第1章概述
1.1 深部开采的概念及内涵
充分理解“深部”概念是研究深部岩石力学基础理论的必要前提，科学界定“深部”概念是深部开采理论发展与技术实践的重要基础。原岩应力是地下岩体的基本状态，高应力环境和非线性力学响应特征是深部力学状态的显著特征，也是深部开采伴生灾害的主要诱因。深部开采可定义为在高地应力环境和具有非线性力学响应的煤岩体空间实施的采矿活动。但究竟什么是深部，如何定义深部，却始终没有科学的、定量化的表述。2001年，谢和平院士召集了我国第一个以“深部岩体力学 ”为主题的香山科学论坛 [1]，率先提出深部岩石所处环境的 “三高一强”特征(高地应力、高地温、高渗透压、强时效 )。随后，深部开采与深部岩体力学研究得到了持续的、广泛的关注，获得了一系列研究成果。随着研究的不断深入，现在普遍认为 “深部”不是一个简单的深度概念，而是一种由地应力水平、采动应力状态和围岩属性共同决定的力学状态，可以通过力学分析给出定量化表征。
此外，深部力学状态显现是煤炭开采由浅部进入深部的基本条件，高地应力环境和原岩非线性力学响应是深部力学状态的基本特征。深部开采的内涵如下 [2-4]。
(1)深部开采是原岩处于深部高地应力状态下的采矿活动。高地应力状态是深部应力状态的基本特征。
(2)深部开采是采动煤岩出现显著非线性力学响应特征的采矿活动。采动煤岩的非线性力学响应是深部与浅部力学状态的动态特征差异。
(3)深部开采过程也是采动耦合作用与煤岩力学状态时 -空演化过程。采动煤岩的初始状态反映了采动煤岩静态属性和力学状态，采动耦合状态反映了煤岩的动态属性和力学状态。采动煤岩的力学状态变化与深度、原岩岩性组合及采动源参数都息息相关。
1.2 卸压开采的概念及意义
卸压开采是为减小深部工作面采动应力集中、降低工作面回采过程中发生动力灾害危险、实现工作面安全高效回采的方法。卸压开采后，顶板岩层中出现大范围的破断、移动变形和卸压，工作面回采时能够取得显著的卸压效果。因此，卸压开采技术在实践中得到了应用。卸压开采的主要方法有：开槽卸压、巷旁卸压巷卸压、顶部卸压巷卸压、钻孔卸压、爆破卸压、卸压巷加松动爆破卸压、切缝卸压等。其中，开槽卸压目前尚无合适的开槽机具，仍然采用风镐或手镐开掘出一定宽度和深度的槽，其作用在于卸压槽开掘后，使巷道的围岩应力向煤岩体深部转移，改变了巷道围岩应力场的分布状况，有利于巷道的维护。钻孔卸压的机理与开槽卸压基本相同，卸压效果主要取决于孔径、孔距、孔深等参数，合理布置的卸压孔可导致巷帮围岩的结构性预裂破坏，从而使围岩高应力向深部转移。爆破卸压的实质是在围岩钻孔底部集中装药爆破，使巷道和硐室周边附近的围岩与深部岩体脱离，原来处于高应力状态的岩层卸载，将应力转移到围岩深部。实践证明：单纯的爆破卸压效果一般，需与松动圈围岩加固结合起来，才能确保维护效果。卸压巷卸压的实质是在被保护的巷道附近，开掘专门用于卸压的巷道或硐室，减小附近煤层开采的采动影响，促使采动引起的应力重新分布，使被保护的巷道处于开掘卸压巷道而形成的应力降低区内。切缝卸压是通过预爆破致裂措施切断基本顶岩层，减弱工作面采动应力的传递，从而降低回采巷道煤柱的集中应力。除此之外，巷道合理的优化布置方法也可以实现卸压开采的目的，巷道优化布置一般有开采保护层和错层位开采。开采保护层是一种区域性降低冲击危险性的卸压措施。开采保护层有上行开采和下行开采，这两种开采方式均属于卸压开采，卸压开采改变了顶底板空间结构及应力分布状况，在一定范围内形成卸压带。卸压带的范围受煤岩地质条件、层间距、关键层等影响。随着层间距的减小，卸压开采后下伏煤层所处层位应力变化梯度增大，导致应力增高区与应力降低区应力差值增大，卸压开采作用对巷道位置选择影响程度明显增加。错层位开采是另一种有效的卸压开采巷道布置方式，由于其实体煤侧卸压效果好、顶板稳定、维护成本低而被应用于支护难度大、冲击地压频发的矿井，特别是负煤柱卸压巷道布置形式。
1.3 深部卸压开采对岩石力学特性的影响
深部开采的 “三高一扰动 ”对岩石力学特性具有重要影响。其中，高地应力主要受岩体埋藏深度影响。已有研究表明，随着深度的增加，煤岩体所受的地应力水平和围岩属性均会发生改变，深部煤岩体表现出来的基本力学特性与浅部截然不同，且一些基本的力学参数取值也发生了变化，如岩石的泊松比、弹性模量、波速、初始渗透率、单轴抗压强度、单轴抗拉强度等。此外，采 (埋)深对深部煤岩体的能量演化特性亦存在显著的影响，深部煤岩体的总输入能、弹性应变能、耗散能均随着采 (埋)深的增大而不断增加，深部煤岩体产生的*大变形量均随着模拟深度的增加而不断增大[5，6]，易导致深部巷道产生显著的 “大变形、高能级、难维护”的外在特征。
为了降低高地应力的影响，深部工程通常采用卸压开采方式。从岩石力学试验角度分析，通常采用卸载围压、改变应力路径等方式进行模拟。相关研究表明：围压效应会显著影响煤岩体脆-延转换机制。围压越高，相应条件下的岩石表现出延性变形特性越显著；反之，则表现出脆性变形特征越显著。此外，围压也会显著影响煤岩体的强度特性。一般而言，围压越高，强度承载力越强。强度失稳准则的建立与应用均离不开围压效应的贡献。目前，强度失稳准则主要有如下几种：莫尔 -库仑强度准则 (未考虑中间主应力效应 )， Hoek-Brown强度准则， Drucker-Prager准则(是 von Mises屈服准则拓展而衍生的，其考虑了静水压力效应与中间主应力效应)，Mogi-Coulomb准则(主要是描述八面体剪应力与有效平均应力之间的关系，特殊条件下可退化为莫尔 -库仑强度准则 )，Zhang-Zhu失稳强度准则(三维 Hoek-Brown强度准则)，格里菲斯强度准则(主要考虑拉伸破坏)等[7]。因此，煤或岩石强度准则的建立均离不开围压效应的贡献。从能量角度看，无论是煤还是岩石，围压效应均会显著影响其总输入能、弹性应变能及耗散能的演化特征。
另外，深部岩体开挖前处于原岩应力状态下，原岩应力是引起深部工程岩体变形和破坏的重要作用力。在深部开挖过程中，开挖、工程扰动等均会打破埋藏深部岩层中岩体的初始原岩应力平衡状态。同时，在其开挖过程中，深部巷道常会有不同的开挖方式，而其开挖方式的不同在进行岩石力学试验时则表现为对岩石进行不同应力路径的加卸载试验。对岩石进行不同应力路径的加卸载试验可总结为对岩石进行一个或多个方向的卸载，而其他方向的应力或增加或减小或保持不变。在深部巷道开挖后，深部岩层中岩体的应力状态经历复杂的调整过程会重新达到新的平衡。目前国内外矿山相继进入了深部开采阶段。在深部开采过程中，埋深越大，其煤岩体的力学行为将更加复杂。
第 2章常规三轴条件下深部岩石卸荷力学特性
2.1 常规三轴卸荷试验方案
2.1.1 试验应力值设置依据
为了获取深部高应力-高渗透压耦合下深部岩石力学特性，试验方案分别模拟了深度为 1000m、1500m、2000m深部巷道开挖过程的围岩应力状态，分别开展了卸载预设围压梯度为 6MPa、13MPa、20MPa的“三阶段”加卸载高应力-高渗透压耦合试验。
依据式(2-1)[8，9]以及图 2-1中世界各地地应力测量典型结果，可求得模拟深度 1000m、1500m、2000m对应的地层所存在的初始高地应力状态点的三向应力值： .1=27MPa，.2 =51MPa，.3 =33MPa；.1=40.5MPa，.2 =73MPa，.3 =50MPa； .1=54MPa，.2 =95MPa，.3 =66MPa。
(2-1)
鉴于常规三轴力学试验需满足以下基本力学特性：.1＞.2=.3，故将模拟深度 1000m、1500m、2000m对应的地层所存在的初始高地应力状态点的三向应力值分别设置为.1=27MPa，.2=.3 =23MPa；.1=40.5MPa，.2=.3 =36.5MPa；.1= 54MPa， .2= .3 =50MPa。卸载预设围压梯度则是根据其他国内外学者成功发表的成果所设置的加卸载力学试验经验值来确定。
图 2-1 世界各地地应力测量典型结果[10]
2.1.2 渗透试验原理
采用瞬态压差衰减法对深部岩石进行高应力-高渗透压耦合下的渗透试验，试验原理如图 2-2所示。
图 2-2 深部岩石渗透试验原理图
图 2-2中，P为 RIR-1500轴向加载系统通过伺服系统控制施加的轴向压力， P1为一定时间段内通过孔压增压器注入的 CO2压力，P2为出气端压力，Pc为围压。测试原理是首先施加围压、轴压至设定值，之后施加孔压使进气端压力 P1和出气端压力 P2均达到 10MPa，待孔压稳定后，不断降低出气端压力，形成动态变化的渗透压差 ΔP，进而持续地驱动渗流体在岩样裂隙中流动，从而形成一定时间段内的孔压差脉冲衰减过程，进而通过公式计算出深部岩石在不同应力状态点下的渗透率，渗透率计算公式为
(2-2)
式中， .为气体黏滞系数，1.4932×10–5Pa.s；.为气体压缩系数，1.11111×10–6Pa–1； V为稳压容器体积， m3；As为横断面面积， m2；Ls为岩样高度， m；Δt为孔压差变化持续时间段， s；ΔPi、ΔPj分别为 Δt时间段内初始孔压差和*终孔压差， MPa。
2.1.3 “三阶段”加卸载试验方案
为了获取深部高应力-高渗透压耦合下深部岩石力学特性，试验中分别模拟了深度为 1000m、1500m、2000m深部巷道开挖过程的围岩应力状态，开展了卸载预设围压梯度为 6MPa、13MPa、20(23)MPa的“三阶段”加卸载高应力-高渗透压耦合试验。另外，对破坏前后的典型深部岩石进行微米级 CT扫描试验，具体的试验步骤如下。
1. 试验前典型深部岩石微米级 CT扫描试验
在对深部岩石进行高应力-高渗透压耦合试验之前，选取典型深部岩石进行微米级 CT扫描试验，获得典型深部岩石内部空间裂隙、孔洞、缺陷等分布特征，裂隙产状、数量等基本特征参量。
2. 深部岩石“三阶段”加卸载高应力-高渗透压耦合试验
(1)高地应力状态还原阶段Ⅰ：本阶段深部岩石加载过程采用应力控制，保持偏应力恒定为 4MPa，采用三向静水加压的方式将 .1、.2与.3以 4MPa/min的加载速率还原深部岩石至高地应力状态(.1=54MPa，.2=.3 =50MPa；.1=40.5MPa， .2=.3 =36.5MPa；.1=27MPa，.2=.3 =23MPa)，同时在加载过程中 GCTS多场耦合伺服试验系统数据存储装置自动记录相关数据。
(2)恒轴压-卸围压阶段Ⅱ：在阶段Ⅰ基础上，本阶段将 .2与.3以 2MPa/min
展开
