单面卸荷路径下含瓦斯煤岩力学特性与声发射试验研究

新掘未支护或回采工作面前方巷道受开采扰动具有沿垂向急剧升高而径向迅速降低的典型受载特点,而更易失稳、诱发冲击地压事故,深入研究采动卸荷下含瓦斯煤岩力学特性及伴随出现的声发射信号规律,是揭示深部高瓦斯煤层冲击地压发生机理并形成科学、有效的预警体系的基础.运用物理实验方法,基于自主研发的含瓦斯煤岩真三轴测试系统,开展垂向加荷-径向单面卸荷路径下含瓦斯煤岩受载实验,并监测全历程出现的声发射信号,分析卸荷速率、瓦斯压力对煤岩力学特性及声发射信号影响规律,引入统计分形理论开展煤岩碎块分布筛分统计,结果表明:单面卸荷路径下含瓦斯煤岩应力-应变关系具有弹性、非线性增长和软化的典型3阶段特征,高卸荷速率和瓦斯压力,降低了煤岩强度、峰值应变量,但使峰后阶段应力降模量增大,而随着初始围压升高使得该特征呈反向变化.试样破坏后表现为由卸荷面指向内部的典型多剪切带与层状块体交替出现的"洋葱皮"式破坏形式,且卸荷速率越高,形成的贯穿裂隙越多、剪切带内糜棱状粉末减少而碎块尺度增大,相应的统计分形维数越低,而较高的初始围压和瓦斯压力使煤岩塑性特征增加而分形维数升高.三向应力状态与瓦斯的存在使煤岩受载具有塑性特点而伴随出现的声发射信号更加密集、连续,单面卸荷形成的渐进性破坏过程导致声发射具有明显的信号激增现象和最高值脉冲信号出现,次高值信号产生于应力峰值,随卸荷速率、瓦斯压力升高,两高值信号幅值增加且最值信号出现提前,声发射能量累计量"阶梯"增长现象愈发明显但累计总量逐渐降低.高瓦斯压力、初始围压及卸荷速率使煤岩破坏后具有更多盈余能,在实际工程中,高瓦斯压力、地应力使新掘巷道或支护失效围岩径向应力迅速降低并发生渐进性破坏而形成断续结构,易受高静载或冲击扰动致整体结构失效,且该部分"富能"围岩会在盈余能推动下发生块体弹射、倾出而形成动力灾害.