蔡 武，朱旭明，陸 強(qiáng)，周 濤，鄭義寧，李許偉

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) a.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,b.礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.兗煤菏澤能化有限公司 趙樓煤礦，山東 菏澤 274000；3.臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電有限公司 郭屯煤礦，山東 菏澤 274704)

隨著人類(lèi)向地球深部要資源的需求與日俱增，加之我國(guó)面臨石油對(duì)外依存度高、油氣勘探開(kāi)發(fā)與新能源技術(shù)發(fā)展不足等能源問(wèn)題，未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，煤炭仍然是我國(guó)的主體能源資源.長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)煤礦安全事故時(shí)有發(fā)生，解決煤炭安全開(kāi)采問(wèn)題已成為改善我國(guó)國(guó)計(jì)民生的重要舉措之一.尤其是自2018年10月20日山東龍鄆煤業(yè)發(fā)生重大沖擊礦壓事故后，國(guó)家相關(guān)部門(mén)高度重視煤礦沖擊礦壓防治工作，多次做出重要批示，要求深入研究沖擊礦壓災(zāi)害機(jī)理，從源頭對(duì)沖擊礦壓進(jìn)行治理.

沖擊礦壓因其發(fā)生過(guò)程的復(fù)雜性、突發(fā)性、多樣性等特點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治一直是困擾采礦界的世界性難題，該難題涉及的沖擊礦壓全過(guò)程(孕育-啟動(dòng)-顯現(xiàn)-結(jié)束)機(jī)理一直未得到有效揭示.當(dāng)前，沖擊礦壓理論的發(fā)展主要基于經(jīng)典強(qiáng)度理論[1]、剛度理論[2-3]、能量理論[4-6]、沖擊傾向性理論[7-9]、三準(zhǔn)則機(jī)理[10]、變形失穩(wěn)理論[11]的完善與擴(kuò)充，如三因素理論[12]、擾動(dòng)響應(yīng)失穩(wěn)理論[13]、動(dòng)靜載疊加誘沖理論[14-15]、沖擊啟動(dòng)理論[16]、蠕變失穩(wěn)理論[17]等.根據(jù)長(zhǎng)期的理論研究、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，一致認(rèn)為沖擊礦壓的發(fā)生必須要滿足強(qiáng)度條件、能量條件和沖擊傾向性條件.其中，強(qiáng)度條件認(rèn)為煤巖體上所受的應(yīng)力要超過(guò)煤巖體的強(qiáng)度，煤巖體才會(huì)發(fā)生破壞；能量條件認(rèn)為煤巖體中聚集能量的釋放速度要大于消耗能量的速度；沖擊傾向性條件表示煤巖體應(yīng)具有發(fā)生脆性破壞的能力.這里，前一個(gè)條件是必要條件，而后兩個(gè)是充分條件，即煤巖體所受的應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)煤巖體的強(qiáng)度，煤巖系統(tǒng)就不會(huì)發(fā)生破壞，就不會(huì)出現(xiàn)沖擊礦壓；煤巖系統(tǒng)中雖然能夠聚集能量，但耗散的速度大于聚集的速度，就不會(huì)突然釋放，也不會(huì)發(fā)生沖擊礦壓；而煤巖系統(tǒng)沒(méi)有突然破壞的能力，也就不會(huì)發(fā)生沖擊礦壓.

動(dòng)靜載疊加誘沖理論不僅能從廣義上涵蓋強(qiáng)度、剛度與能量理論要義，還綜合考慮了區(qū)域環(huán)境與采動(dòng)靜載應(yīng)力和動(dòng)載擾動(dòng)疊加的影響，目前已形成共識(shí).本文在動(dòng)靜載疊加理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立頂板-煤層-底板協(xié)同作用下的沖擊載體系統(tǒng)模型，發(fā)展沖擊礦壓演化全過(guò)程(孕育-啟動(dòng)-顯現(xiàn)-結(jié)束)的力能解釋?zhuān)ㄒ环N廣義剛度啟動(dòng)條件和兩種動(dòng)載誘沖效應(yīng)，試圖為沖擊礦壓演化全過(guò)程提供一種全新的綜合解釋.

1 沖擊礦壓演化過(guò)程應(yīng)力環(huán)境

地下煤體開(kāi)挖引起應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)，在橫向上于工作面前方及巷道周?chē)后w中形成超過(guò)原巖應(yīng)力大小的應(yīng)力集中區(qū)，即支承應(yīng)力區(qū).同時(shí)開(kāi)挖引起覆巖破壞及運(yùn)移，在縱向上形成垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶和原始應(yīng)力帶，并對(duì)應(yīng)于橫向支承應(yīng)力區(qū)中的峰后破壞區(qū)DE、峰前塑性區(qū)BD、彈性區(qū)AB和原始應(yīng)力區(qū)，描述如圖1所示[18-20].

圖1 煤層開(kāi)采應(yīng)力分布與覆巖破壞結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系

在深部高地應(yīng)力條件下，原巖處于準(zhǔn)靜水壓力狀態(tài)，因此深部工作面前方煤巖體的應(yīng)力環(huán)境改變起始于準(zhǔn)靜水壓力狀態(tài)，隨工作面的推進(jìn)，煤層中的支承壓力(即垂向應(yīng)力)由三向等壓的靜水壓力狀態(tài)逐漸升高至峰值應(yīng)力，而后伴隨煤體的破壞而進(jìn)入卸壓狀態(tài)，垂向應(yīng)力逐漸降低直至煤壁處的單壓殘余強(qiáng)度狀態(tài)，其真實(shí)應(yīng)力路徑如圖1中的GABDE路徑所示；另一方面，水平應(yīng)力則由三向等壓的靜水壓力狀態(tài)逐漸減低至0，即卸壓，真實(shí)應(yīng)力路徑如圖1中的GF路徑所示.由圖1可知，井下開(kāi)采活動(dòng)、煤巖體對(duì)開(kāi)采活動(dòng)的應(yīng)力響應(yīng)等表現(xiàn)出來(lái)的割煤、移架、機(jī)械振動(dòng)、爆破、頂?shù)装迤茢唷⒚后w及頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、瓦斯突出、煤炮、斷層滑移等采掘擾動(dòng)動(dòng)載與采場(chǎng)及巷道周?chē)后w的支承應(yīng)力(靜載)疊加，一旦超過(guò)煤體的承載極限便容易產(chǎn)生煤巖動(dòng)力災(zāi)害，則沖擊礦壓的動(dòng)靜載疊加誘發(fā)機(jī)理(如圖2所示[21])可用下式表示：

圖2 沖擊礦壓動(dòng)靜載疊加誘發(fā)機(jī)理示意圖

σs+σd≥σbmin,

(1)

其中σs為煤巖體靜載應(yīng)力、σd為采掘擾動(dòng)動(dòng)載、σbmin為沖擊礦壓的臨界應(yīng)力.

煤礦采掘擾動(dòng)動(dòng)載主要有3種類(lèi)型[22]：Ⅰ.震動(dòng)波傳播產(chǎn)生的動(dòng)載；Ⅱ.頂板巖層破斷、斷層滑移等面應(yīng)力瞬間消失或減小產(chǎn)生的瞬間載荷(受迫動(dòng)載)；Ⅲ.炸藥爆炸中心高壓氣體產(chǎn)生的沖擊動(dòng)載.其中，頂板巖層破斷可產(chǎn)生兩類(lèi)動(dòng)載:斷裂面能量釋放產(chǎn)生礦震，震動(dòng)波傳播到煤體或支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生Ⅰ類(lèi)動(dòng)載；頂板斷裂塊體由于斷裂面應(yīng)力消失或減小，將對(duì)煤體和支護(hù)體產(chǎn)生瞬間動(dòng)載荷，該動(dòng)載為Ⅱ類(lèi)動(dòng)載.Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)動(dòng)載產(chǎn)生的同時(shí)，遠(yuǎn)距離處將演變?yōu)棰耦?lèi)動(dòng)載.

綜上所述，動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓的類(lèi)型主要表現(xiàn)為：

1)高靜載主導(dǎo)型(高靜載+低動(dòng)載).深部開(kāi)采中，巷道或采場(chǎng)圍巖原巖應(yīng)力很高，巷道開(kāi)挖或工作面回采導(dǎo)致巷道或采場(chǎng)周邊高靜載應(yīng)力集中，此時(shí)應(yīng)力水平往往已接近臨界載荷，遠(yuǎn)場(chǎng)礦震產(chǎn)生的微小動(dòng)載應(yīng)力增量便可滿足動(dòng)靜載疊加誘沖條件，從而導(dǎo)致煤體沖擊破壞.此時(shí)，礦震動(dòng)載擾動(dòng)在煤體沖擊破壞時(shí)主要起誘發(fā)作用，是目前最為普遍的一種沖擊礦壓發(fā)生類(lèi)型.

2)高動(dòng)載主導(dǎo)型(低靜載+高動(dòng)載).淺部開(kāi)采中，巷道或采場(chǎng)圍巖原巖應(yīng)力不是很高，但遠(yuǎn)場(chǎng)礦震強(qiáng)度很大，震動(dòng)波傳至煤體的瞬間動(dòng)載應(yīng)力增量很大，巷道或采場(chǎng)周?chē)o載應(yīng)力與動(dòng)載應(yīng)力疊加超過(guò)臨界載荷導(dǎo)致煤體沖擊破壞.此時(shí)，礦震的動(dòng)載應(yīng)力擾動(dòng)在煤體沖擊破壞時(shí)起主導(dǎo)作用.另外，在高加載速率下，煤樣的沖擊傾向性比常規(guī)狀態(tài)下更強(qiáng)，原本鑒定為無(wú)沖擊傾向的煤樣也具有沖擊傾向.這給出了淺部開(kāi)采及原本鑒定為無(wú)沖擊傾向的煤層仍然發(fā)生沖擊礦壓的原因.

3)低臨界載荷主導(dǎo)型.因煤體的不均勻性及物性差異，不同區(qū)域發(fā)生沖擊礦壓的臨界載荷不同.當(dāng)煤體中靜載應(yīng)力較低，且礦震引發(fā)的動(dòng)載應(yīng)力不高時(shí)，若采掘空間煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)或應(yīng)力狀態(tài)突然變化，導(dǎo)致沖擊臨界載荷降低，小于動(dòng)靜載疊加應(yīng)力，也會(huì)發(fā)生沖擊礦壓.在斷層附近進(jìn)行采掘活動(dòng)，斷層面上受力處于臨界平衡狀態(tài)，沖擊礦壓主要由斷層滑移失穩(wěn)誘發(fā)，具體可由應(yīng)力場(chǎng)局部調(diào)整觸發(fā)，也可由震動(dòng)波通過(guò)觸發(fā).此時(shí)，動(dòng)載荷通過(guò)改變斷層區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)或物性而使臨界應(yīng)力降低從而誘發(fā)沖擊.

煤礦深部開(kāi)采時(shí)，容易誘發(fā)沖擊礦壓，主要沖擊破壞表現(xiàn)為：高靜載+低動(dòng)載>低靜載+高動(dòng)載，深部開(kāi)采原始地應(yīng)力高，在較小的動(dòng)載擾動(dòng)下容易誘發(fā)沖擊.淺部煤層開(kāi)采也會(huì)發(fā)生沖擊礦壓，主要淺部開(kāi)采地應(yīng)力小，但如果存在堅(jiān)硬頂板大面積破斷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生高動(dòng)載，也會(huì)誘發(fā)沖擊礦壓.煤巖的沖擊傾向性越強(qiáng)，沖擊臨界應(yīng)力就越小，越容易發(fā)生沖擊礦壓；沖擊傾向性弱的煤層也會(huì)發(fā)生沖擊礦壓，只是沖擊臨界應(yīng)力較高.

2 沖擊礦壓演化過(guò)程理論模型

2.1 力能作用原理

根據(jù)如圖3所示的沖擊礦壓發(fā)生模型，建立如圖4所示的頂板-煤層-底板沖擊載體系統(tǒng)模型[21].隨著煤層采掘活動(dòng)推進(jìn)，工作面前方煤體的受載應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可由圖中右邊曲線描述；將頂板與底板視為一完整圍巖，且其剛度與強(qiáng)度遠(yuǎn)大于煤層，其受載應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可由圖中左邊曲線表述.圖4中，U1為沖擊過(guò)程中圍巖釋放彈性能；U2為沖擊過(guò)程中煤層對(duì)圍巖釋放彈性能的消耗；U3為沖擊過(guò)程中系統(tǒng)整體釋放的剩余彈性能；U4為額外輸入能量.

圖3 沖擊礦壓發(fā)生模型

圖4 沖擊礦壓演化過(guò)程的力能作用原理(沖擊載體系統(tǒng)模型)

在準(zhǔn)靜載(σs)作用下，當(dāng)煤層產(chǎn)生應(yīng)變?cè)隽喀う?時(shí)，對(duì)應(yīng)頂?shù)装鍑鷰r產(chǎn)生應(yīng)變?cè)隽喀う?為

(2)

其中:k1為圍巖剛度,k2為煤層剛度.頂板-煤層-底板整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的總應(yīng)變?cè)隽喀う艦?/p>

(3)

其中煤層應(yīng)變?cè)隽颗c系統(tǒng)整體應(yīng)變?cè)隽康谋戎禐?/p>

(4)

整個(gè)頂板-煤層-底板沖擊載體系統(tǒng)災(zāi)變破壞過(guò)程的微震-應(yīng)力-變形能轉(zhuǎn)換關(guān)系可由下式表示，其判據(jù)為U3>0，由此可知，微震釋放能量與應(yīng)力降和應(yīng)變?cè)隽康钠椒匠收龋?/p>

(5)

(6)

其中:σa、σb、Δε2為圖4中標(biāo)示,E表示微震能量,η為微震效率.

結(jié)合圖4、式(4)和式(6)，可獲得沖擊礦壓演化全過(guò)程(孕育-啟動(dòng)-顯現(xiàn)-結(jié)束)的力能解釋如下：

1)AB階段：k1和k2均大于0、且保持不變，此時(shí)k1+k2>0；Δε2/Δε也保持不變，頂?shù)装鍑鷰r和煤層均處于彈性儲(chǔ)能階段，屬于沖擊孕育階段.

2)BD階段：k2逐漸減小至0，k1保持不變，此時(shí)k1+k2>0；Δε2/Δε隨著k2/k1比值的減小而增加，頂?shù)装鍑鷰r繼續(xù)積聚彈性能，但煤體開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，該階段煤體中的微裂隙開(kāi)始萌生、孕育和擴(kuò)展，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生微震/聲發(fā)射現(xiàn)象，屬于沖擊前兆階段.

3)DS1階段：k2小于0、且逐漸減小，k1保持不變，此時(shí)k1+k2≥0、U3≤0；當(dāng)k1+k2=0時(shí)，對(duì)應(yīng)圖中S1點(diǎn)，此時(shí)Δε2/Δε→∞，對(duì)應(yīng)沖擊啟動(dòng)時(shí)刻.

4)S1E階段：k2小于0、且先減小后增大，k1保持不變，狀態(tài)由k1+k2<0(U3>0)過(guò)渡到k1+k2>0(U3<0)；Δε2/Δε隨著k2/k1比值的先減后增而先增后減，屬于沖擊顯現(xiàn)至結(jié)束階段.

值得注意的是，上述分析重點(diǎn)關(guān)注的是煤體沖擊破壞，當(dāng)k1+k2遠(yuǎn)大于0時(shí)，即堅(jiān)硬頂?shù)装鍑鷰r，此時(shí)對(duì)于頂板-煤層-底板整個(gè)沖擊系統(tǒng)，煤體很難發(fā)生沖擊式破壞，通常屬于充分的損傷破壞模式，堅(jiān)硬頂?shù)装鍑鷰r往往處于大面積彎曲下沉或采空懸置狀態(tài)，一旦達(dá)到其自身極限強(qiáng)度，頂?shù)装鍑鷰r破壞釋放的能量將非常巨大，這種情況下容易導(dǎo)致整體系統(tǒng)發(fā)生如圖4所示的堅(jiān)硬頂板型沖擊，此時(shí)，頂板釋放的能量就是沖擊釋放的整體能量.當(dāng)k1+k2遠(yuǎn)小于0時(shí)，即軟巖頂?shù)装鍑鷰r，此時(shí)，頂?shù)装鍑鷰r不具備積聚彈性能的能力，頂板-煤層-底板整體系統(tǒng)不易達(dá)到平衡，巷道易變形難支護(hù)，一般不容易發(fā)生沖擊.

2.2 廣義剛度啟動(dòng)條件

如圖4所示，當(dāng)頂板-煤層-底板沖擊載體系統(tǒng)疊加動(dòng)載(σd)時(shí)，相比于準(zhǔn)靜載作用下釋放的沖擊能量U3，其能量釋放將增加U4，此時(shí)等價(jià)于圍巖剛度從k1降低至k′1，同時(shí)沖擊啟動(dòng)位置從S1提前至S2.因此，動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓的廣義剛度啟動(dòng)條件包括靜載作用下的k1+k2<0和動(dòng)靜載疊加作用下的k′1+k2<0.

為此，開(kāi)展了剛度啟動(dòng)條件的數(shù)值試驗(yàn)如圖5所示[21].由圖可知，對(duì)于純煤試樣(圖(a))，其聲發(fā)射(AE)能量釋放在時(shí)空分布上都比較均勻；對(duì)于頂板-煤層-底板組合試樣(圖(b)和圖(c))，其聲發(fā)射能量均主要集中在煤體中釋放，其中對(duì)于k1+k2<0的組合試樣，其聲發(fā)射能量釋放在時(shí)空上出現(xiàn)局部集中，并且k1+k2的絕對(duì)值越大(即k2絕對(duì)值越大，煤體破壞的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間越短)，系統(tǒng)整體的能量釋放越多越劇烈(圖(d)).

圖5 沖擊啟動(dòng)剛度條件數(shù)值試驗(yàn)驗(yàn)證

2.3 兩種動(dòng)載誘沖效應(yīng)

2.3.1 礦震疲勞動(dòng)載型塑性變形誘沖效應(yīng)

如圖4所示，對(duì)于Ⅰ類(lèi)動(dòng)載，如礦震，尤其是遠(yuǎn)場(chǎng)震源，其作用模式相當(dāng)于循環(huán)加卸載，由于煤巖材料的非均質(zhì)性本質(zhì)，礦震動(dòng)載引起的每次加卸載將使煤體產(chǎn)生永久變形，此時(shí)當(dāng)動(dòng)載作用時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，對(duì)于應(yīng)力狀態(tài)處于S′2的煤體在疊加動(dòng)載作用下，可啟動(dòng)類(lèi)似準(zhǔn)靜載作用下位于S2應(yīng)力狀態(tài)下的沖擊條件.因此，該類(lèi)動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓的動(dòng)載誘沖效應(yīng)稱(chēng)為礦震疲勞動(dòng)載型塑性變形誘沖效應(yīng)，目前已在大量實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證[23-24]，如圖6所示.

圖6 礦震疲勞動(dòng)載型塑性變形誘沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.3.2 瞬間沖擊動(dòng)載型應(yīng)力增量誘沖效應(yīng)

如圖4所示，對(duì)于Ⅱ類(lèi)動(dòng)載，如工作面附近斷層滑移、頂板破斷等產(chǎn)生的瞬間動(dòng)載，其作用模式相當(dāng)于施加一瞬間應(yīng)力增量Δσ，當(dāng)面積S123>S3D4時(shí)，對(duì)于應(yīng)力狀態(tài)處于峰前1處的煤體在疊加動(dòng)載作用下，可啟動(dòng)類(lèi)似準(zhǔn)靜載作用下位于峰后4處應(yīng)力狀態(tài)下的沖擊條件[25].因此，該類(lèi)動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓的動(dòng)載誘沖效應(yīng)稱(chēng)為瞬間沖擊動(dòng)載型應(yīng)力增量誘沖效應(yīng).

3 沖擊礦壓演化過(guò)程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

綜上所述，動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓的力能作用原理包括一種廣義剛度啟動(dòng)條件和兩種動(dòng)載誘沖效應(yīng)(應(yīng)力增量誘沖和塑性變形誘沖).根據(jù)煤層采掘?qū)嶋H的復(fù)雜應(yīng)力路徑，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集煤巖試樣，可設(shè)計(jì)組合煤巖試樣的真三軸準(zhǔn)靜載實(shí)驗(yàn)(剛度啟動(dòng)條件)、真三軸加卸載實(shí)驗(yàn)(塑性變形誘沖)和真三軸動(dòng)靜組合實(shí)驗(yàn)(應(yīng)力增量誘沖).本文涉及的靜載加卸載參數(shù)設(shè)計(jì)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》[26]中推薦的加載速率區(qū)間(0.05～1.00 MPa/s)進(jìn)行取值.

3.1 剛度啟動(dòng)條件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓的剛度啟動(dòng)條件，可設(shè)計(jì)如圖7所示的真三軸準(zhǔn)靜載實(shí)驗(yàn)：

圖7 剛度啟動(dòng)條件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)初始應(yīng)力加載階段：將試樣分別加載至初始應(yīng)力環(huán)境：σ1=12 MPa,σ2=9.5 MPa,σ3=5 MPa，加載速率為0.05 MPa/s.

2)保壓階段：按力控制方式保持加載60 s，使試樣達(dá)到與現(xiàn)場(chǎng)吻合的初始應(yīng)力環(huán)境.

3)巷道開(kāi)挖影響階段：將試樣σ3方向一面瞬間卸載，σ1和σ2按力控制方式繼續(xù)保持恒定30 s，以模擬巷道開(kāi)挖一面應(yīng)力突然卸載的真實(shí)情況.

4)工作面開(kāi)采影響階段：將σ2以0.1 MPa/s的速度緩慢卸載，同時(shí)σ1以0.5 MPa/s的速度加載至試樣瞬間失穩(wěn)破壞.

3.2 礦震疲勞動(dòng)載型塑性變形誘沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓的礦震疲勞動(dòng)載型塑性變形誘沖效應(yīng)，可設(shè)計(jì)如圖8所示的真三軸循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)：

圖8 礦震疲勞動(dòng)載型塑性變形誘沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)初始應(yīng)力加載階段：將試樣分別加載至初始應(yīng)力環(huán)境：σ1=12 MPa、σ2=9.5 MPa、σ3=5 MPa，加載速率為0.05 MPa/s.

2)保壓階段：按力控制方式保持加載60s，使試樣達(dá)到與現(xiàn)場(chǎng)吻合的初始應(yīng)力環(huán)境.

3)巷道開(kāi)挖影響階段：將試樣σ3方向一面瞬間卸載，σ1和σ2按力控制方式繼續(xù)保持恒定30 s，以模擬巷道開(kāi)挖一面應(yīng)力突然卸載的真實(shí)情況.

4)工作面開(kāi)采影響階段：將σ2以0.1 MPa/s的速度緩慢卸載，同時(shí)σ1以0.5 MPa/s的速度加載至14 MPa.

5)保壓階段：按力控制方式保持加載5 s.

6)循環(huán)加卸載階段：在σ1方向上施加循環(huán)加卸載，加卸載波形幅值為1 MPa，頻率為0.1 Hz，施加50個(gè)加卸載循環(huán)；如試樣未破壞，以0.5 MPa/s的速度加載1 MPa之后保壓5 s，繼續(xù)在σ1應(yīng)力方向上施加循環(huán)加卸載，加卸載波形幅值為1 MPa，頻率為0.1 Hz，施加50個(gè)加卸載循環(huán)；如試樣仍未破壞，重復(fù)以上步驟至試樣瞬間失穩(wěn)破壞.

3.3 瞬間沖擊動(dòng)載型應(yīng)力增量誘沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓的瞬間沖擊動(dòng)載型應(yīng)力增量誘沖效應(yīng)，可設(shè)計(jì)如圖9所示的真三軸動(dòng)靜組合實(shí)驗(yàn)：

1)初始應(yīng)力加載階段：將試樣分別加載至初始應(yīng)力環(huán)境,即σ1=12 MPa，σ2=9.5 MPa，σ3=5 MPa，加載速率為0.05 MPa/s.

2)保壓階段：按力控制方式保持加載60 s，使試樣達(dá)到與現(xiàn)場(chǎng)吻合的初始應(yīng)力環(huán)境.

3)巷道開(kāi)挖影響階段：將試樣σ3方向一面瞬間卸載，σ1和σ2按力控制方式繼續(xù)保持恒定30 s，以模擬巷道開(kāi)挖一面應(yīng)力突然卸載的真實(shí)情況.

4)工作面開(kāi)采影響階段：將σ2以0.1 MPa/s的速度緩慢卸載，同時(shí)σ1以0.5 MPa/s的速度加載至剛度啟動(dòng)條件實(shí)驗(yàn)峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的90%應(yīng)力水平.

5)保壓階段：按力控制方式保持加載5 s.

6)動(dòng)載階段：在σ1方向上采用霍普金森壓桿施加突然的應(yīng)力增量0.1 MPa；如試樣未被破壞，以0.5 MPa/s的速度加載1 MPa之后保壓5 s，繼續(xù)在σ1應(yīng)力方向上施加應(yīng)力增量0.1 MPa；如試樣仍未被破壞，重復(fù)以上步驟至試樣瞬間失穩(wěn)破壞.

4 結(jié)論

在分析總結(jié)煤礦沖擊礦壓演化過(guò)程靜載應(yīng)力環(huán)境、采掘擾動(dòng)動(dòng)載類(lèi)型、以及動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓類(lèi)型的基礎(chǔ)上，發(fā)展了動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊礦壓的全過(guò)程解釋?zhuān)岢隽恕耙环N廣義剛度啟動(dòng)條件、兩種動(dòng)載誘沖效應(yīng)”的沖擊礦壓力能作用原理，并給出了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案.主要結(jié)論如下：

1)分析總結(jié)了煤層開(kāi)采靜載應(yīng)力路徑及其應(yīng)力分布與覆巖破壞結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，以及震動(dòng)波動(dòng)載、受迫動(dòng)載和沖擊動(dòng)載3種采掘擾動(dòng)動(dòng)載類(lèi)型，概況了沖擊礦壓的動(dòng)靜載疊加誘發(fā)機(jī)理，并可分為高靜載主導(dǎo)型(高靜載+低動(dòng)載)、高動(dòng)載主導(dǎo)型(低靜載+高動(dòng)載)和低臨界載荷主導(dǎo)型3種沖擊礦壓類(lèi)型.

2)建立了頂板-煤層-底板協(xié)同作用下的沖擊載體系統(tǒng)模型，提出了動(dòng)靜疊加誘發(fā)沖擊礦壓演化全過(guò)程(孕育-啟動(dòng)-顯現(xiàn)-結(jié)束)的力能作用原理，包括一種廣義剛度啟動(dòng)條件(靜載作用下的k1+k2<0和動(dòng)靜載疊加作用下的k′1+k2<0)和瞬間沖擊動(dòng)載型應(yīng)力增量與礦震疲勞動(dòng)載型塑性變形兩種動(dòng)載誘沖效應(yīng)，并基于現(xiàn)有數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果給予了驗(yàn)證.

3)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了分別用于研究剛度啟動(dòng)條件、礦震疲勞動(dòng)載型塑性變形誘沖效應(yīng)和瞬間沖擊動(dòng)載型應(yīng)力增量誘沖效應(yīng)的真三軸準(zhǔn)靜載實(shí)驗(yàn)、真三軸循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)和真三軸動(dòng)靜組合實(shí)驗(yàn)，可為進(jìn)一步探索沖擊礦壓演化全過(guò)程機(jī)理、監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治提供參考.