瓦斯壓力影響下煤巖力學(xué)性質(zhì)與沖擊能量指數(shù)演化規(guī)律及機(jī)制

丁 鑫，肖曉春，潘一山,2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

近年來(lái)，沖擊地壓事故發(fā)生頻率和規(guī)模不斷增加，造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。截至目前，對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)的61 對(duì)沖擊地壓礦井統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)采深超過(guò)千米后全部轉(zhuǎn)為瓦斯礦井[1-3]，沖擊地壓事故在低于常規(guī)判定指標(biāo)的情況下“提前”發(fā)生，如：平煤十二礦“6·29”“3·19”事故、平煤十礦“11·12”事故，并在沖擊地壓發(fā)生后誘發(fā)了瓦斯突出、涌出事故。當(dāng)前深部礦井安全生產(chǎn)形勢(shì)日益嚴(yán)峻，深入探索瓦斯影響下煤巖力學(xué)性質(zhì)演化規(guī)律及其失穩(wěn)機(jī)制，對(duì)清晰認(rèn)識(shí)深部高瓦斯煤層沖擊地壓事故及其次生災(zāi)害的孕育機(jī)理，形成針對(duì)性更強(qiáng)的防治手段具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。

相關(guān)學(xué)者已經(jīng)對(duì)瓦斯影響下的煤巖力學(xué)性質(zhì)及其失穩(wěn)誘發(fā)的沖擊地壓、煤與瓦斯突出災(zāi)害間的聯(lián)系進(jìn)行了探索性研究。章夢(mèng)濤[4]總結(jié)多次事故后，提出了“沖擊地壓和煤與瓦斯突出統(tǒng)一失穩(wěn)理論”，認(rèn)為含瓦斯煤巖是災(zāi)害發(fā)生的主體，其破壞過(guò)程中的能量傳遞特點(diǎn)和主控因素是災(zāi)害不同表征類(lèi)型的根本原因；潘一山[1,5]、朱麗媛[6]、施天威[7]、齊慶新等[8]在大量工程實(shí)踐研究基礎(chǔ)上提出了沖擊-突出復(fù)合災(zāi)害的概念，認(rèn)為煤巖力學(xué)性質(zhì)、瓦斯?fàn)顟B(tài)是此類(lèi)災(zāi)害發(fā)生的先決因素；李鐵等[9-10]認(rèn)為深部礦井沖擊地壓孕育與瓦斯密切相關(guān)，煤巖裂隙發(fā)育及瓦斯解吸是災(zāi)害的發(fā)生基礎(chǔ)，頂?shù)装宓膴A持作用及開(kāi)采卸荷為災(zāi)害發(fā)生提供了應(yīng)力環(huán)境；趙洪寶[11]、宋真龍[12]、Xue Yi[13]、丁鑫[14]、王祖洸[15]、張廣輝[16]、楊丹[17]等通過(guò)物理模擬試驗(yàn)和理論分析表明，單軸壓縮條件下瓦斯的存在加速了煤巖損傷發(fā)育、提高了受載過(guò)程中塑性應(yīng)變占比，峰前有效承載面積減小，隨著瓦斯壓力升高軟化效應(yīng)更為顯著，表現(xiàn)為強(qiáng)度、應(yīng)變能及耗散能降低趨勢(shì)，直接影響煤巖沖擊傾向指標(biāo)；Wang Shugang[18]、D.N.Espinoza[19]等通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)，煤基質(zhì)顆粒伴隨瓦斯吸附發(fā)生膨脹或解吸收縮現(xiàn)象，其內(nèi)部產(chǎn)生剪應(yīng)力從而形成損傷，表現(xiàn)為高瓦斯壓力下煤巖軟化特征明顯；盧平[20]、王家臣[21]、Hu Shaobin[22]、尹萬(wàn)蕾[23]、Wang Kai[24]等研究發(fā)現(xiàn)，三軸條件下含瓦斯煤的變形與破壞受雙重有效應(yīng)力作用，本體應(yīng)力決定煤的本體變形性質(zhì)，而有效應(yīng)力則決定煤的結(jié)構(gòu)變形性質(zhì)，隨著煤體圍壓升高瓦斯含量與壓力呈冪函數(shù)變化，瓦斯對(duì)煤體強(qiáng)度、彈性模量的影響程度逐漸降低。

綜合以上，瓦斯影響的煤巖力學(xué)性質(zhì)及災(zāi)變規(guī)律已受到領(lǐng)域內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注。深部礦井高瓦斯煤層沖擊地壓防控形勢(shì)日益嚴(yán)峻，但瓦斯影響下的煤巖能量演化規(guī)律、災(zāi)變傾向及其力學(xué)機(jī)制亟待開(kāi)展更加深入的探索。筆者以試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，結(jié)合分形學(xué)等相關(guān)理論，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果，獲得了具有沖擊傾向性煤巖瓦斯吸附規(guī)律、力學(xué)性質(zhì)、分形維數(shù)、沖擊能量指數(shù)及相互關(guān)系，并結(jié)合實(shí)際工程探討了試驗(yàn)結(jié)果對(duì)事故發(fā)生機(jī)理的啟示，以期為改善深部礦井安全生產(chǎn)環(huán)境提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1 試樣制備與瓦斯吸附試驗(yàn)

試驗(yàn)所用煤巖試樣選自大同某礦，目標(biāo)煤層堅(jiān)固性系數(shù)為3.0～4.5，節(jié)理不發(fā)育，自開(kāi)采以來(lái)發(fā)生過(guò)多次沖擊地壓事故，屬典型的沖擊地壓礦井；同時(shí)該礦井瓦斯壓力大、含量高屬高瓦斯礦井。將選取自同一工作面的原煤塊體用保鮮膜密封后運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室，分別切割成90 塊尺寸?50 mm×100 mm 的圓柱試樣，并用雙面磨平機(jī)打磨保證上下兩端面平整度誤差在±0.02 mm 內(nèi)，部分試樣如圖1 所示。

圖1 煤樣Fig.1 Coal specimens

對(duì)20 塊煤樣按照 GB/T 25217.2-2010《沖擊地壓測(cè)定、監(jiān)測(cè)與防治方法-第2 部分：煤的沖擊傾向性分類(lèi)及指數(shù)的測(cè)定方法》[25]進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，所用煤樣的平均彈性能指數(shù)為8.5，平均沖擊能指數(shù)為5.9，煤巖平均強(qiáng)度為18.54 MPa，平均動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間為1 267 ms，判定所用煤樣具有強(qiáng)沖擊傾向性。

煤的瓦斯吸附/解吸測(cè)試裝置由氣源、調(diào)壓閥、高精度可存儲(chǔ)式壓力表(量程0.001～25 MPa，精度示值5‰)和壓力釜組成，隨機(jī)選擇10 塊試樣，遵照GB/T 19560-2008《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》[26]開(kāi)展吸附試驗(yàn)。

需要說(shuō)明的是，根據(jù)現(xiàn)有研究煤對(duì)N2的吸附特征與CH4相同，選擇較為安全的N2開(kāi)展試驗(yàn)，瓦斯的附量計(jì)算公式如下：

式中：Δpg為瓦斯壓力差，MPa；V為吸附腔體積，cm3；Δn為氣體物質(zhì)的量變化量，mol；R為理想氣體比例常數(shù)，取8.314 cm3·MPa/(mol·K)；T為氣體絕對(duì)平衡溫度，K，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常溫20℃為293.15 K；Z為氣體壓縮系數(shù)，試驗(yàn)中使用氣體為N2，根據(jù)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)Z取值為1；qa為單位質(zhì)量煤的吸附量，cm3/g；ΔV為氣體體積變化量，L；Mc為煤樣質(zhì)量，g。

1.2 含瓦斯煤?jiǎn)屋S壓縮試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方案

含瓦斯煤?jiǎn)屋S壓縮試驗(yàn)利用自主研發(fā)的可視化煤的流固耦合試驗(yàn)裝置進(jìn)行，裝置如圖2 所示。通過(guò)向耐壓腔體充入瓦斯氣體，開(kāi)展瓦斯環(huán)境下煤的單軸壓縮試驗(yàn)，并留設(shè)觀測(cè)鏡實(shí)時(shí)觀察并記錄整個(gè)受載過(guò)程中試樣的表面變形、破壞情況。分別設(shè)定6 個(gè)瓦斯吸附壓力：0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0 MPa，每個(gè)瓦斯壓力下均選擇5 塊試樣進(jìn)行瓦斯飽和吸附后單軸壓縮試驗(yàn)。具體實(shí)施步驟如下：

圖2 設(shè)備及部分組件Fig.2 Diagrams of equipment and device

（1）將圓柱形煤樣固定于上下壓頭之間，后將整體置于腔體內(nèi)的軸向載荷卡槽中，開(kāi)啟腔體升降油缸閉合三軸腔并校緊高強(qiáng)度螺栓，保證試驗(yàn)裝置的氣密性；

（2）打開(kāi)真空泵對(duì)壓力腔內(nèi)部煤樣預(yù)抽殘存氣體2 h；打開(kāi)氣源、調(diào)壓閥穩(wěn)定壓力，開(kāi)啟入口開(kāi)關(guān)向腔體內(nèi)充入N2直至達(dá)預(yù)定氣體壓力值后關(guān)閉入口開(kāi)關(guān)、吸附24 h；

（3）吸附結(jié)束后記錄壓力變化量，設(shè)定應(yīng)力加載速率0.05 MPa/s，開(kāi)啟載荷控制系統(tǒng)對(duì)煤樣施加載荷直至完全破壞，儲(chǔ)存各監(jiān)測(cè)結(jié)果；

（4）排出壓力腔內(nèi)部氣體至大氣壓，卸去高強(qiáng)度螺栓，開(kāi)啟升降油缸打開(kāi)三軸腔，觀察記錄破壞形式，收集煤樣碎塊并篩分。

2 瓦斯影響的沖擊傾向煤的吸附性與力學(xué)性質(zhì)

2.1 煤的瓦斯吸附規(guī)律

選擇表面較完整試樣4 塊，開(kāi)展不同瓦斯壓力下煤體瓦斯吸附試驗(yàn)，獲得了相應(yīng)條件下的瓦斯吸附量，典型試驗(yàn)結(jié)果如圖3 中散點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明隨著瓦斯吸附壓力升高，吸附量呈低瓦斯壓力顯著升高、高瓦斯壓力緩慢增加的規(guī)律，運(yùn)用Langmuir 吸附等溫吸附方程對(duì)瓦斯吸附量與平衡瓦斯壓力進(jìn)行擬合，獲得了不同初始瓦斯壓力下的吸附量擬合曲線，如圖3 中曲線，擬合參數(shù)與方差見(jiàn)表1。

表1 Langmuir 理論參數(shù)擬合結(jié)果與方差Table 1 Langmuir theoretical parameter fitting results and variance

圖3 煤巖瓦斯吸附量實(shí)測(cè)結(jié)果與Langmuir 理論值Fig.3 Gas adsorption measured results of coal and its Langmuir theory curves

式中：pe為平衡瓦斯壓力，MPa；pg為初始瓦斯壓力，MPa；a為吸附常數(shù)或Langmuir 體積，煤的極限吸附瓦斯量，cm3/g；b為吸附常數(shù)，MPa-1，或b=1/pL，pL為L(zhǎng)angmuir 壓力，MPa。

由圖3 可知，實(shí)測(cè)結(jié)果與Langmuir 吸附理論曲線具有較高的相似度，表明具有強(qiáng)沖擊傾向性煤的瓦斯等溫吸附曲線符合Langmuir 模型，隨瓦斯壓力升高煤的瓦斯吸附量逐漸增加，但吸附曲線斜率即瓦斯吸附量增長(zhǎng)率逐漸降低，吸附曲線趨近于吸附常數(shù)a，與現(xiàn)有研究結(jié)果[27]相一致；由此，利用試驗(yàn)所獲Langmuir吸附式可近似求出試樣在不同瓦斯壓力下的瓦斯吸附量，并通過(guò)改變瓦斯壓力獲得瓦斯吸附量影響的煤巖力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律。

2.2 煤巖應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律

對(duì)瓦斯吸附后的煤樣開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn)，獲得了典型瓦斯吸附量影響的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4 所示，統(tǒng)計(jì)獲得煤巖強(qiáng)度及其隨瓦斯吸附量變化規(guī)律，如圖5 所示。

圖4 不同瓦斯壓力下煤巖單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.4 Uniaxial stress-strain relationship of coal under different gas pressures

試驗(yàn)結(jié)果表明，在瓦斯影響下煤巖應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系仍然具有典型的階段性特征：初始受載為短暫的下凹形、斜率逐漸增加的壓密階段(高瓦斯壓力時(shí)煤樣表現(xiàn)明顯)；在彈性階段，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似呈線性增長(zhǎng)，臨近應(yīng)力峰值，曲線斜率降低進(jìn)入強(qiáng)化階段并伴隨有小幅應(yīng)力降，達(dá)峰值應(yīng)力后峰后段應(yīng)力逐漸跌落至完全破壞，具有一定的“假延性”特征。而隨瓦斯壓力升高，煤巖壓密階段愈發(fā)明顯、彈性階段縮短、強(qiáng)化階段應(yīng)力調(diào)整越發(fā)顯著。如圖5 所示，煤巖強(qiáng)度隨著煤巖瓦斯吸附量增加，峰值應(yīng)力逐漸降低。

圖5 峰值應(yīng)力與瓦斯吸附量Fig.5 Variation of peak stress affected by gas pressure

外載荷作用下，含瓦斯煤巖的峰前應(yīng)變能積累與峰后耗散能演化決定了其失穩(wěn)特性。為定量研究煤巖變形與失穩(wěn)特點(diǎn)，根據(jù)峰值前后應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似線性演化規(guī)律，特別是峰后具有強(qiáng)沖擊傾向性煤巖“基本不存在殘余強(qiáng)度，應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后為一傾斜直線”的特點(diǎn)，選擇雙線性本構(gòu)模型進(jìn)行表征，如圖6 所示。直線OC段的斜率E為彈性模量，反映煤巖峰前彈性能積累能力，C點(diǎn)為應(yīng)力峰值點(diǎn)，峰后直線CD段的斜率λ稱(chēng)為軟化模量[1]，反映了煤體的脆、塑性特征及宏觀裂隙貫通過(guò)程的應(yīng)變能耗散能力。

圖6 雙線性本構(gòu)模型Fig.6 Bilinear constitutive model

由此，煤巖雙線性本構(gòu)模型表述為：

式中：εc為峰值應(yīng)變；εt為應(yīng)力降為0 時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；σc為對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力。

處理試驗(yàn)結(jié)果獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線，峰前段截取線性階段獲得平均彈性模量，峰后曲線段采用線性擬合方法，求取軟化模量結(jié)果，彈性模量與軟化模量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 瓦斯壓力影響下的煤巖力學(xué)參數(shù)變化Fig.7 Mechanical parameters of coal affected by gas pressure

煤屬于典型的非均質(zhì)材料，圖7 中試驗(yàn)結(jié)果具有離散性，但平均值總體表現(xiàn)為隨著瓦斯壓力升高煤樣彈性模量、軟化模量降低的趨勢(shì)，且試驗(yàn)所用煤樣在瓦斯影響下兩參數(shù)變化具有明顯的階段性特點(diǎn)。彈性模量變化規(guī)律：低瓦斯壓力穩(wěn)態(tài)降低階段，在較小的瓦斯壓力下(0≤pg≤1.5 MPa)，彈性模量近似呈線性降低；高瓦斯壓力加速降低階段，隨瓦斯壓力升高(1.5 MPa＜pg≤4.0 MPa)彈性模量變化量逐漸加大，呈加速降低趨勢(shì)。軟化模量同樣具有兩個(gè)變化階段但規(guī)律與彈性模量相反，具體表現(xiàn)為：低瓦斯壓力減速降低階段，低瓦斯壓力區(qū)間相鄰?fù)咚固荻鹊臏p小量逐漸縮小，平均值連線呈斜率減小的下凹型曲線直至瓦斯壓力為1.5 MPa；高瓦斯壓力穩(wěn)態(tài)降低階段，隨瓦斯含量增加，均值點(diǎn)連線近似為一同斜率的直線緩慢降低。綜合以上，瓦斯對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)影響不僅體現(xiàn)在峰前與峰值，還影響峰后破壞。

2.3 煤樣破碎特征與分形規(guī)律

試驗(yàn)結(jié)束后，記錄煤破壞形態(tài)并收集碎塊，煤體典型破碎特征如圖8 所示。

結(jié)合圖8 的結(jié)果，在無(wú)瓦斯吸附作用時(shí)，因所選煤樣具有較強(qiáng)的沖擊傾向性，破壞過(guò)程伴隨強(qiáng)烈的碎塊彈射和響聲，破壞后的破碎程度較高、碎塊破壞面光滑，多為較規(guī)整的立方塊體；當(dāng)瓦斯壓力為0.5 MPa 時(shí)，主要破壞形式為平行于加載方向的張拉破壞，碎塊多為具有較規(guī)則形狀的四邊形碎塊且尺寸普遍小于無(wú)瓦斯條件試驗(yàn)結(jié)果，碎塊表面上附著有一定數(shù)量的細(xì)小煤粒，其清晰程度有所下降；瓦斯壓力為1.0 MPa 時(shí)，試樣呈“X”形共軛剪切破壞并形成尺寸較大的錐形碎塊，在剪切帶中分布有更多數(shù)量的細(xì)小煤粒(糜棱煤粉)，其碎塊尺度分布體極不均勻；當(dāng)瓦斯壓力由1.5 MPa 增至4.0 MPa，試樣剪切破壞特征逐漸消失，又轉(zhuǎn)化為張拉并伴隨有類(lèi)似塑性流動(dòng)而產(chǎn)生的糜棱煤粉，破碎程度逐漸增加，碎塊粒徑減小且趨于較均勻的分布形式。

圖8 單軸壓縮條件下不同瓦斯壓力煤體破碎特征Fig.8 Fracture characteristics of coal with different gas pressures during uniaxial compression

為進(jìn)一步定量化描述煤樣破碎程度，分析瓦斯影響下煤體破壞呈小碎塊沖擊-彈射向糜棱煤-小碎塊附著軟化的過(guò)渡現(xiàn)象，對(duì)各個(gè)試樣碎塊進(jìn)行篩分，設(shè)定篩分尺寸為0～2.5、＞2.5～5、＞5～10、＞10～15、＞15～20、＞20～30、＞30～40、＞40～50、＞50～100 mm 并記錄各尺寸篩下碎塊質(zhì)量，如圖9 所示，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分形計(jì)算公式[28-30]，求得各試樣碎塊分形維數(shù)，如圖10 所示。

圖9 煤的碎塊分布Fig.9 Distribution of coal fragments

圖10 瓦斯壓力與分形維數(shù)關(guān)系Fig.10 Relationship between gas pressure and fractal dimension

試樣碎塊分形維數(shù)隨瓦斯壓力升高呈先減小后增大的“V”形變化特點(diǎn)。無(wú)瓦斯吸附作用時(shí)，分形維數(shù)分布為1.9～2.1(平均分維2.03)；當(dāng)瓦斯壓力增加到0.5 MPa 時(shí)，分形維數(shù)降低為1.75～2.0(平均分維1.87)；瓦斯壓力1.5 MPa 時(shí)，分形維數(shù)為1.65～1.9(平均分維1.73)，達(dá)到整個(gè)碎塊分布的最小值，而后隨著瓦斯壓力升高，碎塊分形維數(shù)逐漸升高；當(dāng)瓦斯壓力達(dá)4 MPa時(shí)，其變化范圍達(dá)2.0～2.3(平均分維2.11)。無(wú)瓦斯或者低瓦斯條件下煤樣碎塊會(huì)隨強(qiáng)度降低逐漸向較大尺寸過(guò)渡其分形維數(shù)逐漸減小，此階段強(qiáng)度與分形維數(shù)關(guān)系與文獻(xiàn)[30]試驗(yàn)結(jié)果相一致，然而隨著瓦斯壓力繼續(xù)增加，煤體強(qiáng)度降低的同時(shí)破碎程度(分形維數(shù))卻呈升高情況，其破斷形式也經(jīng)歷了“脆性張拉→剪切→張拉+塑性流動(dòng)”的轉(zhuǎn)換。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為瓦斯對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)、破壞模式乃至災(zāi)變特征的影響是煤固有性質(zhì)(如：沖擊傾向性[2])受到外部載荷引起的力學(xué)響應(yīng)和瓦斯在煤基質(zhì)顆粒表面吸附軟化的共同結(jié)果，這種影響效果存在臨界瓦斯壓力值，當(dāng)?shù)陀谂R界值，煤的宏觀力學(xué)響應(yīng)受固有性質(zhì)影響，如：強(qiáng)度越大對(duì)應(yīng)了更高的黏聚力和內(nèi)摩擦角等相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果[1]；而當(dāng)瓦斯壓力超過(guò)臨界值，煤的巖石力學(xué)性質(zhì)逐漸受瓦斯影響則表現(xiàn)出本文中出現(xiàn)的強(qiáng)沖擊傾向性試樣假延性、糜棱煤粉附著等現(xiàn)象，因而確定臨界轉(zhuǎn)化瓦斯壓力值對(duì)掌握煤巖力學(xué)性質(zhì)變化就顯得極為重要。由于本文為探索性試驗(yàn)，初步確定所用煤樣的臨界瓦斯壓力為1.5 MPa，瓦斯軟化效應(yīng)臨界壓力與煤基本參數(shù)(如：孔隙率、瓦斯吸附參數(shù)、變質(zhì)程度等)間的關(guān)系是后續(xù)研究重點(diǎn)。與此同時(shí)，不同破碎程度反映了新生破裂面的情況，該過(guò)程中伴隨的能量耗散也不盡相同，因而峰前的能量積聚和峰后的能量耗散對(duì)煤破裂過(guò)程的能量釋放具有直接影響，需要進(jìn)一步研究瓦斯影響下煤的破壞過(guò)程能量演化規(guī)律。

3 單軸壓縮過(guò)程含瓦斯煤沖擊能指數(shù)演化規(guī)律

沖擊地壓的孕育、發(fā)生伴隨著能量的積聚與釋放，煤巖沖擊傾向性判定標(biāo)準(zhǔn)[25]中將沖擊能量指數(shù)(KE)作為一個(gè)判定參數(shù)，用以反映煤受載過(guò)程的能量積累與耗散能力，求解方法為應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰前與峰后包絡(luò)面積的比值。當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線簡(jiǎn)化為雙線性本構(gòu)模型時(shí)，計(jì)算公式可作如下變換，峰前積累的彈性應(yīng)變能As為：

由于軟化模量為負(fù)值，計(jì)算時(shí)取絕對(duì)值，則峰后應(yīng)變量為：

峰后耗散能Ax為：

沖擊能量指數(shù)計(jì)算公式如下：

由此，將煤本構(gòu)關(guān)系用雙線性模型進(jìn)行描述時(shí)，沖擊能量指數(shù)就為峰后軟化模量與彈性模量的比值。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果，獲得試驗(yàn)所用煤沖擊能量指數(shù)與瓦斯壓力變化規(guī)律，如圖11 所示。

圖11 瓦斯影響下沖擊能量指數(shù)變化規(guī)律Fig.11 Variation of burst energy index affected by gas pressure

由圖11 可知，隨瓦斯壓力變化沖擊能指數(shù)與分形維數(shù)具有相同階段性趨勢(shì)，這表明瓦斯的存在確實(shí)影響了煤受載過(guò)程的能量耗散規(guī)律，且該特點(diǎn)源于對(duì)彈性模量和軟化模量的改變。分別對(duì)不同階段討論其力學(xué)作用機(jī)制。

（1）峰前階段：較高瓦斯壓力下，附著煤基質(zhì)顆粒表面的瓦斯量增加，基質(zhì)顆粒間的膠結(jié)連續(xù)性降低，進(jìn)而具有更小的黏聚力，同時(shí)，因吸附瓦斯產(chǎn)生的基質(zhì)不規(guī)則微應(yīng)變導(dǎo)致顆粒間具有相對(duì)錯(cuò)動(dòng)[19]，并引起微裂隙發(fā)育，使得承載結(jié)構(gòu)初始損傷程度明顯提高；另一方面，瓦斯在孔隙、裂隙內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力引起煤骨架有效應(yīng)力迅速提升，進(jìn)而再一次加速了損傷直至完全失去承載能力，則宏觀上表現(xiàn)為彈性模量減小、線性部分縮短，而這種由瓦斯引起的內(nèi)力、初始損傷對(duì)煤體承載結(jié)構(gòu)的軟化效果會(huì)隨著瓦斯壓力升高而愈發(fā)明顯，因而呈現(xiàn)了“低瓦斯壓力小斜率降低、高瓦斯壓力斜率升高迅速降低”的試驗(yàn)結(jié)果。

（2）峰后階段：隨應(yīng)變量增加、應(yīng)力降低現(xiàn)象，是煤細(xì)觀裂紋發(fā)育向宏觀裂隙貫通轉(zhuǎn)化并使結(jié)構(gòu)失去承載能力的力學(xué)體現(xiàn)，受細(xì)觀裂紋斷裂韌度、宏觀裂隙擴(kuò)展速度與盈余能直接影響，在無(wú)瓦斯與低瓦斯作用下，試驗(yàn)所用煤樣致密、膠結(jié)程度高而具有較高斷裂韌度，則破斷過(guò)程向外界釋放的能量會(huì)促使與試樣主體亞連接(被大量不連通裂紋分割)的斷續(xù)塊體發(fā)展為獨(dú)立碎塊并高速?gòu)椛?，沖擊傾向性越強(qiáng)破碎塊體越小[30]，如圖12 所示，隨瓦斯壓力升高、吸附量增加，煤斷裂韌度降低伴隨裂紋發(fā)育所釋放的盈余能減少，煤更易破壞且碎塊由彈射向剝離掉落轉(zhuǎn)變；與此同時(shí)，伴隨裂隙尺度擴(kuò)大，吸附態(tài)瓦斯解吸為游離態(tài)，在裂隙內(nèi)形成膨脹力會(huì)加速破壞至完全失去承載能力，但該過(guò)程具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，在相應(yīng)的氣體環(huán)境下其對(duì)軟化模量的貢獻(xiàn)量有限。

圖12 單軸壓縮條件下不同瓦斯壓力煤巖破壞瞬間形態(tài)Fig.12 Instantaneous failure modes of coal with different gas pressures during uniaxial compression

沖擊能指數(shù)的變化是瓦斯在應(yīng)力峰值前后兩種不同作用效果的耦合，在低瓦斯壓力下瓦斯對(duì)彈性模量的影響程度弱于對(duì)軟化模量的影響；而隨著瓦斯壓力升高，峰前的軟化效果明顯強(qiáng)于對(duì)峰后的影響，則沖擊能指數(shù)就展現(xiàn)出“V”形變化特征，反映了高壓瓦斯對(duì)煤的破壞具有助推作用且具有更高的動(dòng)力破壞潛能。

4 討論

沖擊傾向性是煤體能否發(fā)生沖擊地壓的自然屬性，沖擊能指數(shù)作為衡量該屬性的重要指標(biāo)，準(zhǔn)確獲得其值對(duì)指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。伴隨煤炭開(kāi)采逐漸向深部延拓，深部煤層中蘊(yùn)含的高壓瓦斯已經(jīng)成為沖擊地壓防治不可忽視的客觀條件。特別是本文中運(yùn)用試驗(yàn)方法獲得的煤碎塊尺度、沖擊能指數(shù)隨瓦斯壓力升高先減小后增加“V”形特征是以往研究中未曾報(bào)道的，這表明瓦斯的存在改變了煤的能量積累與耗散特征，使得沖擊傾向性這一固有屬性發(fā)生變化，進(jìn)而影響了煤體沖擊地壓發(fā)生的潛能。

深部煤層瓦斯壓力、含量普遍較高，在原始賦存狀態(tài)下，高壓瓦斯對(duì)煤體力學(xué)性質(zhì)的影響不僅降低其強(qiáng)度，還在孔裂隙間產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，加速細(xì)、宏觀破裂演化速率和承載結(jié)構(gòu)的失效過(guò)程，使得煤體失效潛能顯著增加，伴隨煤破壞整個(gè)系統(tǒng)向外界釋放的盈余能不僅僅來(lái)源于煤體所蘊(yùn)含的彈性能、破碎耗散能差值，還有源自瓦斯膨脹能的助推，為煤體動(dòng)態(tài)失穩(wěn)提供了額外能量，增大了沖擊地壓發(fā)生過(guò)程的強(qiáng)動(dòng)力性和破壞性；另一方面吸附態(tài)瓦斯使煤體軟化而破碎后碎塊尺度更小、出現(xiàn)糜棱煤粉，以及瓦斯解吸引起大量游離態(tài)瓦斯積聚，這為沖擊誘發(fā)瓦斯突出提供了客觀條件，因而，深部高瓦斯煤層具有更低的災(zāi)變臨界指標(biāo)和模糊的災(zāi)變傾向性，極易受采動(dòng)影響而誘發(fā)沖擊地壓事故并誘發(fā)瓦斯涌出、突出事故，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的摧毀性破壞是兩種災(zāi)害共同作用的結(jié)果。

深部煤層在高壓力瓦斯的影響下具有高的沖擊能指數(shù)，因而開(kāi)展深部煤層沖擊傾向性鑒定時(shí)務(wù)必要考慮瓦斯的影響，并引入相應(yīng)壓力的瓦斯氣體進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)還應(yīng)對(duì)瓦斯影響下的煤巖力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行更為深入的研究，探索是否還有其他試驗(yàn)結(jié)果衍生的指標(biāo)可為深部煤巖沖擊傾向性判定提供作證。

5 結(jié)論

a.具有強(qiáng)沖擊傾向性煤的瓦斯等溫吸附曲線符合Langmuir 模型，隨瓦斯壓力升高，煤的軟化特性越發(fā)明顯，表現(xiàn)為彈性階段縮短、壓密階段凹形曲線及強(qiáng)化階段應(yīng)力調(diào)整顯著的特征。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，彈性模量、軟化模量均呈降低趨勢(shì)，前者呈穩(wěn)態(tài)降低、加速降低兩階段性特點(diǎn)，后者呈減速降低、緩慢降低的變化規(guī)律。

b.瓦斯對(duì)煤破碎特征的影響存在臨界壓力；隨著瓦斯壓力增加，煤樣破壞特征呈現(xiàn)為“脆性張拉→剪切→張拉+塑性流動(dòng)”的過(guò)渡，試樣碎塊統(tǒng)計(jì)分形維數(shù)呈先減小后增大的“V”形特點(diǎn)變化，本文所用煤樣的臨界瓦斯壓力為1.5 MPa。

c.采用雙線性模型描述煤巖本構(gòu)關(guān)系時(shí)，煤的沖擊能指數(shù)為軟化模量與彈性模量的比值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨瓦斯壓力升高沖擊能指數(shù)呈“V”形變化特征，表明在低瓦斯壓力下瓦斯對(duì)彈性模量的影響程度弱于對(duì)軟化模量的影響；而隨著瓦斯壓力升高，峰前的軟化效果明顯強(qiáng)于對(duì)峰后的影響，具有更多的盈余能。

d.煤樣碎塊分布、沖擊能指數(shù)一致性的變化規(guī)律表明，瓦斯的軟化作用導(dǎo)致煤破壞后的小尺度特點(diǎn)為災(zāi)害提供了發(fā)生對(duì)象，瓦斯膨脹能的助推，為煤體動(dòng)態(tài)失穩(wěn)提供了額外的能量而增大了沖擊地壓發(fā)生過(guò)程的強(qiáng)動(dòng)力性和破壞性，煤基質(zhì)骨架與瓦斯運(yùn)移的固-流耦合作用降低了沖擊地壓發(fā)生的臨界指標(biāo)且具有更高的致災(zāi)潛能。此外，結(jié)合本文及現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果，建議對(duì)深部煤層進(jìn)行沖擊傾向性鑒定時(shí)，務(wù)必要引入賦存環(huán)境下相應(yīng)氣體壓力的瓦斯進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。