编者按 随着我国浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭，地下开采深度的逐渐延伸，越来越多的矿井将面临严峻的深部开采煤岩动力灾害问题。如何有针对性地开展防控深部开采过程中遇到冲击地压和煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害事故，是摆在科研和生产工作者面前的难题。鉴于此，国家在“十三五”期间，将“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”列入国家重点研发计划项目，重点对煤矿深部开采条件下的冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害的危险性探测、防控机理和防控技术开展研究，本期第1～11篇论文就是本项目两年来的主要研究成果。在这些研究成果中，突出的表现在：从材料失稳角度研究了冲击地压的触发判据和从结构失稳角度研究了冲击地压的孕灾机制；系统研究了采掘巷道冲击危险性的探测与支护技术；从理论和数值模拟上研究了煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突机理和深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理等。本期“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控”专题是上述这些成果的集中展示，并希望对我国煤矿深部开采煤岩动力灾害的防控起到积极的促进作用。
李海涛1,2,刘 军3，赵善坤1,2，蔡来生3，齐庆新1,2，孔令海1,2
(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013; 2.煤炭科学研究总院 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013; 3.北京昊华能源股份有限公司，北京 102300)
摘 要:冲击地压的孕育和发生除应当具有足够能量源之外，能量的有效积聚同样至关重要。通过设计位移控制的夹持试验还原顶底板对煤层的约束作用，结果表明:岩石试块在轴向压力的作用下存在对于煤试块的闭锁作用，具体表现为加载端与中部监测点的位移不同步，该机制能够形成有效的能量积聚。同时，加载过程中煤试块局部位置表现出类似于纵波的变形传导现象，而较大轴压下出现的应力突然调整即为该现象的剧烈表现形式。研究指出，顶底板对于煤层的闭锁作用及煤层自身的变形传导对冲击地压的形成具有促进作用，现场实践表明，在近顶底板位置实施配合表面活性剂的高压注水，能够有效弱化接触面摩擦因数，实现煤壁深处变形能的可控释放，降低冲击危险性。
关键词:夹持作用;冲击地压;闭锁作用;变形传导;摩擦因数;能量积聚
中图分类号:TD324
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2018)11-2951-08
LI Haitao1,2,LIU Jun3,ZHAO Shankun1,2,CAI Laisheng3,QI Qingxin1,2,KONG Linghai1,2
(1.Mine Safety Technology Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 3.Beijing Haohua Energy Resource Co.,Ltd.,Beijing 102300,China)
Abstract:Besides the sufficient energy source for the development and occurrence of coal bump,the effective accumulation is also crucial.The constraint effect of roof and floor on coal seam was investigated through the clamping test.The results show that the displacements of the loading end and the central monitoring point are not synchronized,which proves the existence of atresia effect of rock specimen on coal specimen.The corresponding mechanism is capable of forming an effective energy accumulation.Meanwhile,the deformation conduction similar to P-wave was found at the local position of coal specimen,and the sudden adjustment of stress under a large axial pressure is a violent expression form of this feature.The research reveals that the atresia effect of roof and floor on coal seam and the deformation conduction of itself have a promoting effect on coal bump.The field practice shows that the high pressure water injection with the surfactant through the position near to roof and floor can weaken the friction coefficient of interface efficiently,and reduce the bump hazard through the controllable release of the deformation energy deep in the coal seam.
Key words:clamping effect;coal bump;atresia effect;deformation conduction;friction coefficient;energy accumulation
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李海涛,刘军，赵善坤,等.考虑顶底板夹持作用的冲击地压孕灾机制试验研究[J].煤炭学报,2018,43(11):2951-2958.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.8005
LI Haitao,LIU Jun,ZHAO Shankun,et al.Experimental study on the development mechanism of coal bump considering the clamping effect of roof and floor[J].Journal of China Coal Society,2018,43(11):2951-2958.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.8005
收稿日期:2018-08-07
修回日期:2018-11-05
责任编辑:郭晓炜
基金项目:国家重点研发计划基金资助项目(2017YFC0804201，2017YFC0804203);国家自然科学基金青年基金资助项目(51704159)
作者简介:李海涛(1987—)，男，山东菏泽人，副研究员。E-mail:catchyou@qq.com
冲击地压作为影响我国煤矿安全生产的主要动力灾害，其孕育及发生机理极为复杂，国内外学者提出了一系列重要理论，早期具有代表性的包括强度理论、能量理论、刚度理论和冲击倾向性理论等，后有学者在上述理论的基础上发展和完善，主要有“三准则”理论、变形系统失衡理论、“三因素”理论、突变理论、分形理论等[1-5]。虽然目前尚未出现具有普适性的理论体系，但其弹性能剧烈释放的本质在业内得到广泛认可[6-10]。基于以往统计，采煤工作面、掘进巷道以及回采巷道均有发生冲击地压的案例，其中，回采巷道和掘进巷道占案例的绝大多数[11]。与具备高强度液压支架的工作面相比，巷道支护强度相对较弱，进而使得顶板对于巷道周边煤体的影响更为显著[12-14]。而已有的研究指出，煤体在顶板及上覆岩层重力的影响下，由煤壁至深处将形成破坏区、塑性区和弹性区的状态分布，该划分方法虽相对理想化，但煤体深部具有可释放变形能的事实是毋庸置疑的[15-16]。
通过上述分析可知，目前从能量角度解释冲击地压的形成机理取得了较多有益的成果，但冲击地压涉及能量从积聚到释放的全过程，已有的成果更多关注能量源自身的相关特征，而对于冲击地压的发生，能量如何有效积聚同样应当给予足够的关注。为此，本文通过设计专项试验，单独还原顶底板对于煤体的夹持作用，针对失稳前后的相关力学特征，明确夹持作用在能量积聚和释放过程中的影响机制，以此为基础，提出应对措施降低发生剧烈失稳的可能性，为冲击地压形成机理和有效防控措施的研究提供新的思路。
在形成巷道或其他地下空间的过程中，原有约束煤岩体的介质被移去，使得剩余部分受力状态由围压转变为一侧卸荷，进而使得该部分介质具有向空区侧移动的趋势，但由于周边介质的约束，尤其对于煤矿而言，其层状结构使得顶底板与煤层间的摩擦力制约了煤层向空区移动的趋势。由此，通过试验还原顶底板夹持作用的关键首先在于摩擦力的实现，其次，被夹持层应当具有一定的运动趋势。基于上述需求完成试验模型的构建，如图1所示。
模型整体分为3层，上部及下部作为顶底板，中间作为煤层。定义垂直方向为轴向压力，由此，通过改变轴压大小即可实现对摩擦力的控制;水平方向为推力，采用位移控制，用于还原中间层向一侧的运动趋势。同时，中间层长于两端的试块，该特征允许中间试块发生滑动，由此可实现对夹持过程中失稳相关特征的捕获。同时，试样后表面布设2个声发射探头，用于收集试样摩擦滑动过程的声发射特征参数，试验前对系统进行计时校准，保证各监测系统数据采集时间的严格一致。加载速率统一采用位移控制，为0.25 mm/min，煤和砂岩的强度在试验前已经获得，具体情况见表1。
为定量分析试件失稳滑动过程的位移规律，在上接触面布置5个监测测点，测点布置如图2(a)所示。每个监测点相当于一个虚拟位移计，如图2(b)所示，通过散斑图像的对比分析，能够得到位移计两端水平及竖直方向的位移量，这样就能通过虚拟位移计反映每个测点处试件的滑动位移，虚拟位移计的设置方法如下:在滑动接触面两侧选取两个对称点，如图2(b)所示的P1和P2点，分别以P1和P2点为中心取分析区域，以此区域作为图像中的匹配目标进行计算，并作为P1，P2点的位移，用P2点和P1点在X方向位移的差值表示接触面在P点的错动量。P1和P2之间距离设置为8 mm。
图1 试块模型及试验系统组成
Fig.1 Model and test system
1—试样;2—轴向加载端;3—剪切加载端;4—声发射探头;5—图像采集相机;6—数据采集计算机;7—光源
表1 试块基本参数
Table 1 Basic parameters of test block
图2 散斑图像位移测点布置
Fig.2 Displacement measuring points in digital speckle test
通过对试件的加载，获得了加载端剪应力及位移、声发射振铃数及能量计数、监测点位移等指标随时间的演化规律，经初步对比，各试件所得的上述指标曲线具有相似性，其细节差异则共同表现出一定的规律性特征，因此，针对试验结果采取综合叙述的方式进行描述。
1.2.1 夹持作用下煤体力学行为
加载过程中典型(煤1)的剪应力-位移-时间曲线如图3所示。
图3 典型试块应力-位移-时间关系
Fig.3 Relationship of stress-displacement-time of typical test block
由图3可以看出，剪应力在加载初期表现出相对稳定的下凹型上升特征，在达到一定水平后出现了明显的应力转折点，且随着轴向压力的增加，转折后曲线愈发倾向于水平发展，即表现为更加理想的匀速滑动摩擦，该特征的出现表明当前轴压水平能够对煤体轴向的强度表现产生一定影响，进而使得接触面的摩擦属性出现实质性变化，而趋向于匀速滑动则表明高轴压使得滑动过程中接触面均匀性增强，该特征的出现与煤自身较弱的强度有关。
同时，各位移测点表现出基本相同的演化特征，在加载前期位移保持不变，与加载端位移相比表现出滞后的特征，而后进入短暂的加速状态，最终保持相对稳定的线性上升趋势，结合不同阶段对应的剪应力可知，当加载前期位移测点(此处为A测点)处于相对静止时，剪应力随着加载端的匀速推进出现了下凹型的上升趋势，该阶段煤体受到挤压，在发生失稳前将有相当长的一段时间处于能量积聚阶段。
对于冲击地压的发生，在保证能量源供给的前提下，某种制约机制的存在对于形成有效的累积尤为必要。上述试验中出现的位移测点滞后加载端移动且剪应力在该阶段持续上升的特征，证明了该制约机制能够由顶底板对于煤体的夹持作用提供。冲击地压作为复杂且连续的力学过程，将其孕育阶段细分为能量源补给和制约机制作用下的能量积聚2个环节，显然有利于该过程的进一步明确。
此外，随着轴压的增加，煤4在剪应力上升的过程中，开始出现短暂应力调整后继续上升的现象，其应力-位移，应力-声发射演化曲线如图4所示。
图4 煤4加载过程相关力学指标曲线
Fig.4 Curves of related mechanical indexes of coal-4
由图4(a)可以看出，第1次应力调整时，监测点处出现了1次较为快速的滑移，但由于顶底板约束作用仍然存在，发生滑移的同时剪应力进一步升高，随后出现了第2次应力调整，该次调整并未表现出显著的位移跳跃，而是在原有的基础上提高了滑移速度，之后进入了新的匀速滑移阶段，剪应力基本保持不变。第1次位移调整具有一定的突发性，其表现类似于断层粘滑，在现场较大的能量基数下，类似的突然滑移完全有可能造成煤体的剧烈失稳，该机制可用于解释掘进巷道在单纯卸压过程中出现的冲击地压。
对于能量释放的具体情况可通过声发射指标进行度量，由图4(b)可知，煤5在加载之初即出现了较高的频次，对比其他轴压条件下的试件可发现，该特征与较高的轴压以及煤体自身强度较低有关，同时该特征也表明，加载初期上下试块对于中间煤块具有较为充分的闭锁作用，随后剪应力上升阶段的声发射事件开始保持相对较低的水平，发展至第1次应力调整前期，事件频次开始密集，直至出现突发性的快速滑移，振铃次数达到8 000左右的高位，能量开始成规模释放，之后试块即进入更快速的匀速滑移状态。类似声发射或微震事件在加载或卸荷过程中表现出的“高-低-高”演化特征，可作为预判失稳的参考特征。
由上述分析可知，顶底板对于煤体的夹持主要表现在对其变形的制约作用，而该制约作用一方面表现为前期的变形闭锁，即加载过程中距离加载端较远的位置能够保持静止并未发生相应的位移，该阶段将能够形成较为充分的能量积聚，另一方面则表现为闭锁失效后的突然滑动，该阶段位移变化速度极快，而对应阶段的声发射剧烈升高则说明，类似的突然滑动将产生显著的能量释放，对应现场条件下，类似的状况将具有极高的冲击危险性。
1.2.2 夹持作用下的煤体局部变形传导现象
在将试件作为整体的分析过程中，发现了加载端和测点处位移不一致的特征，该特征暗示了夹持作用下煤体自身向临空侧移动过程的复杂性，同时，闭锁作用失效后的突然滑动将使得危险性显著增加。针对上述现象，掌握滑移块体局部位置加载全过程的移动特征，显然有助于明确夹持作用对于冲击地压孕灾的影响机制。
为此，以位移监测点E为基准点，分析其他监测点相对于E点的运动特征，以A点为前侧，E点为后侧，其计算方法为
U=Ui-UE (i=A,B,C,D)
(1)
式中，U为相对位移;Ui为测点位移;UE为E点位移。
由此可知，相对位移数值增大则表明前点位移大于后点，2点之间距离缩短，中间介质呈压缩状态。取轴压最小(5 MPa)的煤1、中间轴压(8 MPa)的煤2以及轴压最大(12 MPa)的煤4进行对比分析，计算其各测点的相对位移演化规律(图5)。
图5 典型试块相对位移变化曲线
Fig.5 Curves of relative displacement of typical test block
由图5可以看出，低轴压条件下相对位移均具有平稳的发展状态，说明监测时间段内最终表现为整体滑动，而相对位移上升阶段是3种轴压条件下均存在的。上述特征说明了加载过程中始终存在位移不一致的现象，前点位移总体大于后点位移，压缩状态由加载端向临空侧递减。除此之外还应注意到，当轴压较低为5 MPa时，进入上升阶段之前，A点与E点之间的相对位移在500～1 200 s出现了一段显著的负值区间，即在加载过程中二者间距离出现了增大的现象，类似现象在B点也有轻微显现，对比同阶段C，D与E点的相对位移可发现，其数值基本保持在0附近，结合其轴压较低约束能力较弱的特点，出现负值说明后点位移增大，由此可判断C，D，E点发生同步滑移，而A，B两点基本保持静止，即在煤体局部出现了类似于纵波的变形传导。
另外，对于中间轴压(8 MPa)条件下的试件，其相对位移在500～650 s出现了2次显著的调整现象。采用类似的分析方法，A，B,C点相对位移均上升，即相对E点均出现滑移，之间介质呈压缩趋势，D与E点相对位移基本为0，保持静止，随后，A,B,C三点与E点的相对位移均出现了下降-上升-再次下降的特征，说明A,B,C三点同步，对应阶段的D与E相对位移仍保持为0，首先证明D与E同步，而相对位移数值下降说明后点位移增大，由此判断，该阶段A,B,C三点，D和E两点交替出现移动的特征。再次验证了夹持作用下，介质局部存在变形传导的特点，煤4中出现的应力调整和位移加速现象即为该类特征的剧烈表现形式。
而对于轴压最大(12 MPa)条件下的试件，监测点的同步性最强，A,B,C,D点均出现了上升现象，且监测阶段并未像低轴压条件下出现平稳发展的状态，该特征说明了轴压较大时，发生失稳的难度较大，一旦发生滑移将具有较强的整体性，变形传导将被弱化，但对应的影响将更为剧烈。
通过上述分析，夹持作用下对于煤体运动的关键影响包括:① 顶底板对于煤层前期运动的闭锁作用;② 煤层局部区域的变形传导作用。
巷道开挖后，将会使得巷道临空侧的介质受到卸荷作用，原有约束的丧失使得介质开始具有向巷道方向移动的趋势，与此同时，巷道的开挖或工作面的回采，使得上覆顶板的重量施加在更少的介质上，应力重分布造成了煤体自身应力集中水平的提高，进一步强化了煤体向临空侧的移动趋势，其基本机制如图6所示。
图6 夹持作用机制示意
Fig.6 Schematic diagram of the mechanism of clamping
但由于夹持作用的存在，使得煤体并不能充分的向临空侧移动。局部位置由此出现了最初的煤体能量积聚，试验中剪应力持续上升而位移保持不变即对应该阶段，此时顶底板对于煤层仍具有相对理想的约束作用，从而使得煤层并未出现明显的滑移。但随着开挖的逐步进行，超前支承压力、顶板破断动载等因素的影响将开始显现，加之埋深较大使得距煤壁较远处的煤体自身具有较强的流变特性，由此保证了煤壁深部的驱动力始终存在。同时，由于煤岩自身的非均质特性，在局部位置极有可能出现显著高于周边的应力集中区域，上述条件均能保证对于更外层煤体的持续推进作用。由此，在变形不断累积的条件下，夹持作用将愈发接近极限，局部位置开始表现出变形传导的特征，而该类传导的极端表现形式即为变形过程中的位移加速现象，该类滑移将具有显著的动力特征。现场尺度的应力和能量较试验室尺度高出数个量级，类似变形传导的剧烈显现，将极有可能造成煤体的失稳，进而表现出冲击地压。
在上述机制的作用下，若进一步与构造应力、局部异常结构(残留煤柱、采空区边界等)、顶板破断动载等特殊因素叠加，其夹持作用得到进一步强化的同时，煤体将表现出更强的向临空侧移动的倾向，一旦发生滑移其能量释放的剧烈程度将显著提高。根据大量煤层冲击地压事故现场的观测，发生冲击地压的煤岩体，煤层顶底板在冲击地压发生后，并不发生或明显发生破坏和变形，而煤体却出现破坏并整体移出，还在煤层与顶底板之间产生明显的滑动擦痕和离层[17]，类似特征首先验证了夹持作用的存在，同时，煤体的整体移出以及更为普遍的煤块抛出，证明了夹持作用下煤体内确有弹性能的积聚和释放。
夹持作用的本质在于顶底板对于煤层的摩擦限制，但煤层及顶底板自身具有较强的非均质特性，同时，在轴向压力的作用下煤岩自身将会由于强度原因出现破断等局部现象，在上述条件的影响下，使得夹持作用下煤层的运动趋于复杂化。
对于冲击地压而言，其根本力源由上覆岩层提供，显然不具有完全消除的可行性，而通过水力压裂切断顶板进行弱化则依赖于现场具体条件，因此，从力源环节防控冲击地压并不具有普适性。而通过上述夹持作用在冲击地压孕灾过程中的作用分析可知，顶底板夹持下对于煤层提供的闭锁作用在能量有效积聚过程中起到至关重要的作用，而为避免冲击地压的形成，破坏或弱化其闭锁作用，降低其能量的有效积聚具有更强的可行性。
影响闭锁作用的关键在于接触面摩擦属性，而成规模干预接触面属性则要求对应的施工介质具有较好的流体性质和润滑作用。为此，通过高压致裂顶底板附近煤体，使水进入或赋存在接触面附近，同时，在水中加入高分子表面活性剂，一方面增强高压水的渗透致裂能力，另一方面表面活性剂可有效提升液体的润滑功能。同时，煤层在高压水的作用下，其裂隙将充分发育，进而降低了对应区域的强度，弱化了煤层与顶底板的相互作用，同样能够达到改变接触面属性的目的。由此，在无法改变法向应力的前提下，以降低接触面摩擦因数为手段，弱化顶底板对于煤层的闭锁作用。
同时，考虑到弱化顶底板对于煤体的夹持作用后，两帮移近量将会有所增加，为避免一次性移近量过大的情况，对于注水孔的深度采取分阶段由浅至深的原则进行施工。
基于上述分析，选取某冲击地压矿井工作面进行措施效果检验，其施工步骤如下:
(1)在上下巷超前工作面20 m处开始钻进孔径110 mm钻孔，该工作面在水压15 MPa条件下的浸水半径为10 m，故将孔间距定为20 m，第一孔与顶板相距1/4煤层厚度，第二孔与底板相距1/4煤层厚度，以此类推，第一阶段注水孔深设计为20 m，并在注水前进行同孔的卸压爆破提高裂隙发育程度。
(2)第一阶段注水3 d后，开始在前期孔中间位置布置30 m深注水孔，配合同孔卸压爆破，扩大注水影响范围。
(3)考虑到深孔钻进具有一定难度，当两帮位移持续较大，则于30 m深孔附近补充钻进40 m或更深钻孔，以破坏更深处煤体的能量积聚，弱化煤壁深处煤体对于浅部的推动力，否则，至步骤(2)即可。
依据上述方案，在工作面前方依次推进施工，注水孔在煤层的分布如图7所示。
图7 注水钻孔分布示意
Fig.7 Schematic diagram of water injection hole distribution
在具体实施过程中，上述措施参数应当依据具体效果进行孔间距和钻孔深度的动态调整，当达到预期效果时，煤体自身积聚的能量将由于滑移的存在有所缓解，对应的区域性应力水平将出现下降，目前探测煤层区域性应力较为有效的手段为Pasat-M，该设备以波速值表征对应区域的应力值，通过在一侧巷道布置激发炮，另一巷道布置拾振器，利用层析成像法实现对于探测区域波速/应力状态的解释。实施上述措施前后的探测结果如图8所示。
图8 措施实施前后Pasat-M探测结果
Fig.8 Detection results of Pasat-M before and after implementation of measures
由图8可以看出，通过一段时间的措施实施，工作面超前部分的主体波速值由措施实施之前的7 500 m/s降低至5 500 m/s左右，且相同位置处的波速值在受超前支承压力影响的情况下仍然由13 000 m/s降低至6 000 m/s左右，下降更为显著，期间巷道两帮具有显著的移近，证明了煤层在顶板自重影响下确有向临空侧移动的倾向，以及措施在弱化夹持作用方面的可靠性，同时，需要强调的是，该阶段的波速值下降是在地面标高增加而底板标高走低的情况下出现，更加说明了措施的有效性。
(1)通过设计夹持试验，发现在岩石的夹持作用下，煤块加载端和中部位移观测点出现了位移不同步的特征，该特征证明了顶底板夹持对于煤层变形具有闭锁作用，该现象是形成煤层能量积聚的最初原因。
(2)随着轴向压力的增加，煤块滑移开始表现出剪应力上升阶段的应力突然调整，通过进一步对煤试块局部位移的监测发现，在夹持作用下煤块变形存在类似于纵波的变形传导现象，而煤块在剪应力上升阶段的应力突然调整即为该现象的剧烈表现形式。
(3)夹持作用所提供的制约机制，为冲击地压形成过程中有效的能量积聚提供了条件，而其变形传导作用的剧烈表现形式则在一定程度上解释了巷道开挖卸荷过程中出现冲击地压的原因。
(4)通过在靠近顶底板的煤体中进行分阶段的高压注水，能够有效弱化顶底板的夹持作用，进而使得煤体通过向临空侧缓慢变形实现煤壁深处能量的可控释放，避免形成过高的能量积聚，现场应用表明该措施具有显著的应力控制效果。
致谢 感谢北京科技大学王涛副教授在试验方案设计中提供的具有启发性的建议。
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