積累的彈性能迅速釋放并作用于弱夾層加速弱夾層的破壞，顯現(xiàn)出沖擊效果。