浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2022, 56(12): 2445-2453 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2022.12.013

土木工程、水利工程

分级循环荷载下保护层开采扰动煤岩强度及裂隙特性研究

杨永波,, 周哲,

1. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044

2. 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037

Strength and fracture characteristics of coal rock disturbed by protective layer mining under graded cyclic loading

YANG Yong-bo,, ZHOU Zhe,

1. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China

2. Chongqing Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group, Chongqing 400037, China

通讯作者: 周哲，男，副教授，硕导. orcid.org/0000-0002-7992-9722. E-mail： zhouzhe@cqu.edu.cn

收稿日期: 2022-01-8  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51625401,51774055)；中国平煤神马集团焦煤开发与综合利用国家重点实验室开放研究基金资助项目(41040220171106-1)

Received: 2022-01-8  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目(51625401,51774055)；中国平煤神马集团焦煤开发与综合利用国家重点实验室开放研究基金资助项目(41040220171106-1)

作者简介 About authors

杨永波（1995—），男，工程师，硕士，从事煤岩采动力学及岩土力学研究.orcid.org/0000-0001-8944-4393.E-mail：yangyongbocqu@163.com , E-mail：yangyongbocqu@163.com

摘要

针对回采时反复采动作用下的保护层开采扰动煤岩极易诱发巷道围岩失稳的问题，采用分级循环荷载模拟实际回采工程中采动应力的长期作用，研究保护层开采扰动煤岩在循环荷载作用下的力学强度及变形破坏特性. 试验结果表明，在加卸载过程中，受保护层开采扰动煤样的体积膨胀变形明显，煤样内部结构破坏程度比未受保护层开采扰动煤样更高. 在加卸载后期，受保护层开采扰动煤样表现为塑性破坏，未受保护层开采扰动煤样发生明显的脆性破坏. 相比于未受保护层开采扰动煤样，受保护层开采扰动煤样的峰值强度下降，单位体积（直径为50 mm，高度为100 mm）内的煤样裂隙体积显著增加，峰值强度和裂隙体积占比均沿煤层走向分布较为均匀. 处于断层带的未受保护层开采扰动煤样的彼此物性差异较大. 受保护层开采扰动煤样比未受保护层开采扰动煤样更符合“煤岩破坏时，裂隙空间复杂程度与峰值强度存在反向对应分布”规律.

关键词： 开采扰动 ; 循环荷载 ; 峰值强度 ; 裂隙重构 ; 裂隙分布 ; 三维裂隙分形维数

Abstract

Aimed the coal rock disturbed by the protective layer mining under the action of repeated mining during the recovery was likely to induce the destabilization problem of the roadway surrounding rock, the graded cyclic loading was adopted to simulate the long-term effects of mining stresses in the actual recovery projects, to investigate the mechanical strength and deformation damage characteristics of coal rock disturbed by protective layer mining under graded cyclic loading. Results show that the volume expansion deformation of the coal samples disturbed by the protective layer mining under the process of loading and unloading is obvious, the internal structure damage degree of the coal samples is higher than that of the coal samples undisturbed by the protective layer mining. In the later stage of loading and unloading, the coal samples disturbed by the protective layer mining show plastic failure, while the coal samples disturbed by the protective layer mining show obvious brittle failure. Compared with the coal samples undisturbed by the protective layer mining, the peak strength of the coal samples disturbed by the protective layer mining decreases, the fracture volume of the coal samples per unit volume (50 mm diameter and 100 mm height) increases significantly, and both the peak intensity and fracture volume ratio are distributed more uniformly along the coal seam direction. The physical properties of the coal samples undisturbed by the protective layer mining in the fault zone differ greatly from each other. The coal samples disturbed by protective layer mining is more in line with the law of “there is an inverse corresponding distribution between the complexity of coal rock fractures and the peak strength when coal rock is destroyed” than that of coal samples undisturbed by protective layer mining.

Keywords： mining disturbance ; cyclic loading ; peak strength ; fracture reconstruction ; fracture distribution ; three-dimensional fracture fractal dimension

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本文引用格式

杨永波, 周哲. 分级循环荷载下保护层开采扰动煤岩强度及裂隙特性研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2022, 56(12): 2445-2453 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2022.12.013

YANG Yong-bo, ZHOU Zhe. Strength and fracture characteristics of coal rock disturbed by protective layer mining under graded cyclic loading. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2022, 56(12): 2445-2453 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2022.12.013

保护层开采被认为是我国区域瓦斯防治经济且有效的措施[1]，但开采强扰动行为打破了被保护层煤岩的初始应力平衡，引起应力二次分布，造成煤岩内部极大程度的损伤破坏[2]. 回采被保护煤层时，随着工作面推进，同一位置的煤岩处于不同加卸载扰动作用下[3-4]，对于已受保护层开采扰动的煤岩而言，反复的开挖扰动会加速其裂隙的损伤演化，致使其力学性能恶化，极易诱发巷道围岩失稳. 研究被保护层煤岩进行分级循环荷载条件下的煤岩强度及裂隙分布规律，有利于揭示保护层开采的防突机理，为巷道围岩失稳预警提供数据参考，对后期回采设计优化和巷道布置具有重要的理论意义和工程价值.

研究学者通过室内不同加卸载应力路径模拟保护层采动对不同种类煤岩的扰动力学特性开展大量试验研究，取得丰硕的成果. 谢和平等[5-6]总结保护层开采方式下煤岩所处采动应力环境的演化规律，开展开采扰动下煤岩应力场及裂隙场分布行为研究，得到保护层开采方式下典型室内采动应力的加卸载路径. 任伟光等[7]基于相似模拟试验，分析上保护层开采中被保护层煤岩体的受力情况并设计室内模拟试验，指出被保护层的上、下部分处于不同的应力状态. Yin等[8]采用理论分析和现场监测方式，分析在开采保护层的工作面推进过程中支承应力的变化规律，设计室内试验的加卸载应力路径，研究不同瓦斯压力条件下煤岩的力学性能. Li等[9]通过不同循环加卸载路径模拟保护层开采工作面的复杂采动应力，认为保护层开采过程中煤岩体受到循环加卸载作用. 有关保护层采动力学行为的研究多聚焦于应力路径的模拟试验，较少侧重于回采被保护煤层时的采动影响. 在地下煤炭回采中，高强度、连续的工作面采煤使得工作面前方支承应力呈分区特性，依次分为应力降低区、应力集中区和原岩应力区[10]. 随着工作面推进，各应力区逐渐前移演化，起初处于应力降低区的煤岩逐步进入应力集中区，处于应力集中区和原岩应力区之间的煤岩将逐步达到应力集中区的支承压力峰值；采空区上伏煤岩层的反复性垮落和顶板的周期性下沉断裂，导致煤岩受到不同应力水平的循环荷载作用[11]. 朱卓慧等[12-15]通过循环荷载模拟复杂采动应力，研究型煤及煤岩组合体的力学变形及损伤破坏规律. 另有研究学者考虑采动作用的分级影响，如李晓泉等[16]开展三轴分级循环荷载下型煤的力学试验，分析峰值应力与全应力-应变曲线的关系. 在反复采动作用下，煤岩内部损伤是不断累积进而发生宏观破坏的过程[17]. 刘忠玉等[18]对比分析垂直和平行层理煤岩在分级循环荷载下变形破坏规律，指出煤岩变形破坏呈各向异性. 刘毅[19]研究分级循环荷载下不同几何特征的预制裂隙岩体，总结出不同裂隙倾角与破坏模式间的规律. 在分级循环荷载下，保护层开采扰动煤岩的裂隙三维形貌及量化特征却研究鲜有.

为了深入研究回采工程中采动应力的长期作用对保护层开采扰动煤岩的强度及裂隙的影响机制，本研究开展分级循环荷载试验，对比分析受、未受保护层开采扰动煤样在强度和裂隙方面的差异性，基于三维裂隙分形维数表征煤岩裂隙空间复杂程度，研究保护层煤岩峰值强度与裂隙体积沿工作面煤层走向的分布规律，探究煤岩裂隙空间复杂程度与峰值强度的对应分布规律.

1. 样品制备及试验方案

1.1. 取样地点及煤样制备

平煤某矿的己15-31030煤层为突出煤层，该煤层的上保护层己14-31050煤层有一半被开采，下伏己15-31030煤层在空间上呈现一半受保护层开采扰动，另一半未受保护层开采扰动. 本研究深入保护层开采工作面现场，随保护层开采工作面的推进，沿工作面煤层走向，分别在己15-31030煤层的受、未受保护层开采扰动区域（下文称研究区）取样，样品均立即包裹保鲜膜运至实验室. 如图1所示，选取距开切眼96、170、255、389、495、640、680、834 m的研究区原煤，根据文献[20]，使用国家重点实验室自动钻进取芯装置，考虑煤岩的各向异性，保证煤样轴线与层理平行，采用线切割工艺，打磨成Φ50 mm×100 mm标准圆柱体试样并编号.

图 1

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图 1   己14-31050和己15-31030煤层空间位置及样品制备

Fig.1   Spatial position and samples preparation of Ji14-31050 and Ji15-31030 coal seams


1.2. 试验设备

试验采用的重庆大学MTS815岩石力学试验系统. 该系统能够提供最大轴向加载荷载为2800 kN，最大围压为80 MPa，最高温度为200 ℃，能够自动实现高低速数据采集，具有力、位移、轴向应变、横向应变等多种控制模式. 如图2所示，该系统能够测试煤岩体在复杂应力条件下的力学性质且测试精度高、性能稳定. 电子计算机断层扫描（CT）采用重庆大学煤岩热流固耦合CT实验系统(SOMATOM Scope)，实验系统有24行检测器，每行16个采集单元. X射线管电流和电压的最大值分别为345 mA和130 kV，扫描方式分为顺序扫描和螺旋扫描，基于CT的无损检测功能，能够实现煤岩内部裂隙的扫描成像.

图 2

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图 2   煤岩力学试验及裂隙扫描设备

Fig.2   Coal rock mechanical test and fracture scanning equipment


1.3. 试验方案

分级循环荷载之前，先进行三轴抗压强度试验，为评估分级循环荷载下煤岩强度提供数值参考. 根据己15-31030煤层围压监测数据，确定平均围压约为22 MPa，设置试验的目标围压为22 MPa, 加载速率为1 MPa/min. 以0.1 mm/min的加载速率加载轴压，直至试样破坏，得到受、未受保护层开采扰动煤样的平均三轴抗压强度分别为48.92、61.67 MPa.

在回采过程中，工作面采掘产生的不同扰动行为对煤岩的采动影响不同，随回采工作面推进，工作面前方同一位置的煤岩受采动影响程度呈上升趋势[21]，转为常规三轴试验设计分级循环加卸载试验，每级偏应力水平上下限增量依次为上级偏应力水平上下限的20%、40%、60%、80%. 煤岩损伤变量须经历一定循环次数后趋于稳定[22]，设置每级循环水平加卸载200次. 试验前施加0.5 MPa的轴向应力，以保证煤样与加载装置接触紧密. 试验前期采用应力控制，先以1 MPa/min的加载速率加载围压；为了避免围压加载过程中煤样破坏，轴向应力也以同等速率加载. 待围压加载至22 MPa，再按照偏应力水平上下限递增的应力路径施加偏应力，加卸载速率均为0.025 MPa/s，加载波形为正弦波，加载频率为0.25 Hz. 考虑煤岩埋深超过1100 m，具有温度效应，温度设置为47 ℃，待煤样破坏，加载模式转为位移控制，加载速率为0.1 mm/min. 偏应力（σ1−σ3，其中σ1为轴向应力，σ2、σ3为围压）加载路径随时间t变化示意，如图3所示.

图 3

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图 3   煤样的分级循环加卸载示意图

Fig.3   Graded cyclic loading and unloading diagram of coal sample


2. 试验结果分析

2.1. 煤岩变形特征曲线

试验表明，距开切眼不同地点的研究区煤样偏应力与应变曲线存在相似的规律性差异. 如图4所示为分级循环试验中MTS815直接记录的、距开切眼255 m的研究区煤样偏应力-应变ε曲线. 图中，ε1、ε2、εv分别为轴向应变、横向应变、体积应变. 分别对研究区煤样在第1~4级偏应力水平下的偏应力-轴向应变曲线进行放大展示. 在1~4级偏应力水平下，研究区煤样的整体变化趋势一致，轴向应变均随着偏应力水平的增加而逐渐增加. 当第4级偏应力水平结束时，受保护层开采扰动煤样的ε1=0.57%，相比未受保护层开采扰动煤样，轴向应变增加23.91%. 煤样的轴向受压表现为一定程度的压缩效应，同一偏应力循环下，受保护层开采扰动煤样轴向压缩量更多，即使卸载时有一部分变形得以恢复，煤样轴向不可逆变形量仍大于未受保护层开采扰动煤样. 此外，在第4级偏应力水平下，受保护层开采扰动煤样的体积应变增量明显大于未受保护层开采扰动煤样，受保护层开采扰动煤样由体积压缩逐渐转为体积膨胀. 由研究区煤样在第5级偏应力水平下的偏应力-应变曲线放大图可以看出，受保护层开采扰动煤样在反复高偏应力加卸载作用下损伤加剧，煤样内部产生的微裂隙及裂隙结构面间的滑移使横向变形急剧增长，产生明显的扩容现象，煤样损伤不断累积导致疲劳破坏. 未受保护层开采扰动煤样顺利完成第5级偏应力水平，且在偏应力继续加载过程中发生破坏. 破坏初期，受保护层开采扰动煤样内部细微煤颗粒反复填充裂隙，致使煤样承载力变化[23]，其峰后曲线呈波浪形下降. 随着偏应力持续卸载，煤样内部裂隙开始扩张，破碎的煤颗粒膨胀并聚集于裂隙破坏面，增大裂隙间的摩擦力，因此煤岩强度降低到低谷后出现回升现象，而未受保护层开采扰动煤样强度随偏应力不断卸载而逐渐降低.

图 4

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图 4   距开切眼255 m的煤样偏应力-应变曲线

Fig.4   Deviatoric stress-strain curve of coal samples 255 m from open-off cut


由研究区煤样峰后破坏曲线的对比分析表明，受保护层开采扰动煤样内部结构破坏程度比未受保护层开采扰动煤样的更严重. 根据Wawersik等[24-25]提出的峰后破坏形态可知，受保护层开采扰动煤样峰后曲线下降平缓，轴向应变持续增加且曲线呈外凸状，煤样发生塑性破坏；未受保护层开采扰动煤样峰后曲线下降迅速，轴向应变曲线呈内凹状，煤样发生明显的脆性破坏.

2.2. 煤岩强度分布特征

为了便于分析分级循环下研究区煤样的峰值强度沿工作面煤层走向的分布规律，引入数理统计中样品均值和样品方差的概念. 如图5所示为研究区内距开切眼不同距离L的煤样峰值强度 $ {\sigma }_{{\rm{P}}} $分布. 图中， $ \overline X $为样品数据集中趋势的量数，S2为样品数据离散程度的度量. 受、未受保护层开采扰动煤样的平均峰值强度分别为 $ {\overline{X}}_{\text{a}} $=58.63 MPa、 $ {\overline X_{\text{u}}} $=67.54 MPa. 分别对比受、未受保护层开采扰动煤样的平均三轴抗压强度，发现分级循环荷载下煤样的峰值强度表现出一定强化特质. 针对此现象，左建平等[26-28]验证了循环加卸载对煤岩的强化作用确实存在，并认为煤岩在未达到峰值强度前，煤岩内部存在较大局部破坏，卸载过程中已脱离的碎屑充填于空隙，煤岩内部摩擦特性增强，煤岩承载能力得以改善. 分级循环荷载作用下，受保护层开采扰动煤样的峰值强度比未受保护层开采扰动煤样的平均降低13.2%，且沿工作面煤层走向整体变化差异很小，方差 $ S_{\text{a}}^2 $=0.79. 1）上保护层己14-31050在工作面推进过程中，引起工作面附近支承应力演化，工作面前方的应力降低区内煤岩内部原生裂隙逐渐扩张. 2）工作面反复的采动作用使得被保护层煤岩内部裂隙快速发育，经历应力降低区影响和工作面采动作用的受保护层开采扰动煤样内部裂隙趋向于同化. 因此相同试验条件下，受保护层开采扰动煤样的峰值强度比未受保护层开采扰动煤样低，煤样的峰值强度沿工作面煤层走向呈较为均匀的分布趋势，表明保护层开采扰动在降低煤岩力学性能的同时，发挥了“同化作用”. 未受保护层开采扰动煤样的峰值强度沿工作面煤层走向分布的方差 $ S_{\text{u}}^{\text{2}} $=19.14，离散程度较大区域主要在距开切眼300~900 m（实际取样地点距开切眼834 m），杨永波[29]指出，距开切眼640 m处有1条正断层自西南向东北倾斜贯穿己15-31030煤层. 距开切眼300~900 m的未受保护层开采扰动煤样正处于断层内或位于断层边缘，煤体裂隙结构复杂，物性差异较大，导致该区域煤体的峰值强度整体变化较大. 未受保护层开采扰动煤样的峰值强度分布表明，处于断层带内的煤岩强度低于未处于断层带内的煤岩强度.

图 5

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图 5   研究区煤体的峰值强度分布

Fig.5   Peak strength distribution of coal in study area


2.3. 空间裂隙分形计算与裂隙体积分布特征

2.3.1. 空间裂隙获取与分维特征

外界荷载条件下煤岩裂隙分布特征一直是工程领域的研究热点，煤岩裂隙研究的难点在于内部三维裂隙分布形态的量化描述. 如图6所示，基于SOMATOM Scope的无损检测功能实现对破坏后的煤岩的扫描成像，采用ImageJ软件将CT扫描切片转换成8进制二维切片图像并自动获取切片的灰度直方图，确定分割阈值范围. 将完整的CT切片导入Avizo软件实现图像校准，利用中值滤波方法对图像进行降噪，通过图像的阈值分割处理，得到二值化处理图像，实现对破坏裂隙的可视化处理及分离提取.

图 6

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图 6   煤样的裂隙三维重构及提取

Fig.6   Fracture three-dimensional reconstruction and extraction of coal sample


煤岩内部裂隙具有自相似性且为自然分形. 分形维数是评估裂隙空间分形几何及裂隙复杂程度的直观参数. 传统的节理裂隙面的分形维数计算，仅从二维平面进行裂隙统计，得到的裂隙信息量较少，方法表现出一定的局限性. 为此，采用裂隙立方体覆盖法[30]从三维空间计算裂隙的分形维数，准确、定量的反映煤岩裂隙空间分布特征. 设V(εi)为空间裂隙的体积，V0为常数，εi为覆盖所需立方体的边长，D为三维裂隙分形维数，

$ V\left( {{\varepsilon _{\rm{i}}}} \right) = {V_0}\varepsilon _{\rm{i}}^{^{3 - D}}. $
(1)

若采用边长为εi的立方体覆盖体积为V(εi)的三维裂隙，覆盖所需立方体个数为Ni，则

$ V\left( {{\varepsilon _{\rm{i}}}} \right) = {N_{\rm{i}}}\varepsilon _{\rm{i}}^{^3}. $
(2)

将式（1）带入式（2），取对数得到

$ \lg {{N_{\rm{i}}}} = \lg {{V_0}} - D\lg {{\varepsilon _{\rm{i}}}} . $
(3)

为了准确描述煤岩内部裂隙的整体分布，采用εi分别为1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1 mm的立方体多次覆盖裂隙，结合式（3）对煤岩三维裂隙进行分形表征，如图7所示. 在整体上，研究区煤样内部主裂隙的空间分布呈现出方向性和一致性，均表现为压剪破坏；在局部上，与未受保护层开采扰动煤样相比，受保护层开采扰动煤样破坏严重，煤样内部主裂隙更连续，主裂隙宽度较大且周围游离微裂隙，与水平面成不同倾角的裂隙较多，存在一定数量的未贯穿裂隙，裂隙间连结. 分形维数能够表征裂隙的复杂程度[30-31]，因此受保护层开采扰动煤样的三维裂隙分形维数较大，对应的裂隙空间复杂程度较高. 相比之下，未受保护层开采扰动煤样为不连续裂隙倾斜贯穿煤样顶部直至底部，表现出典型的脆性破坏特征，三维裂隙分形维数较小，反映其裂隙空间复杂程度较低. 基于三维裂隙分形维数的计算，统计研究区煤样三维裂隙分形维数，如表1所示. 由式（3）求得的研究区煤样的三维裂隙分形维数均不相同，且均小于3，符合分形的设计理念，表明研究区煤样内部裂隙分形明显. 拟合直线的拟合度R2均大于0.99，表明立方体覆盖法可以很好地对煤岩内部空间裂隙进行分形描述. 此外，相同加卸载条件下，受保护层开采扰动煤样的三维裂隙分形维数介于2.1696~2.4428，未受保护层开采扰动煤样的三维裂隙分形维数介于1.9121~2.087 5. 相比于后者，前者的三维裂隙分形维数分布范围更大，表明受保护层开采扰动煤样内部裂隙发育程度更高，破坏更为严重，各裂隙相互混合交叉致使其裂隙的复杂程度明显高于后者.

图 7

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图 7   距开切眼255 m的煤岩三维裂隙分形维数计算

Fig.7   Calculation of fractal dimension of three-dimensional fracture of coal rock at 255 m from open-off cut


表 1   煤样的三维裂隙分形维数

Tab.1  Three-dimensional fracture fractal dimension of coal sample

L / m 是否受保护层
开采扰动 		拟合线性方程 R2 D
96 是 $y = - 2.169\;6x+8.349\;6$ 0.9999 2.1696
96 否 $y=-1.996\;0x+8.119\;7$ 0.9998 1.9960
170 是 $y = - 2.181\;5x+8.453\;2$ 0.9994 2.1815
170 否 $y = - 1.916\;5x+7.842\;4$ 0.9987 1.9165
255 是 $y=-2.215\;2x+8.696\;4$ 0.9993 2.2152
255 否 $y = - 1.912\;1x+7.823\;8$ 0.9995 1.9121
389 是 $y = - 2.188\;4x+8.726\;4$ 0.9995 2.1884
389 否 $y = - 1.953\;6x+8.169\;4$ 0.9999 1.9536
495 是 $y = - 2.217\;8x+8.683\;9$ 0.9999 2.2178
495 否 $y = - 1.994\;0x+8.343\;6$ 0.9997 1.9940
640 是 $y = - 2.442\;8x+8.715\;3$ 0.9999 2.4428
640 否 $y = - 2.087\;5x+8.540\;3$ 0.9997 2.0875
680 是 $y = - 2.332\;9x+8.698\;1$ 0.9999 2.3329
680 否 $y = - 2.045\;2x+8.479\;0$ 0.9996 2.0452
834 是 $y = - 2.250\;6x+8.660\;7$ 0.9995 2.2506
834 否 $y = - 1.954\;1x+8.430\;1$ 0.9997 1.9541

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2.3.2. 裂隙体积分布特征

基于上述裂隙体三维重构结果，采用以裂隙体积为基准的损伤变量计算原理[32]，设单位（Φ50 mm×100 mm）煤样体积为 ${V_{\text{A}}}$，煤样基质体积为 ${V_{\text{J}}}$，煤样的空间裂隙体积为 ${V_{\text{L}}}$， ${D_{\text{H}}}$为裂隙体积占比，则

$ {V_{\text{A}}} = {V_{\text{J}}}+{V_{\text{L}}}， $
(4)

$ {D_{\text{H}}} = \frac{{{V_{\text{L}}}}}{{{V_{\text{A}}}}} \times {100_{}}\text{%}. $
(5)

如图8所示为研究区煤样的裂隙体积分布. 单位体积内，受保护层开采扰动煤样的裂隙体积占比沿工作面煤层走向的变化较小，表现出“同化现象”，平均裂隙体积占比 $ { \overline X'_{\text{a}}} $=3.21%，方差 ${S'_{{\text{a}}}}^{\text{2}}$=0.004；未受保护层开采扰动煤样的裂隙体积占比沿被工作面煤层走向变化显著，平均裂隙体积占比 $ { \overline X'_{\text{u}}} $=1.85%，方差 $S{_{ \text{u}}'^2 }$=5.13. 基于均值求增量，单位体积内，受保护层开采扰动煤样的裂隙体积比未受保护层开采扰动煤样的平均增加73.89%，表明在同等试验条件下，受保护层开采扰动煤样内部裂隙破坏程度明显高于未受保护层开采扰动煤样.

图 8

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图 8   研究区煤体的裂隙体积分布

Fig.8   Fracture volume distribution of coal in study area


2.4. 裂隙空间复杂程度与峰值强度的关系

煤岩是极强的非均质体，开采保护层的采动作用一方面引起煤岩力学行为的变化，另一方面促进煤岩各裂隙的迅速发育，产生如单裂隙、平行裂隙的破坏裂隙，各裂隙混合、交错，形成复杂的裂隙网络. 为此，基于破坏煤岩内部三维裂隙的量化参数，对比探究研究区煤样破坏时裂隙空间复杂程度与其峰值强度的对应关系显得格外重要.

如图9所示为研究区煤样三维裂隙分形维数与峰值强度关系曲线. 受保护层开采扰动煤样的三维裂隙分形维数随煤样峰值强度的增大而降低，表明受保护层开采扰动煤样峰值强度越大，破坏时煤样的三维裂隙分形维数越小，与之对应的裂隙空间复杂程度越低. 相比之下，虽然未受保护层开采扰动煤样破坏时，三维裂隙分形维数与煤样峰值强度的对应关系相对离散，但整体上，也呈现与受保护层开采扰动煤样相同的变化规律. 基于研究区煤样的三维裂隙分形维数与煤样峰值强度的拟合直线表明：相比于未受保护层开采扰动煤样，受保护层开采扰动煤样的三维裂隙分形维数与煤样峰值强度间的对应关系更明显，更符合煤岩破坏时裂隙空间复杂程度与其峰值强度存在反向对应分布的规律.

图 9

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图 9   煤岩三维裂隙分形维数与峰值强度的对应分布规律

Fig.9   Corresponding distribution law of three-dimensional fracture fractal dimension and peak strength of coal rock


3. 结　论

（1）加卸载过程中，受保护开采扰动煤样体积膨胀变形明显，内部损伤程度严重且提前达到破坏点，煤样发生塑性破坏. 当在受保护层开采扰动煤层实施巷道掘进时，应提高对巷道顶地板、巷道煤壁的监控力度，加强锚杆加固和注浆填充，避免巷道底鼓、帮鼓灾害的发生.

（2）受保护层开采扰动煤样峰值强度平均比未受保护层开采扰动煤样降低13.2 %，且沿工作面煤层走向整体呈均匀性分布. 处于断层带内的部分未受保护层开采扰动煤样峰值强度分布差异较大，反映了断层带对煤岩物性（如内部裂隙）有显著影响.

（3）受、未受保护层开采扰动煤样均表现出压-剪破坏特征，但前者内部空间裂隙分布范围、复杂程度明显大于后者；单位体积内，前者裂隙体积平均比后者增加73.89 %，裂隙体积占比沿工作面煤层走向分布较为均匀，表现出“同化现象”.

（4）煤岩破坏时裂隙空间复杂程度与其峰值强度存在反向对应分布规律，三维裂隙分形维数能够作为评估煤岩裂隙破坏程度及煤岩强度的重要参考指标.

（5）本研究以分级循环荷载模拟回采过程中反复采动应力对保护层开采扰动煤岩的长期作用，从强度、裂隙两个方面对比研究区煤样的力学差异性，未能考虑保护层开采扰动煤岩的孔隙渗流演化特性. 未来，计划对保护层开采扰动煤体内部孔隙进行全面细致的分类提取，实现各孔径段的孔隙结构立体空间分布形态及定量表征.

参考文献

蒋长宝, 魏财, 庄万军, 等

等幅循环荷载下页岩的变形特性及能量演化机制研究

[J]. 岩石力学与工程学报, 2020, 39 (12): 2416- 2428

DOI:10.13722/j.cnki.jrme.2020.0451      [本文引用: 1]

JIANG Chang-bao, WEI Cai, ZHUANG Wan-jun, et al

Research on deformation characteristics and energy evolution mechanisms of shale under constant amplitude cyclic loading

[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2020, 39 (12): 2416- 2428

DOI:10.13722/j.cnki.jrme.2020.0451      [本文引用: 1]

YAO B H, MA Q Q, WEI J P, et al

Effect of protective coal seam mining and gas extraction on gas transport in a coal seam

[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2016, 26 (4): 637- 643

DOI:10.1016/j.ijmst.2016.05.016      [本文引用: 1]

彭高友, 高明忠, 吕有厂, 等

深部近距离煤层群采动力学行为探索

[J]. 煤炭学报, 2019, 44 (7): 1971- 1980

DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2018.1206      [本文引用: 1]

吴再海, 宋朝阳, 谭杰, 等

不同分级循环加卸载模式下岩石能量演化规律研究

[J]. 采矿与安全工程学报, 2020, 37 (4): 836- 844

[本文引用: 1]

WU Zai-hai, SONG Zhao-yang, TAN Jie, et al

The evolution law of rock energy under different graded cyclic loading and unloading modes

[J]. Journal of Mining and Safety Engineering, 2020, 37 (4): 836- 844

[本文引用: 1]

谢和平, 周宏伟, 刘建峰, 等

不同开采条件下采动力学行为研究

[J]. 煤炭学报, 2011, 36 (7): 1067- 1074

DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2011.07.025      [本文引用: 1]

XIE He-ping, ZHOU Hong-wei, LIU Jian-feng, et al

Mining-induced mechanical behavior in coal seams under different mining layouts

[J]. Journal of China Coal Society, 2011, 36 (7): 1067- 1074

DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2011.07.025      [本文引用: 1]

谢和平, 张泽天, 高峰, 等

不同开采方式下煤岩应力场-裂隙场-渗流场行为研究

[J]. 煤炭学报, 2016, 41 (10): 2405- 2417

DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1393      [本文引用: 1]

XIE He-ping, ZHANG Ze-tian, GAO Feng, et al

Stress-fracture-seep-age field behavior of coal under different mining layouts

[J]. Journal of China Coal Society, 2016, 41 (10): 2405- 2417

DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1393      [本文引用: 1]

任伟光, 周宏伟, 薛东杰, 等

上保护层开采下煤岩强扰动力学行为与渗透特性

[J]. 煤炭学报, 2019, 44 (5): 1473- 1481

DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2019.6011      [本文引用: 1]

REN Wei-guang, ZHOU Hong-wei, XUE Dong-jie, et al

Mechanical behavior and permeability of coal and rock under strong mining disturbance in protected coal seam mining

[J]. Journal of China Coal Society, 2019, 44 (5): 1473- 1481

DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2019.6011      [本文引用: 1]

YIN G Z, LI M H, WANG J G, et al

Mechanical behavior and permeability evolution of gas infiltrated coals during protective layer mining

[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2015, 80: 292- 301

DOI:10.1016/j.ijrmms.2015.08.022      [本文引用: 1]

LI Q M, LIANG Y P, ZOU Q L

Seepage and damage evolution characteristics of gas-bearing coal under different cyclic loading–unloading stress paths

[J]. Processes, 2018, 6 (10): 190

DOI:10.3390/pr6100190      [本文引用: 1]

许江, 刘东, 尹光志, 等

非均布荷载条件下煤与瓦斯突出模拟实验

[J]. 煤炭学报, 2012, 37 (5): 836- 842

DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2012.05.026      [本文引用: 1]

XU Jiang, LIU Dong, YIN Guang-zhi, et al

Simulation experiment of coal and gas outburst under non-uniform load

[J]. Journal of China Coal Society, 2012, 37 (5): 836- 842

DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2012.05.026      [本文引用: 1]

张振宇, 钟春林, 薛康生, 等

循环外载激发下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制

[J]. 煤炭学报, 2021, 46 (2): 466- 476

DOI:10.13225/j.cnki.jccs.xr20.1893      [本文引用: 1]

ZHANG Zhen-yu, ZHONG Chun-lin, XUE Kang-sheng, et al

Mechanical mechanism of pore fluid on coal dynamic disasters under cyclic loading

[J]. Journal of China Coal Society, 2021, 46 (2): 466- 476

DOI:10.13225/j.cnki.jccs.xr20.1893      [本文引用: 1]

朱卓慧, 冯涛, 宫凤强, 等

煤岩组合体分级循环加卸载力学特性的实验研究

[J]. 中南大学学报:自然科学版, 2016, 47 (7): 2469- 2475

[本文引用: 1]

ZHU Zhuo-hui, FENG Tao, GONG Feng-qiang, et al

Experimental research of mechanical properties on grading cycle loading-unloading behavior of coal-rock combination bodies at different stress level

[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2016, 47 (7): 2469- 2475

[本文引用: 1]

许江, 李波波, 周婷, 等

循环荷载作用下煤变形及渗透特性的试验研究

[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33 (2): 225- 234

XU Jiang, LI Bo-bo, ZHOU Ting, et al

Experimental study of deformation and seepage characteristics of coal under cyclic loading

[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33 (2): 225- 234

DUAN M K, JIANG C B, XING H L, et al

Study on damage of coal based on permeability and load-unload response ratio under tiered cyclic loading

[J]. Arabian Journal of Geosciences, 2020, 13: 250

DOI:10.1007/s12517-020-5249-4     

YANG X L, CAO J, CHENG X Y, et al

Mechanical response characteristics and permeability evolution of coal samples under cyclic loading

[J]. Energy Science and Engineering, 2019, 7 (5): 1588- 1604

DOI:10.1002/ese3.368      [本文引用: 1]

李晓泉, 尹光志, 蒋长宝, 等

阶段性循环载荷对突出煤样渗透特性的影响

[J]. 重庆大学学报, 2012, 35 (1): 110- 116

DOI:10.11835/j.issn.1000-582X.2012.01.021      [本文引用: 1]

LI Xiao-quan, YIN Guang-zhi, JIANG Chang-bao, et al

Effect of ourburst coal’s gas seepage properties under stage cyclic loading

[J]. Journal of Chongqing University, 2012, 35 (1): 110- 116

DOI:10.11835/j.issn.1000-582X.2012.01.021      [本文引用: 1]

SONG D Z, WANG E Y, LI Z H, et al

Energy dissipation of coal and rock during damage and failure process based on EMR

[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2015, 25 (5): 787- 795

DOI:10.1016/j.ijmst.2015.07.014      [本文引用: 1]

刘忠玉, 董旭, 张旭阳

分级循环荷载下层理煤岩力学特性试验研究

[J]. 岩石力学与工程学报, 2021, 40 (Suppl.1): 2593- 2602

DOI:10.13722/j.cnki.jrme.2020.0643      [本文引用: 1]

LIU Zhong-yu, DONG Xu, ZHANG Xu-yang

Experimental study on mechanical properties of bedding coal and rock under graded cyclic loading

[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2021, 40 (Suppl.1): 2593- 2602

DOI:10.13722/j.cnki.jrme.2020.0643      [本文引用: 1]

刘毅. 分级循环荷载下丁字形裂隙试样的力学特性及其损伤规律实验研究 [D]. 西安: 西安理工大学, 2020.

[本文引用: 1]

LIU Yi. Experimental study on mechanical properties and damage law of T-shaped cracked sample under multi-level cycling loading [D]. Xi’an: Xi’an University of Technology, 2020.

[本文引用: 1]

中华人民共和国国土资源部. 岩石物理力学性质试验规程: 第18部分 岩石单轴抗压强度试验: DZ/T 0276.18-2015[S]. 北京: 中国标准出版社, 2015: 2.

[本文引用: 1]

张晖辉, 颜玉定, 余怀忠, 等

循环载荷下大试件岩石破坏声发射实验——岩石破坏前兆的研究

[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23 (21): 3621- 3628

DOI:10.3321/j.issn:1000-6915.2004.21.011      [本文引用: 1]

ZHANG Hui-hui, YAN Yu-ding, YU Huai-zhong, et al

Acoustic emission experimental research on large-scaled rock failure under cycling load——fracture precursor of rock

[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23 (21): 3621- 3628

DOI:10.3321/j.issn:1000-6915.2004.21.011      [本文引用: 1]

邹俊鹏, 陈卫忠, 杨典森, 等. 循环荷载条件下原煤力学性质及损伤演化规律[J]. 煤炭学报, 2016, 41(7): 1675-1682.

[本文引用: 1]

ZOU Jun-peng, CHEN Wei-zhong, YANG Dian-sen, et al. Mechanical properties and damage evolution of coal under cyclic loading conditions [J]. Journal of China Coal Society, 2016, 41(7): 1675–1 682.

[本文引用: 1]

孔德中, 杨胜利, 张锦旺, 等

煤样强度特征的浆液量效应试验研究

[J]. 采矿与安全工程学报, 2015, 32 (3): 420- 425

DOI:10.13545/j.cnki.jmse.2015.03.012      [本文引用: 1]

KONG De-zhong, YANG Sheng-li, ZHANG Jin-wang, et al

The experimental study of the grout quantity effect of strength properties of coal sample

[J]. Journal of Mining and Safety Engineering, 2015, 32 (3): 420- 425

DOI:10.13545/j.cnki.jmse.2015.03.012      [本文引用: 1]

WAWERSIK W R, FAIRHURST C

A study of brittle rock fracture in laboratory compression experiments

[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts, 1970, 7 (5): 561- 575

DOI:10.1016/0148-9062(70)90007-0      [本文引用: 1]

王超圣, 周宏伟, 王子辉, 等

不同应力状态下北山花岗岩岩爆倾向性研究

[J]. 工程科学与技术, 2017, 49 (6): 84- 90

[本文引用: 1]

WANG Chao-sheng, ZHOU Hong-wei, WANG Zi-hui, et al

Investigation on the rockburst proneness pf Beishan granite under different stress state

[J]. Advanced Engineering Sciences, 2017, 49 (6): 84- 90

[本文引用: 1]

左建平, 谢和平, 孟冰冰, 等

煤岩组合体分级加卸载特性的试验研究

[J]. 岩石力学, 2011, 32 (5): 1287- 1296

[本文引用: 1]

ZUO Jian-ping, XIE He-ping, MENG Bing-bing, et al

Experimental research on loading-unloading behavior of coal-rock combination bodies at different stress levels

[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32 (5): 1287- 1296

[本文引用: 1]

尤明庆, 苏承东

大理岩试样循环加载强化作用的试验研究

[J]. 固体力学学报, 2008, 29 (1): 66- 72

DOI:10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2008.01.010     

PENG Gao-you, GAO Ming-zhong, LÜ You-chang, et al

Investigation on mining mechanics behavior of deep close distance seam group

[J]. Journal of China Coal Society, 2019, 44 (7): 1971- 1980

DOI:10.13225/j.cnki.jccs.2018.1206      [本文引用: 1]

YOU Ming-qing, SU Cheng-dong

Experimental study on strengthe- ning of marble specimen in cyclic loading of uniaxial or pseudo-triaxial compression

[J]. Chinese Journal of Solid Mechanics, 2008, 29 (1): 66- 72

DOI:10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2008.01.010     

徐速超, 冯夏庭, 陈炳瑞

矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射 特性研究

[J]. 岩土力学, 2009, 30 (10): 2929- 2934

DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2009.10.006      [本文引用: 1]

XU Su-chao, FENG Xia-ting, CHEN Bing-rui

Experimental study of skarn under uniaxial cyclic loading and unloading test and acoustic emission characteristics

[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30 (10): 2929- 2934

DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2009.10.006      [本文引用: 1]

杨永波

上保护层开采下原煤孔隙结构及损伤破坏特征研究

[J]. 矿业研究与开发, 2021, 41 (9): 74- 79

DOI:10.13827/j.cnki.kyyk.2021.09.014      [本文引用: 1]

YANG Yong-bo

Study on pore structure and damage and failure characteristics of raw coal under upper protective layer mining

[J]. Mining Research and Development, 2021, 41 (9): 74- 79

DOI:10.13827/j.cnki.kyyk.2021.09.014      [本文引用: 1]

赵小平, 裴建良, 戴峰, 等

裂隙岩体内3维裂隙体的分形描述

[J]. 四川大学学报: 工程科学版, 2014, 46 (6): 95- 100

[本文引用: 2]

ZHAO Xiao-ping, PEI Jian-liang, DAI Feng, et al

Fractal description of cracks in rock mass

[J]. Journal of Sichuan University: Engineering Sciences Edition, 2014, 46 (6): 95- 100

[本文引用: 2]

毛灵涛, 连秀云, 郝丽娜

基于数字体图像三维裂隙的分形计算及应用

[J]. 中国矿业大学学报, 2014, 43 (6): 1134- 1139

DOI:10.13247/j.cnki.jcumt.000249      [本文引用: 1]

MAO Ling-tao, LIAN Xiu-yun, HAO Li-na

The fractal calculation of 3D cracks based on digital volumetric images and its application

[J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2014, 43 (6): 1134- 1139

DOI:10.13247/j.cnki.jcumt.000249      [本文引用: 1]

杨更社, 刘慧

基于CT图像处理技术的岩石损伤特性研究

[J]. 煤炭学报, 2007, 32 (5): 463- 468

DOI:10.3321/j.issn:0253-9993.2007.05.004      [本文引用: 1]

YANG Gen-she, LIU Hui

Study on the rock damage characteristics based on the technique of CT image processing

[J]. Journal of China Coal Society, 2007, 32 (5): 463- 468

DOI:10.3321/j.issn:0253-9993.2007.05.004      [本文引用: 1]

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