高明忠，王明耀，謝 晶，李欣凱，王英偉，王 飛，楊本高，張朝鵬，劉軍軍

(1.中國平煤神馬集團煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山 467000；2.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室 水利水電學院，四川 成都 610065；3.深圳大學 廣東省深地科學與地熱能開發(fā)利用重點實驗室深地科學與綠色能源研究院 土木與交通工程學院，廣東 深圳 518060；4.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

隨著煤礦開采深度的不斷增加，煤與瓦斯突出成為制約礦井高產(chǎn)高效的重要因素。如何安全、經(jīng)濟、有效地防治煤與瓦斯突出，前人為此進行了大量的研究，提出了許多有效的防治措施，其中，保護層開采技術是已被大量實踐證明并用法規(guī)形式確立為防治煤礦突出危險的行之有效的開采方法，在國內(nèi)外廣泛應用。保護層開采能大幅度改善被保護層的透氣性，有利于瓦斯運移和煤層瓦斯卸壓抽放，達到預防煤與瓦斯突出的目的。在研究保護層開采過程中，被保護層受采動和靜水壓力作用下的變形特性對現(xiàn)場保護層開采方案的有效實施具有重要的理論和實際意義[1-3]。

深部煤巖體受初始地應力場的作用，經(jīng)地下工程開挖擾動后，原巖應力場發(fā)生變化，最明顯的特征就是水平應力的卸荷過程，導致煤巖體力學性質(zhì)表現(xiàn)出本質(zhì)的區(qū)別[4-6]。國內(nèi)外一些學者通過研究某些具體條件下煤層上壓力分布規(guī)律，揭示了煤層厚度、強度及開采深度等因素對支承壓力的影響[7-9]。謝和平等[10-12]通過3種典型開采條件下（放頂煤開采、無煤柱開采與保護層開采）力學行為試驗研究，得到煤巖體采動力學行為與開采方式的關聯(lián)性。左建平等[13]基于3種典型的開采方式，對圍巖同時進行了恒定卸圍壓、變速率加軸壓的三軸壓縮試驗，認為破壞模式主要由屈服時的圍壓所決定。李天斌等[14]對玄武巖進行了卸荷破壞試驗，得到卸荷狀態(tài)下，隨著破壞時圍壓增大，試樣破壞形式逐漸由張性破壞向張剪性破壞過渡，且張剪破裂角也隨之增大。劉維國等[15]通過研究三軸試驗中各種應力路徑下的應力?應變關系，發(fā)現(xiàn)不同卸載應力路徑中最大主應力方向應變均最大這一現(xiàn)象。Swansson[16]和Crouch[17]等先后利用三軸試驗機研究了卸圍壓對巖石強度的影響,得出應力路徑對巖石強度的影響并不明顯。然而，蘇承東等[18]進行了不同應力路徑下的原煤試件加卸載試驗，認為相同圍壓下三軸卸圍壓時，試樣的承載能力比常規(guī)三軸卸載時明顯偏低。關于卸載速率的研究：Alam等[19]研究了砂巖在靜態(tài)和動態(tài)壓縮應變速率下的力學行為。薛東杰等[20]研究了不同卸載模式下煤樣的力學特征參量和變形破壞特性，得到煤樣破壞前吸收能量密度隨著軸向卸載速率的關系。關于卸載速率對煤巖體力學特性的影響，前人通過單軸壓縮、三軸壓縮、直接拉伸以及間接拉伸等方法做了大量的研究，普遍認為在一定卸載速率范圍內(nèi)，煤以及頂板圍巖強度隨卸載速率的增大而呈增大趨勢[21-24]。

綜上，前人研究比較集中地關注了不同卸載模式和卸載速率對煤巖體力學行為的影響，但對深部保護層開采過程中不同卸載速率下的煤巖破壞特征所知甚少。然而，開采速度對煤巖體強度、裂隙的發(fā)育演化等起到了極其關鍵的作用[25-26]，對保護層開采過程中巷道支護、瓦斯抽采具有重要意義。目前，室內(nèi)卸載速率如何與現(xiàn)場推薦速度進行轉(zhuǎn)換仍是一個難題。現(xiàn)已有學者把上覆巖層對于煤層的擠壓看作是剛性試驗機對于試樣的擠壓，以此作為突破口，通過現(xiàn)場監(jiān)測建立起采面推進速度與現(xiàn)場煤壁壓縮速率的關系；然后，通過煤壁厚度與試樣高度關系換算現(xiàn)場煤壁壓縮速率與室內(nèi)卸載速率的關系；最后，可由室內(nèi)卸載速率反推采面推進速度[27-28]。然而，目前研究僅僅初步考慮了單軸壓縮卸載率與實際采面推進關系，難以反映保護層開采過程中軸壓上升速度和圍壓卸載速度的比例關系，三軸卸載速率與實際煤層開采速率的相關關系仍需進一步探討。

本文試圖探索保護層開采條件下不同卸載速率對煤巖變形性質(zhì)、強度顯現(xiàn)特征及破壞的影響規(guī)律。因此，選用較為常用的卸載速率反映現(xiàn)場不同推進速度下圍巖強度變形?；?MTS815 試驗機，模擬深部采動力學過程；通過改變卸載速率，在重現(xiàn)煤巖靜荷載（地應力）基礎之上，開展保護層開采條件下煤巖力學試驗，揭示考慮開采擾動與準靜態(tài)卸載作用，煤巖在不同卸載速率下力學行為的本質(zhì)差異，為現(xiàn)場保護層開采合理推進速度的制定提供參考依據(jù)。

1 試驗區(qū)工作面煤巖采動應力特征試驗分析

1.1 試驗區(qū)工作面概況

平煤十二礦位于平頂山礦區(qū)東部、井田北部，為二疊系上統(tǒng)石千峰組組成的馬鵬山、五節(jié)山等丘陵。該工作面位于五節(jié)山北部，地面為山地，地面標高+230 m～+320 m，工作面標高-762 m～-798 m，垂深1 006 m～1 137 m。煤層賦存較好，平均煤厚3.3 m，裂隙較為發(fā)育，在構造附近煤厚有所變化，煤層傾角3°～7°，煤層結構為簡單結構煤層，煤體結構多為原生結構煤。

盡管不同開采速度下的支承壓力分布規(guī)律影響因素較多，但其分布規(guī)律共性特征十分顯著。謝和平等[10]通過分析不同開采條件下工作面支承壓力分布規(guī)律，獲得工作面前方煤體所承受的采動力學應力環(huán)境條件，即：隨著工作面開采范圍的增加，作用在煤壁前方的支承壓力從原始應力狀態(tài)開始增大；當峰值應力超過煤體強度極限后，煤體中的支承壓力逐漸減小至殘余應力，形成一個完整的時空演化過程。更大范圍內(nèi)，支承壓力峰值大小、峰值位置及時空演化過程與工作面布置、開采方法密切相關，針對平煤礦區(qū)保護層開采工作面，其前方支承壓力分布見圖1[10]。圖1中：σ1為垂直應力；σ2和σ3為水平應力；λ為側(cè)壓比，即水平應力與垂直應力之比；Y為工作面上覆巖層平均容重；H為工作面埋深；K為應力集中系數(shù)。

圖1 保護層開采條件下工作面前方煤體應力環(huán)境[10]Fig. 1 Stress state of coal in the front of working face for protected coal seam mining[10]

1.2 保護層開采條件下工作面前方煤巖體應力路徑設計

為了探索深部不同卸載速率下煤巖體的采動力學行為，從平煤礦區(qū)1 050 m深度獲取煤樣，基于謝和平等[10]提出的保護層開采條件下工作面前方煤體應力環(huán)境變化規(guī)律，工作面前方煤巖體經(jīng)歷的采動應力演化模擬路徑如圖2所示，擬定如下所示試驗方案。

圖2 保護層開采條件下應力路徑Fig. 2 Stress path for protected coal seam mining

模擬采面推進水平應力卸荷階段：第1卸載階段（AB段），煤巖體由靜水壓力狀態(tài)逐漸變化至軸向應力，集中系數(shù)K等于1.5，即σ1=1.5λγH≈50 MPa，煤巖軸向偏應力（σ1-σ3）增加和橫向應力（σ3）卸載之比為2.25∶1；第2卸載階段（BC段），應力集中系數(shù)由1.5逐漸減小直至煤巖發(fā)生卸荷破壞，軸向偏應力（σ1-σ3）增加和橫向應力（σ3）卸載之比仍為2.25∶1[10]。

若把上覆巖層看作是試驗機的上壓板，推進速度越快，頂板以及煤層受上覆巖層壓力作用就越迅速，即卸載速率越快，這必然導致采面應力場發(fā)生劇烈變化[27]。目前，已開展大量卸載破壞力學試驗，學者們普遍認為卸載速率越快，巖體破壞時的峰值強度將越高，原因是緩慢的卸載速率使得巖體內(nèi)初始損傷和增生的裂紋具有充分的時間進一步演化發(fā)展，而裂紋發(fā)育貫通會加速巖體破壞，導致巖體整體強度降低[31-32]。相關研究還認為，室內(nèi)試驗卸載速率與現(xiàn)場采面推進速度存在正相關關系，而現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明開采速度過快會降低采面前方煤巖體的承載能力，使得其更容易發(fā)生破壞，同時強開采擾動會導致煤巖體變形位移量級顯著增大，垮落破壞突發(fā)性顯著增強[27,33?35]。因而，傳統(tǒng)單一卸載試驗得到的部分規(guī)律在實際生產(chǎn)過程中并不適用。為探究保護層開采工作面推進速度對巖石強度的影響，設計5個卸載速率（卸載階段圍壓速率分別為1、2、3、4、5 MPa/min），展開考慮擾動應力路徑的室內(nèi)模擬試驗，揭示不同卸載速率下煤巖采動力學行為。

2 卸載速率對煤巖力學特征響應規(guī)律與機制研究

試驗采用四川大學深地科學與工程教育部重點實驗室的 MTS815 Flex Test GT巖石力學測試系統(tǒng)，對標準圓柱形煤樣進行開采擾動條件下、不同卸載速率三軸壓縮試驗。試樣安裝如圖3所示。

圖3 煤樣三軸壓縮過程示例Fig. 3 Example of triaxial compression process of coal samples

試驗煤樣是由平煤礦區(qū)1 050 m己組煤層某工作面煤塊制得的標準煤樣。對試樣按順序編號，選取試樣中完整度較高、表面無宏觀裂紋與明顯缺失、密度離散性較小的試樣，煤樣密度分布在1.32～1.45 g/cm3之間，各試樣參數(shù)如表1所示。

表1 試樣物理性質(zhì)統(tǒng)計Tab. 1 Statistics of physical properties of samples

圖4為不同卸載速率下，煤巖體力學行為特征曲線。圖4中，σ1為試驗過程中軸向應力，ε1為軸向應變，ε3為環(huán)向應變，εv為體積應變。由圖4可知：煤巖整個采動過程中體積應變不僅出現(xiàn)了相對初始狀態(tài)的壓縮，在達到峰值強度之前直到破壞階段就已經(jīng)出現(xiàn)了體積膨脹；1、2、3、4、5 MPa/min破壞時對應的平均體積應變分別為-0.185%、-0.245%、-0.097%、-0.015%、-0.016%，這主要是由于軸向應力在不斷上升，而圍壓在不斷卸荷，試樣缺少水平方向的約束，膨脹的環(huán)向應變對體積的影響大于壓縮的軸向應變，導致出現(xiàn)體積膨脹現(xiàn)象。

在基于保護層開采應力路徑的卸載力學試驗中，隨著卸載速率提高，一方面，開采強擾動引起的圍壓卸載速率不斷增加，導致圍壓快速下降，煤巖體更易向橫向膨脹，產(chǎn)生較大的體積變形，試件內(nèi)部尚未發(fā)生充分的適應性調(diào)整，使得周邊實體介質(zhì)承擔過多的荷載，更易失穩(wěn)破壞，導致試樣強度降低；另一方面，在卸載速率較大時，試件內(nèi)部的微小裂隙未能充分發(fā)育、擴展，使得內(nèi)部保持更好的完整性，從而表現(xiàn)出抗壓強度隨開采速度增加而增加。二者共同作用下，使得采動過程中煤巖體整體強度隨卸載速率增加（圍壓下降速度逐漸加大）呈先減小后增加再減小的趨勢。由圖4可明顯看出：在保護層開采過程中，1和4 MPa/min卸載速率下，煤巖體強度達到最大，其σ1平均峰值應力達到64 MPa左右。在1～3 MPa/min卸載范圍內(nèi)，隨卸載速率的增加，煤巖體強度整體呈減小趨勢，1 MPa/min卸載速率煤巖體破壞時σ1峰值應力較3 MPa/min時提高了約12%；此時試樣強度主要受圍壓影響，圍壓下降過快，導致實體承載結構率先破斷，喪失承載能力，煤巖體更易失穩(wěn)破壞。隨著卸載速率的繼續(xù)提高，4 MPa/min時，試樣強度開始回升，此時裂隙發(fā)育成為影響試樣強度的主要因素，在卸載速率較大時，其內(nèi)部的微裂隙不能充分發(fā)育，試樣保持了更好的完整性，因此試樣強度開始出現(xiàn)回升現(xiàn)象。保護層開采條件下不同卸載速率煤巖體積先壓縮后膨脹，普遍在破壞前就已出現(xiàn)體積膨脹現(xiàn)象，體積膨脹點（體積應變與縱坐標交點）隨卸載速率的增加整體呈先減小后增加再減小，與峰值應力規(guī)律一致。

圖4 不同卸載速率下煤巖力學行為特征曲線Fig. 4 Mechanical behavior characteristic curves of coal mass under different unloading rates

試驗結果表明：當卸載速率在一定范圍內(nèi)時，提高卸載速率會降低煤巖體強度，需采取更多的支護措施；若超出該范圍，提高卸載速率會使煤巖體整體強度顯著增加。因而對應到現(xiàn)場工程實踐，結合室內(nèi)研究結果與實際開采情況（采用的開采方式、機械條件可達到的開采速度范圍、釆動影響范圍內(nèi)圍巖破碎程度等），將工作面開采速度控制在某個合理范圍內(nèi)，在保證煤巖體具有較高承載能力的同時，保證具有較高的生產(chǎn)效率，對于煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

為更加直觀地考慮卸載速率的影響，利用試驗所得數(shù)據(jù)平均值繪制圖5。由圖5可知，煤巖采動力學行為與卸載速率具有相關性，即基于不同卸載速率下的煤巖體力學行為的試驗研究，得到煤巖體破壞時對應的圍壓、峰值應力、軸向應變、環(huán)向應變等均與卸載速率相關聯(lián)，試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同卸載速率煤巖破壞時試驗結果Tab. 2 Experimental results of coal failure with different unloading rates

從圖5可明顯看出，保護層開采方式下，煤巖破壞時的峰值應力隨卸載速率的增加呈先減小后增大再減小的趨勢，而圍壓的變化與其正好相反。整體而言，煤巖保護層開采方式下峰值應力對應的縱橫向應變絕對值均隨卸載速率增加呈先減小后增加的變化趨勢。

圖5 煤巖破壞時峰值應力、縱橫向應變與卸載速率關系Fig. 5 Relationship between peak stress, vertical and horizontal strain and unloading speed in coal failure

在2 MPa/min和3 MPa/min卸載速率工況下，煤巖體破壞時的圍壓較大，縱橫向變形較小，但體積變形較大，也即在高地應力環(huán)境下塑性特征更加明顯，積聚了更多的能量，易產(chǎn)生高強度破壞。

3 不同卸載速率下煤巖體裂隙演化特征分析

通過采動煤巖破壞形態(tài)對比（圖6），各卸載速率下煤巖宏觀破壞特征相似，試樣破壞斷口清晰，明顯以剪切破壞為主，大部分主剪切面貫通試樣，且試件破壞的宏觀裂紋均沿著軸向應力方向擴展，最終貫通整個試樣，使試樣失去承載能力。不同卸載速率下的煤巖試樣均未觀察到伴隨主裂紋發(fā)生的層面破壞現(xiàn)象，主裂紋均貫穿煤巖體，隨著卸載速率增加，主裂紋方向有從側(cè)面向端部過渡的趨勢。從裂紋數(shù)量來看，低卸載速率條件下，煤樣在破壞時，裂紋總條數(shù)相對較多，除了主裂紋了之外，在主裂紋周邊還會出現(xiàn)多條伴生的細小裂紋（圖6（a）），這些都需要消耗一定能量的可釋放彈性能，最終導致破損程度更大；微裂紋處產(chǎn)生的局部應力集中現(xiàn)象也在一定程度上影響了煤巖試樣的破壞形態(tài)。此外，煤巖破壞時，圍壓先增大后減小再增大，2 MPa/min時峰值應力對應的圍壓基本最大，由圖6可知，此時試樣破碎程度最大，也說明高圍壓狀態(tài)下煤巖體積膨脹最為劇烈，破碎程度達到最大，宏觀破壞缺損也更多，試樣表面煤巖薄片與碎粒剝落現(xiàn)象更加明顯。當卸載較快時，裂紋較少，煤樣在破壞時只出現(xiàn)了幾條主要裂紋，破壞形態(tài)從多宏觀破壞面向單一破壞面轉(zhuǎn)變；試樣內(nèi)部微小裂隙來不及完全發(fā)育、擴展和貫通，試件中的力來不及充分傳遞，當彈性應變能積聚到一定程度，能量便迅速沿某一最薄弱的方向釋放，從而形成單一的宏觀破壞面?？傮w上，低卸載速率下裂隙可以較為充分發(fā)育，裂紋數(shù)量更多，有利于瓦斯抽采[36-37]；在保護層開采時，可以通過適當降低開采速度改善煤層透氣性。

圖6 不同卸載速率煤巖破壞形態(tài)Fig. 6 Failure mode of coal with different unloading rates

為定量表征不同深度圍巖隨卸載速率變化的損傷演化規(guī)律，將不同卸載速率煤巖破壞形態(tài)圖導入Auto CAD中，用帶寬度值的曲線描出各條裂隙，實現(xiàn)圖像信息矢量化，利用MATLAB計算裂隙密度ρ：

式中：Sfracture為裂隙面積，cm2；Sborehole為裂隙素描圖總面積，cm2。

統(tǒng)計不同卸載速率下試樣破壞時的裂隙密度，可直觀得出裂隙演化規(guī)律主要為：隨著卸載速率增加，裂隙分布更為簡單，密度更小，卸載速率1、2、3、4、5 MPa/min下煤巖裂隙密度分別為0.797%、0.730%、0.730%、0.620%、0.490%，其中，1 MPa/min約為5 MPa/min的1.61倍。裂隙密度表征了裂隙在煤巖表面的占位，可度量裂隙在空間的復雜程度，結果表明：低卸載速率下，煤巖體裂隙有時間充分發(fā)育、擴展，導致裂隙密度較大，裂紋數(shù)量較多；同時受破壞時高圍壓作用，在經(jīng)歷工程擾動后，圍巖受力更為復雜、強烈，致使裂紋擴展的各向異性越強。

4 不同卸載速率效應的采動特性分析

不同卸載速率下，煤巖考慮采動的力學試驗與未考慮采動的常規(guī)三軸卸載力學行為特征曲線（圖7）表明，不同卸載速率下，煤巖體在整個采動過程中（圖7（a））體積應變不僅出現(xiàn)了相對初始狀態(tài)的壓縮，還出現(xiàn)了破壞階段的體積膨脹。然而，此前研究未考慮開采方式的影響，更沒有按千米級賦存深度下的采動模型方式進行卸載，因而得到的煤巖體破壞時的體積變形相對初始狀態(tài)始終表現(xiàn)為壓縮特征（圖7（b）），整個破壞過程未出現(xiàn)體積膨脹現(xiàn)象。因此，煤巖體變形破壞過程中的體積膨脹可作為采動特征，明顯區(qū)別于煤巖體未采動下的體積壓縮?，F(xiàn)場煤層開采過程中，工作面前方煤巖體更易沿臨空面方向產(chǎn)生較大變形并伴隨大量裂隙破裂面。究其原因，煤層開采或者開挖活動破壞了原巖賦存應力平衡，支承壓力升高的同時圍壓開始卸載并逐漸減小，從而導致采動煤巖體更易產(chǎn)生側(cè)向膨脹，引起煤巖體破壞，破損程度更大。

圖7 不同卸載速率下，煤巖考慮采動與未考慮采動的力學行為特征曲線Fig. 7 Characteristic curves of mechanical behaviors of coal under different unloading rates considering mining and not considering mining

另外，在采動條件下，各個卸載速率下的煤巖強度明顯小于共同對應的未考慮采動時的強度，主要是因為工作面前方煤巖體采動過程是一個水平應力減小、軸向荷載不斷增大的卸載過程，煤巖體更易由初始地應力狀態(tài)到達破壞狀態(tài)，從而導致考慮采動影響的不同卸載速率下煤巖的強度普遍小于未考慮采動影響煤巖的強度，現(xiàn)場工作面前方煤巖體在采動過程中更易發(fā)生破壞。未考慮采動影響的煤巖體力學特性規(guī)律和受采動影響相比有明顯的不同，由應力-應變曲線形態(tài)可知，未考慮采動影響的煤樣在初始狀態(tài)均呈現(xiàn)顯著線彈性變形特征，試樣破壞、峰值應力在1～4 MPa/min時，隨著卸載速率的增加并無明顯變化，達到5 MPa/min時才有明顯的上升，約為115 MPa，較1～3 MPa/min時的峰值應力提高了約12%。這是由于常規(guī)三軸壓縮試驗并未考慮水平應力的卸荷過程，導致試樣強度受卸載速率影響相對較小。由圖7（b）可知：未考慮采動影響、卸載速率為1 MPa/min時，試樣應變較小，相同圍壓作用下，卸載速率在2～5 MPa/min時試樣應變并無明顯變化，圍巖變形受卸載速率影響相對較??；但在采動條件下，由于圍壓在不斷下降，不同卸載速率試樣應變變化較大，側(cè)面反映了圍壓對應變影響較大。常規(guī)三軸壓縮試驗在整個變形破壞過程中煤樣相對于初始狀態(tài)始終保持壓縮，不同的是，高卸載速率下煤樣在破壞時具有明顯的膨脹趨勢；在低卸載速率下，破壞時雖然也出現(xiàn)了體積膨脹，但相比而言擴容現(xiàn)象并不明顯。

通過展開不同卸載速率下考慮采動與未考慮采動的室內(nèi)變形破壞試驗，不僅獲得了相應的力學行為特征曲線，還得到了其破壞特征，如圖8所示。由圖8可知，下煤巖采動破壞特征相比未考慮采動影響存在明顯的差異性，其破壞時煤巖宏觀破裂面更多，破損程度更大。未考慮采動影響的煤巖體裂隙密度在1、2、3、4、5 MPa/min卸載速率下分別為0.50%、0.37%、0.33%、0.27%、0.43%，和采動條件下規(guī)律基本一致，即隨著卸載速率的增加，整體上呈減小趨勢；但是同樣的卸載速率下，考慮采動影響的煤巖體裂隙密度明顯較大，與采動條件下的體積膨脹特征相吻合。此外，采動條件下，煤巖體主要破裂面除了壓剪破裂面外，還存在一些貫穿其中的橫向破裂面，這些都需要消耗一定能量的可釋放彈性能，最終導致破損程度更大。而未考慮采動的煤巖體主要表現(xiàn)為壓剪破壞特征，破裂面比較單一，且破損程度相對較低，難以出現(xiàn)采動下的體積膨脹，與未考慮采動下變形特征相吻合。

圖8 不同卸載速率下煤巖考慮采動和未考慮采動下破壞特征Fig. 8 Failure characteristics of coal under different unloading rates considering mining and not considering mining

5 結 論

通過探索平煤礦區(qū)保護層開采條件下煤巖采動應力路徑演化規(guī)律，進而設計開展了千米級賦存深度考慮卸載速率影響的煤巖采動力學行為室內(nèi)測試方法，分析了不同卸載速率下煤巖體力學行為特征，同時對比分析其與未考慮采動測試結果的差異性，得到以下主要結論：

1）常規(guī)三軸壓縮試驗由于未考慮水平應力的卸荷過程，卸載速率為1～4 MPa/min時，峰值應力隨卸載速率增加并無明顯變化；卸載速率達到5 MPa/min時，強度才有明顯的上升。整個變形破壞過程中，煤樣相對于初始狀態(tài)始終保持體積壓縮。

2）針對平煤十二礦，保護層開采條件下，隨著加卸載速率提高，一方面，開采強擾動引起的圍壓卸荷速率不斷增加，煤巖體更易產(chǎn)生橫向膨脹，試件內(nèi)部尚未發(fā)生充分的適應性調(diào)整，實體承載結構率先破斷喪失承載能力，致使煤巖體強度降低；另一方面，在卸載速率較大時，試件內(nèi)部的微小裂隙來不及發(fā)育、擴展，試件內(nèi)部具有更好的完整性，從而表現(xiàn)出抗壓強度隨開采速度增加而增加。二者共同作用影響下，使得煤巖體整體強度隨卸載速率增加呈先減小后增加再減小的趨勢。

3）保護層開采條件下，卸載速率為1、2、3、4、5 MPa/min時，煤巖裂隙密度分別為0.797%、0.730%、0.730%、0.620%、0.490%。在低擾動下裂隙可以較為充分發(fā)育，裂隙密度更大，數(shù)量較多，可以改善煤層透氣性和穩(wěn)定性，有利于瓦斯抽采。實際采煤過程中應結合頂?shù)装鍡l件、瓦斯?jié)舛冗m當調(diào)整開采速度，實現(xiàn)安全高效開采。

4）不同卸載速率煤巖采動力學行為與未考慮開采的煤巖力學行為截然不同。整個采動過程中，明顯不同于未考慮采動下相對初始狀態(tài)的體積壓縮，由于水平應力不斷卸荷，采動下煤巖體更易產(chǎn)生側(cè)向膨脹，體積應變不僅出現(xiàn)了相對初始狀態(tài)的壓縮，在達到峰值強度之前直到破壞階段就已經(jīng)出現(xiàn)了體積膨脹，可將其作為采動特征；采動下煤巖強度明顯偏小，破損程度更嚴重，破壞時裂隙密度更大。

本文針對平煤十二礦展開了不同卸載速率下保護層開采煤巖體力學行為研究，采動應力路徑對真實開采過程進行了一定程度的簡化，后續(xù)將深入分析煤巖體應力演化規(guī)律，設計更符合工程現(xiàn)場的模擬方法，使研究結果更加可靠。其次，針對其他地區(qū)煤樣在保護層開采下是否會出現(xiàn)隨著卸載速率增加，試樣強度出現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢有待研究。