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随着深部煤炭资源不断开发利用，煤矿开采过程中瓦斯突出灾害日趋严重。深部煤炭资源开采过程中产生的开采扰动行为和开采方式对深部煤体的力学行为以及渗流行为产生较大影响。国内外学者[1-4]对不同开采方式下煤层压力的分布规律进行了研究，得到煤层厚度、煤体破坏强度、开采深度等因素对工作面前方支承压力大小及分布的影响规律。谢和平等[5]对无煤柱开采、放顶煤开采、保护层开采3种典型开采方式的煤岩体采动应力环境演化规律和力学行为特征进行了总结，获取了3种典型开采方式的室内试验加卸载应力路径。谢和平等[6]对3种典型开采方式扰动下的煤岩应力场、裂隙场和渗流场行为进行研究，同时提出了保护层开采被保护层采前实验室模拟应力加卸载路径。SEVKET[7]对不同煤种应力与渗透性的物理关系进行研究，建立了煤的应力-渗透行为与不同煤种等级之间的关系，结合研究所得的应力-渗透行为的一般模式和工作面周围的应力环境，建立了工作面临近煤层群的应力渗透剖面模型，从这些剖面模型可以得到工作面周围的瓦斯流动模式。薛熠[8]对3种典型开采方式下工作面前方煤岩体的渗透率分布进行了研究，利用损伤有限元计算程序对单一煤层开采下煤岩体渗透率及增透率演化进行了定量描述。张春会等[9]基于体积应变和渗透率的关系，定义了体积应变增透率，进一步提出新的模拟渗透率演化方法。ZHANG Z等(2016)[10]运用分形维数方法，对3种典型开采方式下煤岩体微孔裂隙尺度分布特征、采动裂隙网络空间展布和渗透能力各向异性特征进行定量分析。荣腾龙等[11]基于捆绑的火柴棍模型，采用弹性理论分析了煤体基质和裂隙变形对渗透率的影响，建立了2种三向应力条件下煤体渗透率的动态演化模型——指数型和立方型。宋常胜[12]研究了下保护层开采充分卸压高度、不同应力状态煤岩渗透特性、超远距离上被保护层采动应力、裂隙演化和瓦斯渗流的规律。庞义辉等[13]对三轴渗流试验中渗流特性的主要影响因素进行研究，从力学角度对突水机理进行了合理解释，并提出了一种实用的突水判据。尹光志等[14]通过室内试验对卸围压速率对含瓦斯煤岩力学和瓦斯渗流特性的影响规律进行研究，得出卸围压速率越快,煤岩的渗透率增大的越快，煤岩维持在应力平台阶段的时间越短,煤岩越容易发生失稳破坏。薛东杰等[15]以淮南张集矿保护层开采为原型，根据正交设计的全应力应变渗透试验，将全应力-应变过程渗透率变化曲线划分为体积压缩、线弹性变形、体积急剧膨胀等3个阶段，并指出在煤样体积应变达到0.015时，渗透率迅速增大。PAN和CONNELL[16]对煤的渗透性及其行为建模方法进行了综述，总结渗透率随有效应力增加呈指数递减。TAN Xin[17]以花岗岩为研究对象，基于全应力-应变过程，提出一种修正的单元弹塑性本构关系，并结合渗透率与体积应变的线性关系，建立一种应用于FLAC3D的流固耦合方法。
综上所述，现阶段关于保护层开采下采动耦合应力路径煤岩力学行为与渗透特性的研究较少。保护层开采在低渗透高瓦斯近距离煤层中得到广泛应用，研究保护层开采下煤岩强扰动力学行为与渗透特性为进一步更好的解决近距离煤层共采问题具有重要意义。笔者结合相似模拟实验和被保护煤层受力分析，研究保护层和被保护层开采扰动过程中被保护层煤层的受力演化过程，提出保护层开采方式下室内试验中被保护层煤层应力加载路径，并依据被保护层煤层应力加载路径，设计采动耦合应力路径下的煤样渗流实验，研究保护层开采下煤岩强扰动力学行为与渗透特性。
试验工作面煤层为平煤集团十二矿己14煤层和己15煤层，埋深为1 000～1 100 m，煤层间距12～16 m，选取己14-31050和己15-31030工作面。煤层开采过程中，先开采上保护层己14-31050采煤工作面，然后开采被保护层己15-31030采煤工作面。上保护层己14煤层顶板为砂质泥岩，基本顶为细砂岩。被保护层己15煤层顶板为泥岩和泥质砂岩，基本顶为细砂岩。
以平煤十二矿上保护层己14煤层工作面己14-31010和被保护层己15煤层工作面己15-31030为工作背景，进行二维相似模拟试验。结合现场地质条件和相似模拟试验理论，开展沿走向的相似模拟试验。二维相似模拟试验台几何尺寸1.8 m(长)×1.2 m(高)×0.16 m(宽)。根据相似材料模拟理论，模拟试验应满足:几何相似、运动相似、动力相似、边界条件相似、对应的物理量成比例[18-21]。因此模型线性比取1∶100，密度比取3∶5，应力比取3∶500，试验模型如图1所示。
表1 岩层物理力学性质参数
Table 1 Mechanical properties of rock strata
序号岩性厚度/m模拟厚度/cm真实抗压强度/MPa模拟抗压强度/MPa1己15煤层3.23.27.310.043 862泥岩2.05.222.000.132 003砂质泥岩5.010.227.300.163 804细砂岩2.512.790.000.540 005砂质泥岩6.519.227.300.163 806己14下煤层0.219.47.310.043 867砂质泥岩3.022.427.300.163 808己14上煤层1.223.67.310.043 869砂质泥岩6.029.627.300.163 8010细砂岩9.639.290.000.540 0011灰砂岩7.646.820.000.120 0012细砂岩18.064.890.000.540 0013泥岩91.0155.822.000.132 00
图1 相似材料模拟试验模型
Fig.1 Experimental model of the similar material simulation test
在被保护层铺设压力传感器和安置变形监测点，实时监测煤层压力和岩层变形。选取1-4，1-5和1-9号压力传感器压力变化曲线，如图2所示。
图2 采动应力随工作面推进变化曲线
Fig.2 Curves of mining stress change with working face advance
由图2(a),(b)可知，当上保护层开采到压力传感器前方10～20 m的时候，压力开始增加，当工作面开采到压力传感器正上方时，压力值达到峰值，当工作面开采过去开始快速卸压。然后随着上覆岩层的逐步压实，被保护层压力逐渐升上去，采空区经过24 h的静放压实后，被保护层的压力重新稳定，但稳定后的压力近似恢复到原岩应力状态。
由图2(c)可知，当上保护层开采过程中，被保护层处于上保护层煤层开切眼下方的煤层压力会随工作面推进，压力逐渐增大，直至工作面开采完成，压力达到峰值。当被保护层开采过程中，压力会有一定降低。
从上述可知，在上保护层开采过程中，被保护层煤层压力先增大后减小，采空区压实稳定后，应力状态近似恢复到原岩应力状态。当上保护层开采过后，距离己14煤层开切眼附近的被保护层压力达到峰值，采空区压实稳定后，应力维持在峰值状态。
千米深矿井开采过程中，岩层移动并未能波及地表，采空区的支承压力恢复不到自重应力。根据关键层的板结构特征和采空区卸载空间的边界条件，在没有断层构造条件下，底板岩层结构模型便简化为在均布载荷和侧压下四周固支的矩形薄板[21]，如图3所示。上保护层煤层开采过后，被保护层煤层处于上保护层煤层开采底板岩层中，受力与图3中煤层开采底板岩层载荷特征类似。对图3中被保护层煤层载荷特征及边界条件进行简化，简化成如图4(a)所示，再次简化如图4(b)所示。
图3 煤层开采底板岩层载荷特征[22]
Fig.3 Load of floor strata in coal seam mining[22]
图4 煤层受力简化
Fig.4 Simplified diagram of the stress state in coal seam
对图4(b)所示的力学模型进行分析，假设中点处的挠度变形为y。
由任意点处力矩平衡可知
(1)
式中，N为煤层水平方向受力;l为煤层长度;q为煤层底部受到的均布荷载;I为煤层横截面惯性矩;E为弹性模量。
令:
(2)
式(2)代入式(1)可得
(3)
解偏微分方程(3)可得
(4)
中点处即x=l/2处挠度最大:
(5)
构件中点弯矩Mmid:
(6)
构件中间截面上的应力分布:
(7)
式中，A为煤层横截面面积;h为煤层厚度;σN为原岩应力状态下的应力;σM为弯矩产生的应力。
式(5),(6)代入式(7)可以得到
(8)
从式(8)可以得到煤层变形后的应力状态。煤层变形后，煤层上部分膨胀变形，应力小于原岩应力;下部分煤层压缩，应力大于原岩应力。
根据以上论述，提出保护层开采扰动下被保护层煤体的应力路径(图5)。OA段为静水压力加载阶段，A点处于静水压力状态;AB段为上保护层开采过程中的采动增压过程，B点为压力峰值。BC段为上保护层开采过后采动卸压阶段，BC1路径卸载到应力状态小于原岩应力状态，BC2路径卸载到应力状态大于原岩应力状态。CD为被保护层开采过程中的第一卸载阶段，DE为第二卸载阶段。
图5 保护层开采应力加载路径
Fig.5 Stress loading path of protected coal seam mining
根据图5保护层开采应力加载路径设计室内试验，试验的煤样取自平煤十二矿己15-31030工作面，密度为1.4～1.6 g/cm3，采用美国MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统(图6)进行三轴压缩渗流试验。试验过程由MTS815配套程序编程控制。根据《GB/T 23561.9—2009煤和岩石物理力学性质测定方法》的规定将试件加工成标准尺寸φ50 mm×100 mm，直径允许偏差小于0.2 mm，两端面的不平整度允许偏差小于0.05 mm，端面与轴线的垂直偏差不超过±0.25°。
图6 MTS 815 Flex Test GT岩石力学试验系统
Fig.6 MTS 815 Flex Test GT rock mechanics testing system
渗透率测试采用瞬态压力脉冲法进行，使用蒸馏水作为渗透介质，渗透率测量穿插在三轴试验过程中。试验开始前，先将煤样进行负压水饱和12 h以上。具体试验条件见表2。煤体渗透率根据式(9)进行计算[23]。
表2 试验参数
Table 2 Experimental parameters
组别应力加卸载路径编号C点静水压力/MPa水压/MPa1353.0MO-A-B-C2-D2-E22351.53354.51201.5NO-A-B-C1-D1-E12203.03204.5
(9)
式中，k为渗透率，m2;μ为流体的黏滞系数(水温20 ℃时，取值1.011 mPa·s);β为流体的压缩系数，4.53×10-10 Pa-1;V为稳压容器的基准体积，m3;Pi，Pf分别为上下部容器在初始时刻ti和最终时刻tf所对应的压差，MPa;t为渗透率测试持续时间,s，即t=tf-ti;Ls为圆柱形试样高度m;As为圆柱形试样横截面面积，m2。
由1.3节可知，上保护层开采阶段(即ABC段)，被保护层受压变形，形成拱形结构，煤层上部应力状态小于原岩应力状态，下部应力状态大于原岩应力状态。相对原岩应力状态，被保护层煤层上部膨胀，煤层下部压缩。从图7中的应力应变曲线可知，经历上保护层开采重新稳定压实后(即ABC段)，M组C点处的静水压力为35 MPa，N组C点处的静水压力为20 MPa。在C点处，M1和M3的体积应变相对A点变大，即相对A点体积压缩;N2和N3则相反，相对A点体积膨胀。与1.3节中理论相符。
图7 煤样应力应变曲线
Fig.7 Stress-strain curves of coal sample
由图7可知，在被保护层开采阶段CDE段，与常规三轴试验相比，M组中的M1，M2试样和N组试样的扩容点明显提前，其中N组试样出现直接进入扩容阶段。
从图7可知，M组煤样的破坏强度明显大于N组煤样的破坏强度。
从图8可知，上保护层开采阶段(ABC段)，B点的开采扰动应力值越大，被保护层开采阶段(CDE阶段)，E点的破坏应力峰值越大。B点开采扰动应力和E点破坏应力峰值用线性拟合。
M组拟合方程:
y=-149.15+2.063 02x(R2=0.887 7)
(10)
N组拟合方程:
y=26.598 4+0.111 59x(R2=0.996 8)
(11)
从而可知E点破坏应力峰值和B点开采扰动应力近似呈线性关系。M组煤样的破坏强度明显大于N组煤样的破坏强度，即煤层上部分先破坏，煤层下部分后破坏。
上保护层开采阶段(ABC段)，被保护层煤层受上保护层开采扰动影响。AB段煤体从弹性阶段进入塑形阶段，由图9可知，煤体体积应变逐渐变大。B点煤体体积应变相对A点变大，即相对A点煤体体积压缩，B点渗透率相对A点明显下降。BC阶段煤体应力释放，由图9可知，煤体体积应变相对B点减小，即相对B点煤体体积膨胀，渗透率相对B点增大。
被保护层开采阶段(CDE段)，工作面前方煤体应力状态改变，轴向应力升高，围压降低。由图9可知，在这个过程中，M组煤样的渗透率逐渐增大;N组煤样渗透率曲线呈现“W”型曲线，即渗透率先减后增，再减再增。
上保护层开采阶段(ABC段)，由于工作面临近时，AB段轴向应力和围压增加，由图9可知，被保护层煤体压缩，体积减小，渗透率降低。BC段M组煤样围压增大、轴压减小、体积膨胀，M1和M2渗透率先增大后减小，C点处渗透率明显大于B点处而小于A点处;N组煤样围压减小、轴压减小、体积膨胀，渗透率逐步增加，C点处渗透率均明显大于A点和B点处渗透率。
图8 扰动应力-峰值点的轴压和围压
Fig.8 Disturbance axial pressure and stress-confining pressure at peak point
M组试验过程中的扰动偏应力分别为69.7，67.5，73.2 MPa，水压力分别为3.0，1.5，4.5 MPa。从图10(a)可知，试验过程中相同应力环境下，水压越大，煤体的体积应变越大。
N组试验过程中的扰动偏应力分别为95.2，59.5，68.7 MPa，水压力分别为1.5，3.0，4.5 MPa。从图10(b)可知，N1的体积应变明显大于N2的体积应变。试验过程中N1煤样的扰动应力为95.2 MPa，而N2煤样的59.5 MPa。N1的扰动应力是N2的1.6倍，由于扰动应力的作用，导致N1煤样试验过程中的体积应变增大。因此得出相同试验条件下，扰动应力越大，煤体体积应变越大。
图9 偏应力-体应变-渗透率曲线
Fig.9 Curves of deviation stress-volume strain-permeability
CDE阶段，虽然经历ABC阶段扰动应力作用，煤样已经进入塑性阶段。但是M组C点处的静水压力为35 MPa，N组C点处的静水压力为20 MPa，故而M组煤样C点处的渗透率小于A点的渗透率，N组煤样C点处的渗透率大于A点的渗透率。
图10 CDE阶段偏应力-体积应变曲线
Fig.10 Curves of deviation stress-volume strain of CDE stage
试验过程中，M组煤样的轴压增大，围压减小，渗透率逐渐增大，此时围压对渗透率的影响大于轴压的影响作用;N组煤样的轴压增大，围压减小，但渗透率曲线呈现“W”型，即渗透率先减小后增大再减小再增大，此时轴压围压交替对渗透率产生主要影响。被保护层经历上保护层开采扰动变形后，煤层上下部分所处的应力环境不一样，即M组C点处的静水压力为35 MPa，N组C点处的静水压力为20 MPa，从而煤体渗透率并不呈现单一变化趋势。
图11 CDE阶段偏应力-渗透率曲线
Fig.11 Curves of deviation stress-permeability of CDE stage
如图11所示，峰值前M组煤样中，M3煤样的扰动应力最大，煤样破坏前的渗透率也普遍大于另外2个煤样;峰值前N组煤样中，N1煤样的扰动应力最大，煤样破坏前的渗透率也普遍大于另外2个煤样。
(1)通过相似材料模拟试验和被保护煤层受力分析可知,上保护层开采扰动过程中，煤层压力经历先增大后减小，采空区重新压实稳定后，被保护层煤层变形，煤层上部分膨胀变形，应力小于原岩应力;下部分煤层压缩，应力大于原岩应力。结合相似模拟试验和被保护煤层受力分析，获得保护层开采扰动下被保护层煤体的应力路径。
(2)上保护层开采扰动过程中，相同试验条件下，被保护层煤体可承受的上保护层开采扰动应力越大，被保护层煤体开采过程中的破坏应力峰值越大，体积应变越大。
(3)经过保护层开采扰动后，被保护层开采过程中(CDE段)，煤样应力应变曲线与常规三轴试验相比，扩容点出现位置明显提前。上保护层开采扰动(ABC段)使得被保护层的煤体状态从弹性态变到塑性态。
(4)经过保护层开采扰动后，被保护层煤层渗透率并不呈现单一变化趋势。M组煤样围压为35 MPa，被保护层开采过程中围压对渗透率的影响大于轴压的影响;N组煤样围压20 MPa，被保护层开采过程中围压、轴压交替对渗透率产生主要影响，渗透率曲线呈现“W”型。两组试验中，扰动应力最大的试样破坏前的渗透率普遍大于其他试样的渗透率。
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