動(dòng)載荷作用下構(gòu)造煤體動(dòng)力響應(yīng)特性研究

李 峰，張亞光，劉建榮，劉丹龍

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

1 引 言

引起煤和瓦斯突出的地質(zhì)因素主要有埋藏深度、圍巖透氣性、構(gòu)造復(fù)雜性、構(gòu)造煤發(fā)育程度等[1－2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤與瓦斯突出事故絕大部分發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，構(gòu)造煤發(fā)育是突出事故發(fā)生的必要條件之一[3]。郭德勇等[4]結(jié)合平頂山礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育規(guī)律得出極易發(fā)生突出的4 類地質(zhì)構(gòu)造類型。程軍等[5]研究了構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)煤與瓦斯突出的影響。高魁等[6]指出地質(zhì)構(gòu)造斷層附近存在明顯的構(gòu)造應(yīng)力異常區(qū)并與由后期開挖導(dǎo)致的應(yīng)力集中相互疊加，有利于形成自構(gòu)造軟煤向周圍煤層深部擴(kuò)展的大型突出。韓軍等[7]認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的多期演化對(duì)局部構(gòu)造應(yīng)力、構(gòu)造煤和瓦斯賦存的分布具有重要影響。王志榮等[8]研究滑動(dòng)構(gòu)造對(duì)煤與瓦斯突出的控制，指出滑動(dòng)構(gòu)造前緣擠壓帶是突出的危險(xiǎn)區(qū)域。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于動(dòng)載荷作用下應(yīng)力波的傳播及加、卸載波的相互作用進(jìn)行了初步研究。宋林[9]模擬了一維應(yīng)力波在單個(gè)和多個(gè)平行節(jié)理巖體中的傳播規(guī)律。褚懷保等[10]研究得出在爆炸應(yīng)力波作用下，煤體首先承受壓應(yīng)力，而后承受拉應(yīng)力。常未斌等[11]研究指出掘進(jìn)工作面前方存在構(gòu)造帶時(shí)，爆炸應(yīng)力波傳至構(gòu)造帶分界面時(shí)的反射加強(qiáng)作用會(huì)產(chǎn)生拉伸破壞。金洪偉等[12]指出煤與瓦斯突出中層裂現(xiàn)象的產(chǎn)生受到卸載波反射疊加的影響，瓦斯壓力的間斷性釋放又會(huì)產(chǎn)生向深部傳播的卸載波。陳鎣等[13]通過相似模擬試驗(yàn)得出，爆炸應(yīng)力波作用下煤巷的破壞形式表現(xiàn)為首先巷道頂板附近區(qū)域出現(xiàn)裂縫，屬于拉剪破壞。王觀石等[14]指出應(yīng)力波在巖體中傳播是一個(gè)傳播和塊體響應(yīng)的過程，結(jié)構(gòu)面的存在影響了應(yīng)力波傳播和響應(yīng)。楊風(fēng)威等[15]模擬分析了斜入射線彈性節(jié)理應(yīng)力波傳播特征。祝啟虎[16]指出爆炸荷載及地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷所產(chǎn)生的拉應(yīng)力對(duì)煤體損傷具有重要作用。

綜上所述，礦井實(shí)際生產(chǎn)過程中，煤體動(dòng)態(tài)損傷與動(dòng)載荷作用下應(yīng)力傳播以及加、卸載波的相互作用有著十分密切的關(guān)系。文章以掘進(jìn)巷道前方分布的塑性煤體、彈性煤體、構(gòu)造煤體與原始煤體的組合煤體為研究對(duì)象，研究動(dòng)載荷作用下應(yīng)力波的傳播過程及煤體損傷機(jī)制，研究分析構(gòu)造煤體的動(dòng)力響應(yīng)特性，對(duì)于礦井煤巖動(dòng)力災(zāi)害的防治具有重要意義。

2 掘進(jìn)巷道構(gòu)造煤體區(qū)域分布特性

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于靜態(tài)載荷下煤體的力學(xué)性質(zhì)、滲流變化規(guī)律、損傷規(guī)律做了大量研究。尹光志等[17]通過試驗(yàn)研究，得出應(yīng)變-瓦斯流動(dòng)速度曲線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)具有相似性，且表現(xiàn)為少許滯后于應(yīng)變的特點(diǎn)，這表明煤巖受載過程中的損傷演化決定著瓦斯在其內(nèi)的流動(dòng)特性。

若掘進(jìn)工作面前方存在地質(zhì)構(gòu)造（如斷層、向斜、背斜、褶皺等），則工作面前方煤體可認(rèn)為由塑性煤體、彈性煤體、構(gòu)造煤體與原始煤體組成；由于受采掘影響與地質(zhì)構(gòu)造作用，掘進(jìn)工作面前方煤體中地應(yīng)力、瓦斯壓力與滲透性會(huì)呈現(xiàn)明顯的區(qū)域分布，如圖1 所示。

（1）煤體地應(yīng)力σ 區(qū)域分布：塑性煤體A 區(qū)包含卸壓區(qū)與應(yīng)力集中區(qū)，彈性煤體B 區(qū)包含應(yīng)力集中區(qū)與原巖應(yīng)力區(qū)，構(gòu)造煤體C 區(qū)包含應(yīng)力集中區(qū)與卸壓區(qū)，原始煤體D 區(qū)包含應(yīng)力集中區(qū)與原巖應(yīng)力區(qū)。

（2）煤體滲透率K 區(qū)域分布與地應(yīng)力σ 分布有著明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系：掘進(jìn)工作面前方煤體的滲透性呈現(xiàn)減小—增大—減小—穩(wěn)定變化趨勢(shì)。

（3）煤體瓦斯壓力P 分布與地應(yīng)力σ 分布、煤體滲透性K 分布有著明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系：掘進(jìn)工作面前方煤體的瓦斯壓力呈現(xiàn)增大—減小—增大—穩(wěn)定變化趨勢(shì)。

圖1 掘進(jìn)工作面前方煤體地應(yīng)力、瓦斯壓力與滲透性分區(qū)示意圖Fig.1 Distribution of ground stress,gas pressure and permeability of coal in front of the tunneling faces

3 加、卸載應(yīng)力波傳播與作用過程

掘進(jìn)工作面前方卸壓區(qū)域煤體損傷較為嚴(yán)重，應(yīng)力承載作用相對(duì)較弱，在本文的研究計(jì)算過程中不考慮卸壓區(qū)域，剔除塑性煤體中卸壓部分形成A區(qū)。

由于掘進(jìn)工作面前方彈、塑性界面兩側(cè)煤體的波阻抗不相等，而且塑性煤體與構(gòu)造煤體的波阻抗小于彈性煤體與原始煤體的波阻抗，因此，當(dāng)加、卸載應(yīng)力波傳播至分界面時(shí)會(huì)發(fā)生透射與反射，而且相對(duì)于入射波而言，反射波與透射波會(huì)產(chǎn)生加強(qiáng)的加載或卸載效應(yīng)。隨著時(shí)間推移，動(dòng)載荷作用下煤體中加、卸載應(yīng)力波的傳播與相互作用過程如圖2 所示。

為研究分析動(dòng)載荷作用下構(gòu)造煤體的動(dòng)力響應(yīng)特性，作出以下假設(shè)：

（1）塑性煤體區(qū)域A 區(qū)的平均波速為CA，彈性煤體區(qū)域B 區(qū)平均波速為CB，構(gòu)造煤體區(qū)域C區(qū)平均波速為CC，原始煤體區(qū)域D 區(qū)平均波速為CD；

圖2 彈塑性煤體中應(yīng)力波傳播與作用過程Fig.2 The process of stress wave propagation and interaction in elastic and plastic coal

（2）不同類型煤體分界面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分布遵循連續(xù)性準(zhǔn)則，即在某一界面兩側(cè)的質(zhì)點(diǎn)速度與應(yīng)力方向相同、大小相等；

（3）A 區(qū)煤壁受到垂直動(dòng)載荷沖擊σ′作用，近似為矩形波作用，作用時(shí)間為t1；

（4）A 區(qū)塑性煤體峰后應(yīng)變軟化的屈服應(yīng)力為YH'，對(duì)應(yīng)煤體質(zhì)點(diǎn)的速度為vy'；B 區(qū)彈性煤體屈服應(yīng)力為YH，對(duì)應(yīng)煤體質(zhì)點(diǎn)的速度為vy；

（5）掘進(jìn)工作面前方塑性煤體、彈性煤體、構(gòu)造煤體與原始煤體的分界面分別為X1、X2、X3，分界面兩側(cè)煤體的密度相等，均為ρ0；

（6）壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正。

由圖2 可得，1、2、3、4 區(qū)為恒值區(qū)（未受影響區(qū)域），其煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分別為

當(dāng)t=t0時(shí)，A 區(qū)塑性煤體煤壁承載動(dòng)載荷沖擊沖擊作用σ′（壓應(yīng)力），假設(shè)應(yīng)力σ′

基于應(yīng)力波反射與透射規(guī)律可得：當(dāng)右行的壓縮應(yīng)力波傳播至分界面X1時(shí)，將發(fā)生透射與反射，形成加強(qiáng)的壓縮波。假設(shè)透射波應(yīng)力值 σ6＜YH=?ρ0CBvy，則6 區(qū)、6′區(qū)煤體在反射波、透射波作用后未發(fā)生屈服，對(duì)應(yīng)區(qū)域6 區(qū)、6′區(qū)的煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分別為

基于連續(xù)性準(zhǔn)則可知，應(yīng)力波在某一分界面兩側(cè)經(jīng)過反射與透射后，煤體質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)力與速度分布均是連續(xù)的，應(yīng)力、速度的方向相同、大小相等。

聯(lián)立式（1）、（2）可得

當(dāng)t=t1時(shí)，A 區(qū)域塑性煤體的煤壁邊界開始卸載，煤體邊界的壓應(yīng)力瞬間卸載至0，對(duì)應(yīng)7 區(qū)為塑性卸載區(qū)，7 區(qū)煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分別為

聯(lián)立式（2）可得

當(dāng)t=t2時(shí)，7 區(qū)的卸載應(yīng)力波與6 區(qū)反射產(chǎn)生的加強(qiáng)壓縮波相遇并相互作用，對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)? 區(qū)，其煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分別為

聯(lián)立式（5）、（7）可得

8 區(qū)的左行加載壓縮波傳播至A 區(qū)煤壁自由反射后轉(zhuǎn)變成卸載波，煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力卸載至0，對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)? 區(qū)，其煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分別為

聯(lián)立式（8）可得

8 區(qū)的右行塑性波為卸載波，傳播至分界面X1時(shí)，發(fā)生透射與反射。反射應(yīng)力波的卸載作用會(huì)相對(duì)加強(qiáng)，形成加強(qiáng)的卸載應(yīng)力波，對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)?0、10′區(qū)，其煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分別為

基于質(zhì)點(diǎn)連續(xù)性準(zhǔn)則，聯(lián)立式（5）、（9）可得

當(dāng)t=t4時(shí)，9 區(qū)的塑性卸載波與10 區(qū)塑性卸載波相遇并相互作用，致使煤體卸載效應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)，對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)?1 區(qū)，其煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分別為

5 區(qū)域塑性加載壓縮應(yīng)力波傳播至分界面X1時(shí)，發(fā)生透射，假設(shè)透射波應(yīng)力值σ6′＜YH=?ρ0CBvy，透射波作用后彈性煤體未發(fā)生屈服，因此B 區(qū)煤體中傳播加強(qiáng)的彈性壓縮波，在分界面X2發(fā)生反射與透射，形成卸載應(yīng)力波，對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)?3 區(qū)、13′區(qū)，其煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分別為

基于質(zhì)點(diǎn)連續(xù)性準(zhǔn)則，可得

聯(lián)立式（1）、（5）可得

當(dāng)t=t3時(shí)，13 區(qū)的反射彈性卸載波與10′區(qū)透射卸載波相遇并相互作用，致使煤體卸壓，對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)?4 區(qū)，其煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分別為

聯(lián)立式（13）、（18）可得

14 區(qū)右行卸載波傳播至分界面X2發(fā)生反射與透射，形成卸載波，對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)?5 區(qū)、15′區(qū)，其煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分別為

基于質(zhì)點(diǎn)連續(xù)性準(zhǔn)則，可得

聯(lián)立式（18）、（20）可得

11 區(qū)煤體中的右行加載拉應(yīng)力波傳播至分界面X1發(fā)生反射與透射，加載作用相對(duì)加強(qiáng)，會(huì)形成加強(qiáng)的拉應(yīng)力波，對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)?6 區(qū)、16′區(qū)，其應(yīng)力與質(zhì)點(diǎn)速度分別為

基于質(zhì)點(diǎn)的連續(xù)性準(zhǔn)則可得

聯(lián)立式（15）、（20）可得

當(dāng)t=t5時(shí)，16′區(qū)加強(qiáng)的拉應(yīng)力波與15 區(qū)彈性卸載波相遇并相互作用形成17 區(qū)，致使拉應(yīng)力卸載，其煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分別為

聯(lián)立式（23）、（26）可得

基于牛頓第三定律、應(yīng)力波的透射與反射定律及質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力、速度分布連續(xù)性準(zhǔn)則[18]可計(jì)算得出構(gòu)造煤體區(qū)域應(yīng)力波傳播過程中各區(qū)域煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度。

18、18′區(qū)煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分別為

聯(lián)立式（1）、（18）可得

當(dāng)t=t6時(shí)，15′區(qū)透射卸載波與18 區(qū)反射加載波相互作用形成19 區(qū)，其煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分別為

聯(lián)立式（23）、（32）可得

19 區(qū)左行壓縮波在分界面X2發(fā)生反射與透射形成20 區(qū)、20′區(qū)，產(chǎn)生加強(qiáng)的壓縮波，其煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分別為

基于煤體質(zhì)點(diǎn)連續(xù)性準(zhǔn)則可得

聯(lián)立式（28）、（35）可得

19 區(qū)右行卸載波在分界面X3發(fā)生反射與透射形成21 區(qū)、21′區(qū)，產(chǎn)生加強(qiáng)卸載波，其煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分別為

聯(lián)立式（32）、（35）可得

當(dāng)t=t7時(shí)，21 區(qū)卸載波與20 區(qū)右行壓波相互作用形成22 區(qū)，其煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力與速度分別為

聯(lián)立式（39）、（43）可得

具體分析可得：在動(dòng)載荷沖擊作用下，11 區(qū)、14 區(qū)、16 區(qū)、17 區(qū)與22 區(qū)的煤體易產(chǎn)生拉應(yīng)力，其他區(qū)域煤體仍然以承載壓應(yīng)力為主。

由于7 區(qū)卸載波與6 區(qū)的反射加載壓應(yīng)力波相互作用形成8 區(qū)，產(chǎn)生左行加載壓縮波與右行壓縮卸載波，分別經(jīng)煤壁X0自由反射與分界面X1反射，形成了自由反射的卸載波（9 區(qū)）與加強(qiáng)卸載波（10區(qū)），兩束卸載波相互作用形成拉應(yīng)力區(qū)域（11 區(qū)），其右行拉應(yīng)力波在分界面X1發(fā)生反射、透射形成加強(qiáng)的拉應(yīng)力波（16 區(qū)）。

由于C 區(qū)域構(gòu)造煤體的存在，在動(dòng)載荷的加、卸載過程中，B 區(qū)域煤體中傳播的初始加載應(yīng)力波（6′區(qū)）會(huì)在分界面X2處反射形成卸載應(yīng)力波（13區(qū)），與分界面X1處的透射卸載應(yīng)力波相互作用產(chǎn)生拉應(yīng)力（14 區(qū)），形成右行卸載波與左行加載波。

由于14 區(qū)右行卸載波在分界面X2發(fā)生反射、透射形成加載波（15 區(qū)），與11 區(qū)右行拉應(yīng)力波在分界面X1發(fā)生透射形成加強(qiáng)的拉應(yīng)力波（16′區(qū)）相互作用形成拉應(yīng)力區(qū)（17 區(qū)）。

22 區(qū)拉應(yīng)力的形成與11 區(qū)的拉應(yīng)力形成過程相似：由于C 區(qū)域煤體中傳播的初始?jí)嚎s應(yīng)力波（13′區(qū)）會(huì)在分界面X3處反射形成加載壓縮應(yīng)力波（18 區(qū)），與14 區(qū)右行卸載波在分界面X2處透射形成卸載應(yīng)力波（15′區(qū)）相互作用形成19 區(qū)，產(chǎn)生左行壓縮加載波與右行壓縮卸載波；分別經(jīng)分界面X2反射與分界面X3反射，形成了反射的加強(qiáng)壓縮波（20 區(qū)）與加強(qiáng)卸載波（21 區(qū)），當(dāng)分界面X1、X2、X3處兩側(cè)的波速差值達(dá)到一定程度時(shí)，兩束應(yīng)力波相互作用會(huì)形成拉應(yīng)力區(qū)域（22 區(qū)）。

基于式（1）～（46）與各區(qū)域拉應(yīng)力的形成過程的分析可得：①11 區(qū)、14 區(qū)、16 區(qū)、17 區(qū)與22區(qū)中能產(chǎn)生較大拉應(yīng)力區(qū)域?yàn)?1 區(qū)、14 區(qū)、16 區(qū)，而17 區(qū)與22 區(qū)中產(chǎn)生的拉應(yīng)力相對(duì)較?。虎?由于構(gòu)造煤體C 區(qū)域的存在，在動(dòng)載荷的加、卸載過程中，B 區(qū)域煤體中傳播的應(yīng)力波會(huì)在分界面X2處形成反射應(yīng)力波，與分界面X1處透射的卸載應(yīng)力波相互作用會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力；③主要的拉應(yīng)力產(chǎn)生區(qū)域集中在A、B 兩區(qū)的煤體中；相比較而言，A、B 兩區(qū)的煤體所受動(dòng)載荷沖擊作用較為明顯，而C、D兩區(qū)煤體承載的動(dòng)載荷沖擊作用較小，煤體中拉應(yīng)力產(chǎn)生的原因與卸載波的作用緊密相關(guān)；④ 煤體在拉應(yīng)力與地應(yīng)力的綜合作用下易發(fā)生拉剪破壞。

4 實(shí)例分析

安豐華[19]在山西大寧煤礦采集了3#煤層的原煤煤塊，運(yùn)至試驗(yàn)室后切割成φ 50 mm×100 mm 標(biāo)準(zhǔn)試件后進(jìn)行了全應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究，進(jìn)行了試件加載試驗(yàn)中的塑性流動(dòng)階段與卸載試驗(yàn)，分析了煤樣試件的力學(xué)特性，如圖3 所示。

圖3 煤體試件全應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Complete stress-strain curve of coal sample

大量對(duì)煤體力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)表明，原煤表現(xiàn)為彈脆塑性，峰后應(yīng)變軟化行為明顯，煤體在漸進(jìn)破壞過程中大致經(jīng)歷4 個(gè)階段：①煤樣試件在加載初始階段煤體近似于線彈性；② 隨荷載增加，到屈服點(diǎn)YH時(shí)煤體發(fā)生屈服，至峰值應(yīng)力σ 之前應(yīng)力-應(yīng)變曲線偏離彈性行為，煤體的屈服階段相對(duì)于前期彈性行為范圍較小，在進(jìn)行材料模型的化簡(jiǎn)時(shí)可將此階段視為彈性材料；③在達(dá)到峰值應(yīng)力之后，煤體應(yīng)力隨應(yīng)變迅速下降，表現(xiàn)為峰后應(yīng)變軟化特性；④ 在應(yīng)變軟化行為結(jié)束之后，煤體到達(dá)塑性流動(dòng)階段。

由圖3 可知，煤體卸載后載重新加載過程基本呈線彈性狀態(tài)，直至達(dá)到卸載時(shí)的應(yīng)力YH′時(shí)再次發(fā)生屈服。

提取圖3 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算處理，擬合煤樣試件軸向應(yīng)力差-軸向應(yīng)變的線性關(guān)系，所得結(jié)果如圖4 所示。

圖4 煤樣軸向應(yīng)力-應(yīng)變擬合曲線Fig.4 Axial stress-strain curves of coal samples

假設(shè)煤體承載加、卸載應(yīng)力過程中密度保持不變，取 ρ0=1.4 g/cm3；結(jié)合圖4 的線性擬合結(jié)果，計(jì)算可得彈性煤體、峰后軟化煤體與峰前塑性煤體的波速分別為：1 754、1 320、926 m/s。由圖3 可知，峰后軟化煤體的壓應(yīng)力屈服極限高于20 MPa；取作用A 區(qū)域煤壁壓應(yīng)力動(dòng)載荷強(qiáng)度σ′=?20 MPa。因此，為方便數(shù)據(jù)處理，可取塑性煤體A 區(qū)域中應(yīng)力波傳播的平均波速 CA=1 320 m/s，彈性煤體B區(qū)域與原始煤體 D 區(qū)域中應(yīng)力波傳播的波速CB=CD=1 754 m/s，構(gòu)造煤體C 區(qū)域中應(yīng)力波的傳播速度為 CC=926 m/s。

由式（1）～（46）計(jì)算可得，加、卸載應(yīng)力波在彈塑性組合煤體中的傳播與作用過程中各區(qū)煤體質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)力值與速度大小，具體計(jì)算結(jié)果見表1，各區(qū)域質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力-速度分布如圖5 所示。

由表1 與圖5 可得

（1）在動(dòng)載荷擾動(dòng)下，加、卸載應(yīng)力波在煤體中傳播與相互作用過程中，形成的較大拉應(yīng)力區(qū)為16 區(qū)（9.27 MPa）與14 區(qū)（7.05 MPa），其次是11區(qū)（2.82 MPa）與17 區(qū)（2.23 MPa），較小的拉應(yīng)力區(qū)域?yàn)?2 區(qū)（0.03 MPa）。

表1 各區(qū)域煤體質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)力與速度Table 1 Values of particle stress and velocity of coal in each region

（2）加、卸載應(yīng)力波作用過程中，煤體中各區(qū)域拉應(yīng)力的形成均與卸載應(yīng)力波的作用密切相關(guān)。

（3）較大的拉應(yīng)力區(qū)域集中在A、B 兩區(qū)的煤體中，構(gòu)造煤體C 區(qū)、原始煤體D 區(qū)的煤體承載的拉應(yīng)力較小。

（4）由于煤體的抗拉強(qiáng)度較弱，在拉應(yīng)力與地應(yīng)力的的綜合作用下，煤體易發(fā)生拉剪破壞。

（5）動(dòng)載荷作用下，煤體較易發(fā)生損傷的區(qū)域主要集中在塑性煤體與彈性煤體的分界面X1處以及A、B 兩區(qū)的煤體中。

圖5 各區(qū)域煤體質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力-速度分布Fig.5 Distribution of particle stress and velocity of coal in each region

5 理論探討

掘進(jìn)工作面前方存在地質(zhì)構(gòu)造（如斷層，向斜、背斜、褶皺等），則工作面前方煤體可認(rèn)為由塑性煤體、彈性煤體、構(gòu)造煤體與原始煤體組成；塑性煤體、構(gòu)造煤體均由于地應(yīng)力的作用具有一定程度的損傷量，其波阻抗均明顯小于彈性煤體與原始煤體；動(dòng)載荷作用下，加、卸載應(yīng)力波會(huì)在煤體分界面（X1、X2、X3）發(fā)生反射與透射，在煤壁（X0）發(fā)生自由反射形成應(yīng)力波，在卸載波的作用下有可能在煤體中某個(gè)區(qū)域形成拉應(yīng)力區(qū)，且當(dāng)右行拉應(yīng)力波傳播至分界面X1、X3處發(fā)生反射與透射易形成加強(qiáng)的拉應(yīng)力波，當(dāng)左行拉應(yīng)力波傳播至分界面X2處發(fā)生反射與透射也易形成加強(qiáng)的拉應(yīng)力波；主要的拉應(yīng)力區(qū)域集中在A、B 兩區(qū)的煤體中，因此，最大拉應(yīng)力主要集中分布在分界面X1處及其附近區(qū)域，導(dǎo)致此區(qū)域煤體發(fā)生損傷；動(dòng)載荷作用過程中，構(gòu)造煤體C 區(qū)、原始煤體D 區(qū)的煤體承載的拉應(yīng)力較小，所受影響較小，但是由于構(gòu)造煤體C 區(qū)的存在，B區(qū)域煤體中傳播的應(yīng)力波會(huì)在分界面X2處形成反射應(yīng)力波，與分界面X1處透射的卸載應(yīng)力波作用產(chǎn)生拉應(yīng)力，B 區(qū)某部分彈性煤體發(fā)生急劇損傷；由于的煤體抗拉強(qiáng)度較小，加、卸載應(yīng)力波傳播過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力易致使煤體加速損傷，在地應(yīng)力的綜合作用下易發(fā)生拉剪破壞。

突出煤體中瓦斯膨脹釋放的能量一般明顯高于圍巖的勢(shì)能，大約相差1～3 個(gè)數(shù)量級(jí)（10～103）；苗法田等[20]根據(jù)煤與瓦斯突出過程中煤-瓦斯兩相流運(yùn)動(dòng)參數(shù)的研究成果，對(duì)不同流動(dòng)狀態(tài)下沖擊波的形成機(jī)制進(jìn)行了分析，指出瓦斯急劇膨脹能釋放較大能量，在巷道中可形成高能量的沖擊波。掘進(jìn)工作面前方塑性煤體與彈性煤體的分界面X1及附近區(qū)域、彈性煤體均處于瓦斯壓力大、地應(yīng)力集中、煤層滲透率較低狀態(tài)；在動(dòng)載荷作用時(shí)，加、卸載應(yīng)力波的相互作用易在分界面X1及其附近區(qū)域、彈性煤體的某些區(qū)域中形成拉應(yīng)力較大的區(qū)域，極易導(dǎo)致此區(qū)域煤體發(fā)生急劇損傷，致使煤體中瓦斯解吸速度急劇增加、瓦斯壓力急劇上升并膨脹釋放較大的能量，從而導(dǎo)致突出事故的發(fā)生。由此可知，煤與瓦斯突出是從煤體內(nèi)部開始，是一個(gè)由內(nèi)至外的發(fā)展過程。

掘進(jìn)工作面迎頭前方煤體爆破過程中爆炸沖擊波瞬間作用于放炮孔周圍煤體，導(dǎo)致爆炸荷載在極短的時(shí)間內(nèi)上升到壓力峰值，強(qiáng)烈的沖擊波壓應(yīng)力致使炮孔周圍煤體產(chǎn)生強(qiáng)烈的徑向壓縮，以致在煤體的切向引起拉伸應(yīng)變，形成徑向裂隙。由于煤體爆破經(jīng)歷瞬態(tài)加載與卸載過程，在徑向方向煤體波阻抗分布不均勻，加、卸載應(yīng)力波會(huì)傳播時(shí)發(fā)生反射與透射，形成卸載應(yīng)力波，在卸載波的作用下可在煤巖體中產(chǎn)生徑向拉應(yīng)力，可在煤巖體中產(chǎn)生環(huán)向裂隙，此種作用可導(dǎo)致煤與瓦斯突出過程中煤體破壞呈現(xiàn)出層裂現(xiàn)象。

6 結(jié) 論

（1）動(dòng)載荷作用下，主要的拉應(yīng)力產(chǎn)生區(qū)域集中在A 區(qū)塑性煤體、B 區(qū)彈性煤體中，此區(qū)域煤體承載拉應(yīng)力較大，而C 區(qū)構(gòu)造煤體、D 區(qū)原始煤體的承載的拉應(yīng)力較小，煤體中拉應(yīng)力產(chǎn)生的原因均是由于卸載波的作用而致。

（2）在動(dòng)載荷作用時(shí)，加、卸載應(yīng)力波的相互作用易在分界面X1及其附近區(qū)域、彈性煤體的某些區(qū)域中易形成拉應(yīng)力較大的區(qū)域，最大拉應(yīng)力主要集中分布在分界面X1處及其附近區(qū)域，在地應(yīng)力的綜合作用下，煤體易發(fā)生拉剪破壞。

（3）動(dòng)載荷作用過程中，構(gòu)造煤體所受的沖擊作用較弱，但是由于構(gòu)造煤體的存在，彈性煤體中傳播的應(yīng)力波會(huì)在分界面X2處形成反射應(yīng)力波，與分界面X1處透射的卸載應(yīng)力波作用產(chǎn)生拉應(yīng)力，極易導(dǎo)致某部分彈性煤體發(fā)生急劇損傷。

（4）動(dòng)載荷作用下，煤體較易發(fā)生損傷的區(qū)域主要集中在塑性煤體與彈性煤體的分界面X1處以及A、B 兩區(qū)的煤體中，極易導(dǎo)致此區(qū)域煤體發(fā)生急劇損傷，致使煤體中瓦斯解吸速度急劇增加、瓦斯壓力急劇上升并膨脹釋放較大的能量，從而導(dǎo)致突出事故的發(fā)生；由此可知，煤與瓦斯突出是從煤體內(nèi)部開始，是一個(gè)由內(nèi)至外的發(fā)展過程。

（5）由于掘進(jìn)工作面周圍煤體的波阻抗分布跳躍較大，煤體爆破經(jīng)歷瞬態(tài)加載與卸載過程；應(yīng)力波在傳播過程中會(huì)發(fā)生多次反射與透射并產(chǎn)生多束卸載波，在卸載波作用下煤體中易形成徑向拉應(yīng)力，產(chǎn)生環(huán)向裂隙，可導(dǎo)致煤與瓦斯突出過程中煤體破壞呈現(xiàn)出層裂現(xiàn)象。

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