宮鳳強(qiáng)，趙英杰，王云亮，彭 康

(1.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；2.東南大學(xué) 蘇州聯(lián)合研究生院，江蘇 蘇州 215123； 3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

沖擊地壓涉及到煤礦現(xiàn)場(chǎng)的煤層物理?xiàng)l件、地質(zhì)環(huán)境、開(kāi)采條件等，在力學(xué)問(wèn)題上相當(dāng)于研究對(duì)象、受力條件和邊界條件的3個(gè)方面，其中不確定性影響因素眾多，而且煤礦現(xiàn)場(chǎng)信息無(wú)法完全精確獲取，因此不論是其發(fā)生機(jī)理、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，還是預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、防沖治理等相關(guān)問(wèn)題都異常復(fù)雜。相比之下，關(guān)于煤的沖擊傾向性，相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只涉及到煤樣本身材料屬性、單軸壓縮一維受力條件、單向靜力加載條件。因此，沖擊地壓是工程力學(xué)問(wèn)題，煤的沖擊傾向性是材料力學(xué)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)近40 a的研究，關(guān)于煤的沖擊傾向性問(wèn)題，非常有必要系統(tǒng)梳理相關(guān)研究進(jìn)展，針對(duì)其中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行深入探討，以此促進(jìn)沖擊地壓?jiǎn)栴}的研究。為此，筆者在綜述煤的傾向性指數(shù)研究進(jìn)展基礎(chǔ)上，分析了目前研究中存在的特點(diǎn)；然后根據(jù)5個(gè)煤礦的煤?jiǎn)屋S壓縮試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合高速攝像拍攝的視頻紀(jì)錄和煤樣的實(shí)際破壞狀態(tài)，提出了基于試驗(yàn)現(xiàn)象的煤的沖擊傾向性定性判據(jù)及分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一對(duì)比了16種煤的沖擊傾向性指數(shù)的判別結(jié)果，重點(diǎn)考察了煤的剩余彈性能指數(shù)的科學(xué)性和適用性。在此基礎(chǔ)上，提出了沖擊地壓“人-煤-環(huán)”三要素機(jī)理，更加明確了煤的沖擊傾向性研究在沖擊地壓機(jī)理中所起的具體作用，并從力學(xué)性質(zhì)和材料性質(zhì)2個(gè)方面分析了煤和巖石的本質(zhì)屬性差異。最后提出了煤的沖擊傾向性指數(shù)研究中存在的6個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

1 煤的沖擊傾向性相關(guān)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)提出過(guò)程

本文中提到的沖擊地壓主要是指純煤層破壞的沖擊地壓，對(duì)于含瓦斯煤層及復(fù)合災(zāi)害中的沖擊地壓不作討論。因此，在討論和分析煤的沖擊傾向性以及沖擊傾向性指數(shù)時(shí)，專(zhuān)指用于評(píng)價(jià)純煤的沖擊傾向性指數(shù)，不包含巖石的巖爆傾向性指數(shù)。另外，文中提到巖爆時(shí)，專(zhuān)指發(fā)生在深埋隧道(隧洞)洞表面、深部金屬礦(或煤礦)巖質(zhì)巷道和礦柱及掘進(jìn)工作面部位硬巖的彈射、爆裂或崩落現(xiàn)象，伴隨不同程度聲響并釋放出不同程度的動(dòng)能。

進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)的概念和定義非常重要。概念是人們對(duì)客觀事物本質(zhì)屬性進(jìn)行抽象概括的反映，定義是對(duì)概念的內(nèi)涵和外延或所做的簡(jiǎn)要而準(zhǔn)確的描述。沖擊地壓是煤礦開(kāi)采到深部之后才出現(xiàn)的一種煤體沖擊破壞形式。文獻(xiàn)[26-27]認(rèn)為世界上最早的沖擊地壓1738年出現(xiàn)于英國(guó)South Stanford煤礦。1959年林景云在著作《撫順勝利礦的沖擊地壓》中給出了撫順勝利礦1933—1935年沖擊地壓傷亡事故統(tǒng)計(jì)表，這可能是中國(guó)最早的沖擊地壓事故統(tǒng)計(jì)。國(guó)內(nèi)外對(duì)沖擊地壓的認(rèn)識(shí)，包括對(duì)概念理解和定義表述，經(jīng)歷了逐步深入的過(guò)程，很多文獻(xiàn)把沖擊地壓稱(chēng)之為“煤爆”、“煤炮”、“巖爆”、“煤沖擊”等，英文名詞有coal bump，coal burst，rock burst，rockburst，coalburst，rockburst in coal mine，burst in coal mine，impact ground pressure，shocking underground pressure，impact rock pressure，rock-burst，outburst，rock outburst，mine pressure bump，coal mine rock burst，mine pressure bumping，mine strata pressure bump等，這在一定程度上反映了研究人員對(duì)“沖擊地壓”術(shù)語(yǔ)界定的認(rèn)識(shí)還未取得一致。同理，在和煤的沖擊傾向性相關(guān)研究中，也存在很多相關(guān)的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)。依據(jù)中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)上已發(fā)表的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)資料，筆者初步統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)研究煤的沖擊傾向性的相關(guān)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，見(jiàn)表1(本文主要對(duì)沖擊地壓相關(guān)的學(xué)術(shù)論文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，沖擊地壓研究領(lǐng)域的代表性專(zhuān)著請(qǐng)參考齊慶新等“我國(guó)煤礦沖擊地壓發(fā)展70年：理論與技術(shù)體系的建立與思考”中統(tǒng)計(jì)情況)。

“沖擊地壓”專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)最早見(jiàn)于1955年錢(qián)鳴皋(疑為錢(qián)鳴高)“介紹煤及瓦斯突出的性質(zhì)與力學(xué)作用的現(xiàn)代學(xué)說(shuō)”一文。1957年潘瑞瑾和蒲先鴻在“淄博礦務(wù)局緩傾斜薄及中厚煤層煤層群上行開(kāi)采問(wèn)題”一文中提到潘瑞瑾1956年在《煤礦技術(shù)》發(fā)表的“煤巖迸破和礦內(nèi)沖擊”一文，在描述“煤層沖擊危險(xiǎn)”時(shí)提到了“煤巖迸破”和“礦內(nèi)沖擊”，這屬于直觀的形容煤破壞時(shí)的沖擊性?！懊旱臎_擊性”、“沖擊式破壞”由胡克智等1966年在“煤礦的沖擊地壓”一文中首次提出。該文也是我國(guó)第1篇論文題目中出現(xiàn)“沖擊地壓”術(shù)語(yǔ)的學(xué)術(shù)論文，并指出我國(guó)礦山?jīng)_擊地壓最早于1933年發(fā)生在遼寧撫順煤田的勝利煤礦。該文沒(méi)有參考文獻(xiàn)，而且在文中注明該文為作者1965年1月在德國(guó)萊比錫召開(kāi)的第七屆國(guó)際巖石力學(xué)會(huì)議上所宣讀的論文的一部分。1981年牛錫倬在“煤礦安全生產(chǎn)中的幾個(gè)巖石力學(xué)問(wèn)題”一文中提到了沖擊危險(xiǎn)程度。1981年蘆子干和常洪生在研究門(mén)頭溝礦沖擊地壓的成因和控制時(shí)，提出了沖擊危險(xiǎn)指數(shù)的概念，并認(rèn)為煤層硬度和抗壓強(qiáng)度是表示煤層抵抗破壞能力的指數(shù)。“沖擊傾向”術(shù)語(yǔ)1982年第1次出現(xiàn)在李玉生“礦山?jīng)_擊名詞探討——兼評(píng)‘沖擊地壓’”一文中?！皼_擊傾向性”、“沖擊傾向性指數(shù)”和“煤層沖擊傾向性指數(shù)”1983年首次出現(xiàn)在李信“煤礦沖擊地壓的初步研究”一文中?！懊旱臎_擊性能指標(biāo)”、“沖擊性指標(biāo)”、“煤層的沖擊性能”和“煤層沖擊傾向性”等術(shù)語(yǔ)1985年分別出現(xiàn)在胡景義等“龍鳳礦沖擊地壓防治的試驗(yàn)研究”、朱之芳“撫順龍鳳礦沖擊地壓實(shí)驗(yàn)室研究報(bào)告——用煤(巖)剛度建立沖擊性指標(biāo)的研究”、李國(guó)臻等“龍鳳礦沖擊地壓成因規(guī)律的分析研究”、趙本鈞“撫順龍鳳礦沖擊地壓成因規(guī)律、預(yù)測(cè)和防治的研究”等有關(guān)論文中。后來(lái)國(guó)標(biāo)中的“煤的沖擊傾向”和“煤的沖擊傾向性”等專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)1985年第1次出現(xiàn)在趙本鈞“鉆屑法的研究和應(yīng)用”一文中?！懊旱臎_擊傾向性指數(shù)”1999年首次出現(xiàn)在竇林名等“沖擊礦壓及其防治”一文中，該文中認(rèn)為“煤的沖擊傾向性是評(píng)價(jià)煤層沖擊性的特征參數(shù)之一”。

表1 煤的沖擊傾向性相關(guān)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)提出情況

2 煤的沖擊傾向性在沖擊地壓研究中地位和作用

研究煤的沖擊傾向性目的是服務(wù)于沖擊地壓機(jī)理研究和預(yù)防治理。胡克智等認(rèn)為“煤的沖擊性是產(chǎn)生沖擊地壓的基礎(chǔ)”，同時(shí)也認(rèn)為“從能量觀點(diǎn)來(lái)看，發(fā)生沖擊地壓的實(shí)質(zhì)在于，煤巖將外力對(duì)它所作的功或以其他方式輸入煤巖的能量以彈性勢(shì)能的方式儲(chǔ)存起來(lái)，然后以沖擊破壞的形式再把它們釋放出來(lái)。因此，煤巖的貯存能量的能力以及煤巖破壞過(guò)程中貯能釋放的方式、能量的釋放速度及各種能量的分布比例，是決定是否發(fā)生沖擊地壓及其規(guī)模的主要因素”。趙本鈞認(rèn)為“由采掘工作造成的支承壓力乃是沖擊地壓發(fā)生的主要條件之一。發(fā)生沖擊地壓的第2個(gè)主要條件是煤層本身的物理力學(xué)性質(zhì)，即煤的沖擊傾向性。這2個(gè)條件也是目前預(yù)測(cè)沖擊地壓的主要依據(jù)”。同時(shí)還認(rèn)為“煤(巖)的物理力學(xué)性質(zhì)是發(fā)生沖擊地壓的內(nèi)因。一方面只有煤層具有彈性，才能把發(fā)生沖擊地壓所需的大量能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，另一方面只有煤層具有脆性，才能發(fā)生脆性破壞，并瞬間釋放彈性能”。齊慶新和劉天泉認(rèn)為“沖擊傾向性是指煤巖介質(zhì)積蓄能量并產(chǎn)生沖擊破壞的能力，是煤巖介質(zhì)的固有屬性，是產(chǎn)生沖擊地壓的必要條件，…，沖擊地壓的發(fā)生取決于煤巖的內(nèi)在性質(zhì)，即沖擊傾向性。只有具備了一定的沖擊傾向性，在其他條件作用下才有可能發(fā)生沖擊地壓。沖擊傾向性是沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的內(nèi)在因素”，屬于沖擊地壓“三因素”機(jī)理的基礎(chǔ)之一。因此，科學(xué)準(zhǔn)確的判別煤層沖擊傾向性程度非常必要，對(duì)于更加深入的明確沖擊地壓內(nèi)在發(fā)生機(jī)理也非常重要。

3 煤的沖擊傾向性指數(shù)的表征形式

為了研究煤的沖擊傾向性并衡量沖擊性程度，很多研究人員提出了煤的各種沖擊傾向性指數(shù)以及各自的表征形式和分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。下面首先對(duì)國(guó)標(biāo)GB/T 25217.2—2010中的4種沖擊傾向性指數(shù)作比較系統(tǒng)的概述，然后再對(duì)其他沖擊傾向性指數(shù)作簡(jiǎn)要概述。概述中以國(guó)標(biāo)GB/T 25217.2—2010和文獻(xiàn)中對(duì)各種沖擊傾向性指數(shù)的原文名稱(chēng)作為統(tǒng)一稱(chēng)謂。

3.1 彈性能量指數(shù)WET

依據(jù)論文的發(fā)表和記載情況，NEYMAN B等1972年在《Proceedings 5th International Strata Control Conference》上發(fā)表的“Effective methods for fighting rockburst”一文中提出了Bursting liability index of coal，即，需對(duì)煤樣逐漸加載到其單軸抗壓強(qiáng)度的80%然后卸載，等于彈性能量與耗散能量之比，“The larger the value of，the greater the liability to bursts”。當(dāng)<2時(shí)，no liable；=(2～5)時(shí)，slightly liable；>5時(shí)，severely liable。根據(jù)《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts》1974年第11卷第6期121頁(yè)信息，1973年SZECOWKA Z在“Energy index of the natural liability of coal to rock bursts”論文中，介紹了“energy index of liability to rockbursts”的概念，并根據(jù)該指數(shù)對(duì)煤進(jìn)行了分類(lèi)。通過(guò)對(duì)7個(gè)礦井和9個(gè)煤層的調(diào)查表明，該指數(shù)為煤的沖擊傾向性判別提供了有效的指導(dǎo)。1981年KIDYBINSKI在“Bursting liability indices of coal”一文中，引用了SZECOWKA Z等在1973年“Energy index of natural bursting ability of coal”文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[10，45]的作者有所差別，但是標(biāo)題比較接近，而且年份和文獻(xiàn)的卷數(shù)都一致。文獻(xiàn)[9，10，45]全文均為波蘭語(yǔ)，目前尚未查到原文，因此無(wú)法詳細(xì)核實(shí)。在KIDYBINSKI的論文中，英文名為“Strain Energy Storage Index”(直譯為應(yīng)變能存儲(chǔ)指數(shù))，并且引用了SZECOWKA Z等關(guān)于的計(jì)算方法，即

(1)

其中，為彈性應(yīng)變能，其值為卸載水平處卸載曲線下的面積；為耗散應(yīng)變能，其值為卸載水平處加載曲線和卸載曲線所包絡(luò)的面積。在該文中，當(dāng)<2時(shí)，無(wú)沖擊傾向；=(2～4.99)時(shí)，弱沖擊傾向；>5時(shí)，強(qiáng)沖擊傾向。需要注意的是，“l(fā)iability”英文含義中含有“the fact that someone is legally responsible for something(責(zé)任)、likelihood or probability(可能性或概率)”的意思，國(guó)內(nèi)翻譯為“傾向性”，而中文“傾向性”意指“發(fā)展的方向性、趨勢(shì)性”，相比而言“burst proneness”和“burst prone”更接近于中文“沖擊傾向性”含義。

文獻(xiàn)[11]對(duì)煤樣進(jìn)行具體試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，首先進(jìn)行常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)試煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度。然后，以0.04 MPa/s的速率(力加載速率為100 N/s)對(duì)煤立方體試樣進(jìn)行壓縮，直到應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度的80%～90%，然后以相同的應(yīng)力速率釋放至0。通過(guò)獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線計(jì)算彈性應(yīng)變能和耗散應(yīng)變能，進(jìn)而利用式(1)計(jì)算得到。的計(jì)算示意如圖1所示，，分別為峰值點(diǎn)處應(yīng)變和峰后殘余強(qiáng)度點(diǎn)處的應(yīng)變；為峰值強(qiáng)度。式(1)和圖1中各參數(shù)計(jì)算為

(2)

(3)

=-

(4)

式中，為輸入應(yīng)變能，其值為峰前卸載水平處加載曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積；，分別為卸載點(diǎn)、卸載零點(diǎn)處的應(yīng)變。

圖1 國(guó)標(biāo)GB/T 25217.2—2010中4種指數(shù)計(jì)算示意Fig.1 Calculation diagram of four indices in nationalstandard GB/T 25217.2—2010

PENG S S在專(zhuān)著《Coal Mine Ground Control》中也給出了的計(jì)算方法和沖擊傾向性分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算過(guò)程和文獻(xiàn)[47]類(lèi)似，采用單軸壓縮試驗(yàn)，中文譯本對(duì)稱(chēng)之為沖擊能量指數(shù)(該書(shū)1978年出版第1版，1986年第2版，2008年第3版，2014年出版中文譯本)。后來(lái)被廣泛應(yīng)用于煤的沖擊傾向性研究和評(píng)價(jià)中。1983年李信在論文“煤礦沖擊地壓的初步研究”中在國(guó)內(nèi)首次把文獻(xiàn)[9]列為參考文獻(xiàn)之一，把稱(chēng)之為煤層沖擊傾向指標(biāo)。1983年撫順礦務(wù)局、阜新礦業(yè)學(xué)院沖擊地壓研究組撰寫(xiě)“撫順煤礦沖擊地壓統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值分析”論文，把稱(chēng)之為沖擊危險(xiǎn)性能量指標(biāo)。1989年華安增在論文“巖石沖擊及能量釋放”在國(guó)內(nèi)首次把文獻(xiàn)[11]列為參考文獻(xiàn)之一。在應(yīng)用或運(yùn)用對(duì)煤的沖擊傾向性進(jìn)行研究或評(píng)估時(shí)，對(duì)其有很多中文稱(chēng)謂，見(jiàn)表2。對(duì)于造成這種情況的原因，可能是在各自行業(yè)的不同習(xí)慣稱(chēng)呼所致。對(duì)各種中英文名稱(chēng)及符號(hào)，引用時(shí)科學(xué)的做法要尊重并使用原始文獻(xiàn)的初始名稱(chēng)或英文直譯名，避免出現(xiàn)替換名稱(chēng)眾多以及曲解原文本意的情況。在實(shí)際研究工作中，利用單軸壓縮試驗(yàn)對(duì)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，對(duì)煤樣形狀、尺寸、峰值(極限)強(qiáng)度(荷載)卸載水平和沖擊傾向性分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)也存在很多差異，統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表3，由表3可知，盡管煤樣形狀、尺寸、卸載水平區(qū)間存在眾多差異，但是共同點(diǎn)都在峰值強(qiáng)度80%水平左右進(jìn)行卸載，然后完成試驗(yàn)計(jì)算，因此卸載水平為80%是關(guān)鍵點(diǎn)。

表2 指數(shù)WET的中文稱(chēng)謂

納入煤炭工業(yè)部部標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)標(biāo)歷程及修訂過(guò)程概述如下：1987年煤炭科學(xué)研究院北京開(kāi)采研究所王淑坤起草的中華人民共和國(guó)煤炭工業(yè)部部標(biāo)準(zhǔn)《煤層沖擊傾向指標(biāo)測(cè)定方法》MT 174—1987中首次將指數(shù)納入煤層沖擊傾向性判定指數(shù)之一(另外一種是動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間)，該標(biāo)準(zhǔn)中稱(chēng)作“彈性能量指數(shù)”。1994年齊慶新和劉天泉認(rèn)為我國(guó)煤巖沖擊傾向指標(biāo)包括彈性能量指數(shù)、沖擊能量指數(shù)和動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間。2000年王淑坤、齊慶新、康立軍等依托中波科技合作項(xiàng)目“煤層沖擊傾向性的研究”成果，對(duì)上述煤炭部標(biāo)準(zhǔn)MT 174—1987進(jìn)行修訂，起草了“MT/T 174—2000煤層沖擊傾向性分類(lèi)及指數(shù)的測(cè)定方法”，該標(biāo)準(zhǔn)中修改了彈性能量指數(shù)測(cè)定方法，采用48～55 mm，高徑比為1.5～2.2的圓柱體試樣。當(dāng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有條件加工成圓柱體試樣時(shí)，可加工成50 mm×50 mm×50 mm或50 mm×50 mm×100 mm的方形柱體試樣。首先選用3個(gè)試樣測(cè)得單軸抗壓強(qiáng)度取平均值作為卸載點(diǎn)強(qiáng)度的參考值，之后的加載方式和加載速度同1987年的標(biāo)準(zhǔn)，的計(jì)算方法和分級(jí)規(guī)定未改變。2010年齊慶新等對(duì)2000年國(guó)標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步修訂，起草了國(guó)標(biāo)“GB/T 25217.2—2010沖擊地壓測(cè)定、監(jiān)測(cè)與防治方法”(即現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn))，其中“第2部分：煤的沖擊傾向性分類(lèi)及指數(shù)的測(cè)定方法”對(duì)的測(cè)定進(jìn)行了更細(xì)致的描述。與前兩個(gè)國(guó)標(biāo)版本的改動(dòng)之處在于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試樣統(tǒng)一為直徑為50 mm、高徑比為2的圓柱體試樣。

表3 指數(shù)WET的單軸壓縮試驗(yàn)情況和沖擊傾向性分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

的計(jì)算原理和過(guò)程比較簡(jiǎn)單，因此應(yīng)用比較廣泛，不但用于煤的沖擊傾向性評(píng)估中，也經(jīng)常被用于巖石的巖爆傾向性判別中。但是本身也存在以下問(wèn)題：① 只反映了煤樣受壓達(dá)到極限強(qiáng)度之前積蓄彈性能的能力，看不到破壞時(shí)耗能過(guò)程，揭示沖擊傾向本質(zhì)不完全。②所得結(jié)果為無(wú)量綱的比值，只能反映煤樣峰值強(qiáng)度80%左右水平處彈性應(yīng)變能和耗散應(yīng)變能的相對(duì)大小，未能反映每個(gè)煤樣峰前整體階段彈性應(yīng)變能與耗散應(yīng)變能的比例關(guān)系。③ 在各論文和國(guó)標(biāo)中，煤樣形狀和尺寸存在眾多差異，分別有圓柱體、長(zhǎng)方體和立方體，這種差異對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響沒(méi)有詳細(xì)考察。④ 由于煤性質(zhì)的差異性，即使對(duì)同一種煤，不同煤樣的峰值強(qiáng)度也可能存在很多差異，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)卸載水平有時(shí)很難保證處于峰值強(qiáng)度80%左右區(qū)間內(nèi)。⑤ 如前所述，峰值強(qiáng)度80%左右區(qū)間卸載是單軸壓縮試驗(yàn)中關(guān)鍵點(diǎn)，但是為何在這一區(qū)間卸載缺少理論依據(jù)或證明。

3.2 沖擊能量指數(shù)KE

為了更全面地評(píng)價(jià)煤體的沖擊能力，探索那些既能反映蓄能過(guò)程，又能反映(破壞)耗能過(guò)程的力學(xué)指標(biāo)，是煤層沖擊傾向鑒定的主要發(fā)展方向之一。煤的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線包含有關(guān)沖擊傾向的豐富信息，直觀和全面地反映了從蓄能到耗能的全部過(guò)程，對(duì)于揭示沖擊傾向的物理本質(zhì)及分析其他沖擊傾向指標(biāo)，具有較為重要的意義。1985年朱之芳在研究沖擊地壓?jiǎn)栴}時(shí)，針對(duì)煤的單軸壓縮全應(yīng)力應(yīng)變曲線，通過(guò)劃分峰值強(qiáng)度前曲線和峰值強(qiáng)度后曲線積分得到的能量類(lèi)別，用峰值強(qiáng)度前曲線積分得到的應(yīng)變能與峰值強(qiáng)度后曲線積分得到的應(yīng)變能比值提出了能量沖擊性指標(biāo)。并結(jié)合所測(cè)得110條全程應(yīng)力應(yīng)變曲線計(jì)算結(jié)果，給出了分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)<1時(shí)，無(wú)沖擊地壓危險(xiǎn)存在；當(dāng)=1～2時(shí)，有沖擊地壓危險(xiǎn)存在；當(dāng)>2，有嚴(yán)重沖擊地壓危險(xiǎn)存在。該指標(biāo)的物理意義在于當(dāng)煤樣內(nèi)貯藏的能量超過(guò)試樣在峰值強(qiáng)度后所能承受的能量，即是促成沖擊地壓產(chǎn)生的動(dòng)能，該指標(biāo)不僅考慮了峰前階段，而且還考慮了峰后階段，因此在理論上更加具有說(shuō)服力。

在參考文獻(xiàn)[16]研究結(jié)果基礎(chǔ)上，1987年王淑坤針對(duì)煤加載過(guò)程中的單軸壓縮全應(yīng)力應(yīng)變曲線得到的力學(xué)參量進(jìn)行分析，并提出用峰值前后曲線下的面積比反映煤的沖擊傾向性，比值稱(chēng)之為沖擊能量指數(shù)，并在考慮II型曲線的情況下，給出了分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)<1.5時(shí)，無(wú)沖擊傾向；當(dāng)1.5≤<5時(shí)，沖擊傾向中等；當(dāng)煤峰后曲線形狀為II型曲線或≥5，沖擊傾向強(qiáng)烈。在2000年制定的“MT/T 174—2000，煤層沖擊傾向性分類(lèi)及指數(shù)的測(cè)定方法”中規(guī)定采用沖擊能量指數(shù)作為煤的沖擊傾向性指數(shù)之一，國(guó)標(biāo)GB/T 25217.2—2010中建議該指標(biāo)通過(guò)電液伺服試驗(yàn)機(jī)以0.5×10～1×10mm/s應(yīng)變速率進(jìn)行加載來(lái)獲得煤樣的全應(yīng)力應(yīng)變曲線。沖擊能量指數(shù)的計(jì)算示意如圖1所示，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)[43]一致，計(jì)算公式為

(5)

(6)

其中，為峰值前總輸入能，其值為峰前曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積；為峰值后破壞應(yīng)變能，其值為峰后曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積。2010年國(guó)標(biāo) GB/T 25217.2—2010繼續(xù)采用該指數(shù)作為煤的沖擊傾向性判據(jù)之一，試驗(yàn)和計(jì)算過(guò)程未作修改。

相對(duì)于的計(jì)算原理和表征形式，沖擊能量指數(shù)考慮了煤樣破壞的峰后階段，全程考慮了受力，更加全面。但是沖擊能量指數(shù)存在以下問(wèn)題：①?zèng)_擊能量指數(shù)所得結(jié)果為無(wú)量綱的比值，只能反映峰前總應(yīng)變能和峰后總應(yīng)變能的相對(duì)大小。② 煤樣峰前階段存在能量消耗，利用峰前面積和峰后面積之比計(jì)算沒(méi)有扣除峰前階段的耗散應(yīng)變能。

3.3 動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT

KIDYBINSKI 1981年在論文中利用邊長(zhǎng)50 mm立方體煤樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)(加載率1 MPa/s)，分析了煤樣3種代表性的峰值應(yīng)力跌落時(shí)間，最短的(10～20)ms，最長(zhǎng)的達(dá)5 s。動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間中文專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)最早見(jiàn)于李玉生在1985年“沖擊地壓機(jī)理及其初步應(yīng)用”一文，認(rèn)為動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間是煤樣從峰值強(qiáng)度開(kāi)始破壞到結(jié)束的瞬態(tài)延續(xù)時(shí)間。文中對(duì)3類(lèi)煤樣的典型破壞過(guò)程曲線及相應(yīng)的破壞時(shí)間進(jìn)行了分析，對(duì)強(qiáng)沖型煤樣(加載率0.16～50 MPa/s)破壞時(shí)間為毫秒量級(jí)，弱沖擊型煤樣破壞時(shí)間為10 ms量級(jí)，無(wú)沖擊型煤樣破壞時(shí)間為100 ms量級(jí)。文中認(rèn)為破壞時(shí)間可以反映能量變換的全過(guò)程，對(duì)沖擊傾向敏感、易于分級(jí)以及在一定范圍內(nèi)不受加載速度、試樣強(qiáng)度和壓力機(jī)能力的影響，且試驗(yàn)系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，易于采用先進(jìn)的測(cè)試系統(tǒng)等一系列特點(diǎn)，實(shí)用性較強(qiáng)。1986年張萬(wàn)斌等將煤樣的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間(Dynamic failure time，)用于衡量沖擊傾向的程度，認(rèn)為破壞過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)短是能量積聚與耗散動(dòng)態(tài)特征的綜合反映。文中選用直徑 50 mm、高徑比為1的圓柱體試樣尺寸，對(duì)我國(guó)和波蘭沖擊地壓情況不同的11個(gè)煤層、共1 070個(gè)煤樣進(jìn)行試驗(yàn)，給出了的具體分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

1987年動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間和被列入煤炭工業(yè)部部標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中建議選用的試樣規(guī)格同之前在中論述的一致。煤樣以0.5～ 1.0 MPa/s的加載速度直到破壞，并根據(jù)時(shí)間加載曲線確定其動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間?？紤]到煤樣力學(xué)性能具有不均質(zhì)性和差異性，即使是取自同煤層的煤樣力學(xué)性能會(huì)有差異，動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間曲線也會(huì)有較大差異，因此該標(biāo)準(zhǔn)在附錄中根據(jù)煤破壞中存在的突然脆性破壞、臺(tái)階式下降、水平式平臺(tái)臺(tái)階式下降、多臺(tái)階式傾斜下降4種的典型曲線形態(tài)給出了各自動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間的確定形式?？紤]到和動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間的測(cè)定都需要從現(xiàn)場(chǎng)取大塊煤樣，再加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣。為了能更方便的運(yùn)用在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，王淑坤在1994年提出了用點(diǎn)荷載法測(cè)定煤的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了使用點(diǎn)荷載法在測(cè)定不規(guī)則煤樣動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間的可行性。該方法適用于不能加工成標(biāo)準(zhǔn)煤樣的煤層沖擊傾向性判別，且同標(biāo)準(zhǔn)煤樣的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)一致。但該方法的缺點(diǎn)在于測(cè)得的動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間離散程度大，因此文中也建議在使用點(diǎn)荷載測(cè)動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間的時(shí)候，煤樣數(shù)量不得少于50塊，且尺寸為50 mm×50 mm×50 mm為宜。 2000年修訂的MT/T 174—2000《煤層沖擊傾向性分類(lèi)及指數(shù)的測(cè)定方法》和2010年國(guó)標(biāo) 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)定方法中對(duì)動(dòng)態(tài)破化時(shí)間的測(cè)定方法保持一致，僅在試樣尺寸大小的選擇上隨每一版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸作了調(diào)整。

3.4 單軸抗壓強(qiáng)度σc

1999年竇林名等在“沖擊礦壓及其防治”一文中，給出了煤的與單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系式，認(rèn)為“煤的沖擊傾向性隨單軸抗壓強(qiáng)度的增加而增大”；將煤層劃分為弱沖擊傾向性(<16 MPa)強(qiáng)沖擊傾向性(≥16 MPa)。2010年國(guó)標(biāo)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)定方法中將單軸抗壓強(qiáng)度正式列入煤的沖擊傾向性的判別指數(shù)中，并給出了具體的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試方法為：每組不少于3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)煤樣(直徑為50 mm、高徑比為2的圓柱體試樣)，以0.5～1.0 MPa/s的速度對(duì)試樣加載直到試樣破壞，記錄下單軸抗壓強(qiáng)度，計(jì)算每組的平均抗壓強(qiáng)度，示意如圖1所示。2011年齊慶新等在論文“煤巖沖擊傾向性研究”中，基于20多年來(lái)在煤巖物理力學(xué)性質(zhì)與沖擊傾向性等方面的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度等與沖擊傾向性的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)全面地分析，提出將煤的單軸抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)煤層沖擊傾向性的新指數(shù)，修正后的煤巖沖擊傾向性指數(shù)及分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)納入國(guó)標(biāo)GB/T 25217.2—2010。

單軸抗壓強(qiáng)度能夠反映出煤樣的極限承載能力，單軸抗壓強(qiáng)度越高，煤樣在破壞前承載能力越強(qiáng)，外力做功下內(nèi)部積蓄的能量越多，在達(dá)到峰值強(qiáng)度后破壞時(shí)轉(zhuǎn)化釋放的動(dòng)能也越大。但是，該指數(shù)也存在一定不足：① 煤作為一種均質(zhì)性較差，且內(nèi)部富含孔隙以及結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜地質(zhì)材料，有些煤樣在單軸壓縮作用下，往往在峰值荷載前存在多個(gè)峰值，呈現(xiàn)間歇性破壞。對(duì)于峰值載荷前出現(xiàn)間歇性破壞的煤樣，若僅以峰值強(qiáng)度(單軸抗壓強(qiáng)度)為依據(jù)評(píng)價(jià)此類(lèi)應(yīng)力-應(yīng)變曲線所對(duì)應(yīng)的煤樣沖擊傾向性，其科學(xué)性及準(zhǔn)確性有待商榷。② 單軸抗壓強(qiáng)度僅反映了煤樣峰前階段加載情況，沒(méi)有考慮峰后破壞階段，無(wú)法反映煤樣的全程受力過(guò)程。③ 即使在相同加載速率下，同一種煤的單軸抗壓強(qiáng)度有時(shí)差異性也較大，而且受到加載速率的影響，并不是定值。④ 單軸抗壓強(qiáng)度所得結(jié)果為MPa，是壓強(qiáng)的單位，主要反映煤樣最大承載能力情況。

3.5 剛度沖擊性指數(shù)KCF

1985年朱之芳在專(zhuān)著《剛性試驗(yàn)機(jī)》中提出了剛度沖擊性能指數(shù)，即用煤強(qiáng)度極限前的剛度與強(qiáng)度極限后塑性階段的剛度絕對(duì)值之比來(lái)表征煤的沖擊傾向性。該指數(shù)計(jì)算公式為

(7)

其中，為試樣在彈性階段的剛度；||為試樣在塑性階段的剛度絕對(duì)值。計(jì)算示意如圖2所示，其中，為假設(shè)卸荷模量等于彈性模量條件下的峰值應(yīng)力時(shí)刻對(duì)應(yīng)的塑性應(yīng)變。

圖2 以彈性模量來(lái)計(jì)算峰值彈性應(yīng)變能的計(jì)算假設(shè)Fig.2 Calculation hypothesis of peak elasticstrain energy by elastic modulus

3.6 模量指數(shù)Kλ

1999年潘一山在博士論文《沖擊地壓發(fā)生和破壞過(guò)程研究》中提出峰后軟化模量概念，并給出模量指數(shù)的定義，即用煤樣應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值后軟化模量與峰值前的彈性模量的比值為模量指數(shù)，即煤樣試樣在應(yīng)力應(yīng)變曲線中峰后斜率的絕對(duì)值與峰前斜率之比。該指數(shù)的計(jì)算示意圖如圖2所示，計(jì)算公式為

(8)

式中，，分別為峰值后軟化模量與峰值前的彈性模量。

2019年代樹(shù)紅等對(duì)模量指數(shù)在煤的沖擊傾向性判據(jù)中應(yīng)用進(jìn)行了研究，認(rèn)為軟化模量是決定模量指數(shù)大小的關(guān)鍵因素，即影響沖擊地壓發(fā)生的根本內(nèi)因是煤在應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值后的應(yīng)變軟化性質(zhì)。

3.7 沖擊能量速度指數(shù)WST

2010年潘一山在“煤層沖擊傾向性與危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)研究”一文中，認(rèn)為煤樣破壞過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)釋放的剩余能表征了單位時(shí)間內(nèi)彈性能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能的多少，這也同時(shí)反映出煤的沖擊傾向性的程度。而且不僅需要考慮能量因素，也應(yīng)該考慮時(shí)間效應(yīng)，提出了沖擊能量速度指數(shù)及其分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，將其定義為沖擊能指數(shù)與動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間的比值，該指數(shù)的示意圖如圖1所示，計(jì)算公式為

(9)

該指數(shù)的物理意義表征了單位時(shí)間里煤試樣壓縮過(guò)程中能量積聚與釋放之比，反映了煤試樣壓縮破壞過(guò)程中能量的沖擊釋放能力。沖擊能量速度指數(shù)越大，沖擊能力越強(qiáng)。文中建議沖擊能量速度指數(shù)需要進(jìn)行大量試驗(yàn)與工程實(shí)例的檢驗(yàn)，來(lái)更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。

3.8 修正沖擊能指數(shù)W′CP

1993年金立平等在“煤層沖擊傾向性試驗(yàn)研究及模糊綜合評(píng)判”一文中，認(rèn)為煤在破壞前因塑性變形而消耗的能量，因而該指數(shù)偏于保守。煤體破壞前積聚的能量包括塑性應(yīng)變能和彈性應(yīng)變能，但在沖擊地壓發(fā)生過(guò)程中塑性應(yīng)變能不能釋放出來(lái)，對(duì)沖擊地壓的發(fā)生不起作用，因此對(duì)原有的沖擊能指數(shù)進(jìn)行修正，扣除了總輸入應(yīng)變能中的塑性應(yīng)變能，提出了修正沖擊能指數(shù)′，該指數(shù)的示意如圖3所示，其計(jì)算公式為

(10)

圖3 計(jì)算峰值彈性應(yīng)變能的計(jì)算假設(shè)Fig.3 Calculation hypothesis of peak elastic strain energy

修正該指數(shù)的重心聚焦于如何準(zhǔn)確獲得峰值點(diǎn)處的彈性應(yīng)變能，文中提出了2種方案：

(1)第1種方案。由于峰值點(diǎn)處的卸載曲線是未知的，所以峰值點(diǎn)處的彈性應(yīng)變能不能直接獲得，但聯(lián)想到的計(jì)算過(guò)程，發(fā)現(xiàn)它們之間的計(jì)算過(guò)程存在相似性，最大的區(qū)別在于的計(jì)算時(shí)的最大載荷是80%～90%的峰值強(qiáng)度，于是近似認(rèn)為峰值點(diǎn)處的彈性應(yīng)變能與耗散應(yīng)變能的比值約等于：

(11)

通過(guò)式(11)得到峰值點(diǎn)處的彈性應(yīng)變能與耗散應(yīng)變能之比后，結(jié)合沖擊能量指數(shù)的計(jì)算式(5)以及式(10)聯(lián)立可求得修正沖擊能指數(shù)計(jì)算公式為

(12)

(2)第2種方案。試驗(yàn)研究表明,煤材料的卸載彈性模量和加載過(guò)程中線彈性階段的彈性模量比較接近。據(jù)此可根據(jù)一個(gè)試樣的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線，從峰值應(yīng)力點(diǎn)直接作出峰值點(diǎn)的假設(shè)卸載路徑，使卸荷模量等于彈性模量，再計(jì)算假設(shè)得出的峰值彈性應(yīng)變能。計(jì)算示意如圖2所示，計(jì)算公式為

(13)

對(duì)于兩種計(jì)算假設(shè)得出的′值，分別給出了同樣的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3.9 剩余能量釋放速度指數(shù)WT

2009年張緒言等綜合考慮煤破壞時(shí)剩余的能量及動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間因素 ，定義了剩余能量釋放速度指數(shù)：用煤樣單軸壓縮曲線峰值前積聚的彈性能減去峰值后損耗的能量得到的剩余能量與動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間的比值。計(jì)算公式為

(14)

如何計(jì)算峰值點(diǎn)處的彈性應(yīng)變能同樣也是計(jì)算指數(shù)的關(guān)鍵，文中提到“采用 MTS伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)煤彈性能量指數(shù)測(cè)試分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)彈性能量指數(shù)測(cè)試試驗(yàn)中就包含了計(jì)算剩余能量釋放速度指數(shù)所需要的全部參數(shù)”。如果采用文獻(xiàn)[18]第1種計(jì)算方法，剩余能量釋放速度指數(shù)可以通過(guò)下面公式計(jì)算：

(15)

3.10 有效沖擊能量速度指數(shù)WDT

2014年李寶富等在“千秋煤礦2號(hào)煤層沖擊傾向性判別指標(biāo)研究”一文中，提出用煤樣單軸壓縮曲線峰值前積聚的彈性能減去峰值后損耗的能量得到的剩余能量，然后與動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間的比值為有效沖擊能量速度指數(shù)。對(duì)于計(jì)算峰值點(diǎn)的彈性應(yīng)變能做出新的假設(shè)，將煤樣單軸壓縮全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化和假設(shè)：① 將加載曲線簡(jiǎn)化為直線；② 煤樣在峰值前彈塑性段卸載曲線簡(jiǎn)化為與原來(lái)塑性應(yīng)變和相等的直線，且從點(diǎn)和峰值點(diǎn)點(diǎn)的卸載曲線和斜率相等，簡(jiǎn)化示意如圖4所示。

圖4 峰前曲線簡(jiǎn)化為直線計(jì)算峰值彈性應(yīng)變能的假設(shè)Fig.4 Calculation hypothesis of peak elastic strain energyby simplifying pre-peak curves to line

由于通過(guò)峰前實(shí)際卸載曲線可以獲得卸載點(diǎn)零處的應(yīng)變即，通過(guò)式(16)得到的假設(shè)值：

(16)

進(jìn)而通過(guò)△的面積得到假設(shè)的峰值點(diǎn)彈性應(yīng)變能：

(17)

有效沖擊能量速度指數(shù)的計(jì)算公式為

(18)

3.11 峰值能量沖擊指數(shù)A′CF

2018年宮鳳強(qiáng)等在巖石加載過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了線性儲(chǔ)能規(guī)律。這一規(guī)律在巖石抗拉、剪切、斷裂試驗(yàn)、二維壓縮和三維壓縮試驗(yàn)中均存在，對(duì)煤和混凝土單軸壓縮試驗(yàn)也適用，屬于固體材料的固有材料屬性規(guī)律。線性儲(chǔ)能規(guī)律的定義為材料內(nèi)部彈性應(yīng)變能與輸入應(yīng)變能(外界作功)之間存在線性關(guān)系，即

(19)

基于線性儲(chǔ)能規(guī)律，可以計(jì)算出煤樣在峰值強(qiáng)度點(diǎn)的彈性應(yīng)變能。

(20)

(21)

3.12 峰值應(yīng)變能存儲(chǔ)指數(shù)

(22)

3.13 峰值彈性應(yīng)變能指數(shù)PESp

基于線性儲(chǔ)能規(guī)律，2020年筆者等提出了峰值彈性應(yīng)變能指數(shù)，它表征了煤或巖在峰值處的儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能的大小，峰值彈性應(yīng)變能指數(shù)PES可通過(guò)3.11節(jié)中介紹的線性儲(chǔ)能規(guī)律計(jì)算。

3.14 剩余彈性能指數(shù)CEF

考慮煤樣受力的峰前和峰后全過(guò)程，從能量輸入、儲(chǔ)存、消耗、剩余釋放的角度以得到絕對(duì)能量密度值的思路，2021年筆者等基于煤的線性儲(chǔ)能規(guī)律，建立了煤的沖擊傾向性判別新指數(shù)——剩余彈性能指數(shù)，計(jì)算公式為

(23)

其中，為峰后破壞能。該指數(shù)單位為能量密度，乘以試樣體積，可以直接計(jì)算煤樣破壞過(guò)程釋放能量，體現(xiàn)沖擊傾向性的大小，因此剩余彈性能指數(shù)屬于煤的沖擊傾向性直接指數(shù)，可以直接和沖擊釋放能量建立聯(lián)系。峰值彈性應(yīng)變能如圖5所示。

圖5 峰值彈性應(yīng)變能示意Fig.5 Diagram of peak elastic strain energy

3.15 有效彈性能釋放速率指數(shù)KET

2021年盧志國(guó)等在“基于非線性儲(chǔ)能與釋放特征的煤沖擊傾向性指標(biāo)”一文中，提出用煤樣單軸壓縮曲線峰值前積聚的彈性能減去峰值后損耗的能量得到的剩余能量，然后與動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間的比值稱(chēng)之為有效彈性能釋放速率指數(shù)。針對(duì)獲取峰值彈性應(yīng)變能這一問(wèn)題，文中通過(guò)對(duì)煤樣的單軸多次循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)彈性應(yīng)變能與軸向應(yīng)力的平方存在較好的線性關(guān)系，可以用下式表達(dá)：

(24)

通過(guò)式(24)，可以計(jì)算峰值點(diǎn)的彈性應(yīng)變能：

(25)

有效彈性能釋放速率指數(shù)計(jì)算公式為

(26)

上述16種沖擊性傾向性指數(shù)的參數(shù)說(shuō)明和分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)在表4中進(jìn)行了匯總。對(duì)于16種煤的沖擊性傾向性指數(shù)，根據(jù)前面的分析和表4可知，只有峰值彈性應(yīng)變能和剩余彈性能指數(shù)單位為能量密度，消除了煤樣體積差異帶來(lái)的影響，可以直接衡量煤樣釋放動(dòng)能數(shù)值的大小，屬于煤的沖擊傾向性直接指數(shù)；對(duì)于剩余能量釋放速度指數(shù)和有效沖擊能量速度指數(shù)，其數(shù)值乘以煤樣動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間，也可作為煤的沖擊傾向性直接指數(shù)。第4節(jié)針對(duì)上述16種沖擊傾向性指數(shù)，利用5種煤的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和系統(tǒng)論證。

表4 煤的沖擊傾向性指數(shù)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表

4 煤的沖擊傾向性試驗(yàn)

4.1 煤樣制備、試驗(yàn)方案和目的

對(duì)于煤的沖擊傾向性指數(shù)研究，不論是國(guó)標(biāo)GB/T 25217.2—2010還是其他指數(shù)，均采用單軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行研究。本次試驗(yàn)中選用來(lái)自烏東煤礦、塔子溝煤礦、玉井煤礦、趙固煤礦、東灘煤礦的煤塊制做成標(biāo)準(zhǔn)尺寸為50 mm×100 mm的煤樣(弱黏煤，貧瘦煤，無(wú)煙煤和兩種氣煤，分別命名為C-A，C-B，C-C，C-D和C-E)。綜合考慮16種沖擊性傾向性指數(shù)的試驗(yàn)及計(jì)算方法，對(duì)煤樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和一次循環(huán)加卸載單軸壓縮試驗(yàn)，考察煤樣加載過(guò)程中的應(yīng)力、彈性模量、應(yīng)變能等各項(xiàng)參數(shù)。試驗(yàn)均在INSTRON 1346電液伺服剛性試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中采用了高速攝像儀記錄煤樣破壞時(shí)的過(guò)程，進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證煤的沖擊傾向性指數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性，實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖6所示。前期試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)文獻(xiàn)[22]。通過(guò)得到的試驗(yàn)曲線計(jì)算表4中16種煤的沖擊傾向性指數(shù)結(jié)果。

圖6 INSTRON 1346電液伺服剛性試驗(yàn)機(jī)和高速攝像儀Fig.6 INSTRON 1346 electro-hydraulic servo stiffnesstesting machine and high-speed camera

4.2 試驗(yàn)步驟和結(jié)果

試驗(yàn)完成后，得到了5種煤的單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖7所示。通過(guò)試驗(yàn)曲線和數(shù)據(jù)，可以獲得5種煤的單軸抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間、彈性模量等其他力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表5。同時(shí)，5種煤在加卸載試驗(yàn)中各卸載應(yīng)力水平處的應(yīng)變能參數(shù)匯總見(jiàn)表6。

從5種煤的應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，貧瘦煤的峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線最完整，具有明顯的塑性，而其他的4種煤沒(méi)有完整的峰后曲線，在達(dá)到峰值強(qiáng)度后應(yīng)力急劇下降，說(shuō)明脆性較強(qiáng)。弱黏煤、2種氣煤和無(wú)煙煤在峰前都存在間歇性破壞，弱粘煤和無(wú)煙煤峰后曲線出現(xiàn)間歇、臺(tái)階式下降或多峰值現(xiàn)象。單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)中，在任何一種應(yīng)力水平下卸載，卸載曲線都沒(méi)有回到原點(diǎn)，產(chǎn)生了永久應(yīng)變，說(shuō)明煤樣在加載過(guò)程中存在能量耗散。此外，煤樣經(jīng)過(guò)卸載后二次加載，二次加載曲線經(jīng)過(guò)卸載點(diǎn)附近繼續(xù)沿著初始加載曲線方向發(fā)展，說(shuō)明煤具有記憶效應(yīng)，一次循環(huán)加卸載過(guò)程不影響煤樣的全受力過(guò)程。5種煤(C-A，C-B，C-C，C-D和C-E)的平均單軸抗壓強(qiáng)度分別為9.13，11.45，20.99，22.88，18.45 MPa?？梢钥闯?，2種氣煤和無(wú)煙煤的單軸抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于弱黏煤和貧瘦煤。

4.3 煤峰前加載過(guò)程中的線性儲(chǔ)能和耗能規(guī)律

(27)

(28)

其中，為壓縮耗能系數(shù)。跟相比，相差數(shù)量級(jí)，因此在一定情況下可以忽略不計(jì)。

圖7 5種煤?jiǎn)屋S壓縮試驗(yàn)曲線(常規(guī)試驗(yàn)和一次循環(huán)加卸載試驗(yàn))[22]Fig.7 Uniaxial compression test curves of five kinds of coal(Conventional test and single cycle loading and unloading test)[22]

表5 5種煤的基本物理和力學(xué)參數(shù)

續(xù)表

4.4 線性儲(chǔ)能規(guī)律的應(yīng)用

根據(jù)線性儲(chǔ)能規(guī)律，將峰值處的輸入應(yīng)變能代入式(27)，可以準(zhǔn)確獲得峰值處彈性應(yīng)變能。獲得峰值處彈性應(yīng)變能之后，代入4種沖擊傾向性指數(shù)PES，′,和中計(jì)算，對(duì)，′,′，，也可以應(yīng)用計(jì)算。然后根據(jù)各自的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，獲得30個(gè)煤樣的沖擊傾向性分類(lèi)結(jié)果。

表6 5種煤樣在不同卸載應(yīng)力水平下的應(yīng)變能參數(shù)

續(xù)表

5 基于試驗(yàn)現(xiàn)象的煤樣沖擊傾向性判據(jù)

對(duì)煤樣做完試驗(yàn)后，根據(jù)16種沖擊傾向性指數(shù)計(jì)算公式和類(lèi)別判別標(biāo)準(zhǔn)，可以對(duì)每個(gè)煤樣的沖擊傾向性作出判斷。但是如引言中所述，目前缺少根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)后煤樣的破壞過(guò)程及狀態(tài)制定的煤樣沖擊傾向性判據(jù)，導(dǎo)致對(duì)16種沖擊傾向性指數(shù)判別結(jié)果缺少統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上，不論是煤礦現(xiàn)場(chǎng)的沖擊地壓和煤樣室內(nèi)沖擊都是煤的破壞現(xiàn)象，根據(jù)煤樣破壞現(xiàn)象和試驗(yàn)結(jié)果確定煤樣的沖擊傾向性類(lèi)別是研究的初心問(wèn)題和根本問(wèn)題。因此，根據(jù)煤在單軸壓縮狀態(tài)下發(fā)生沖擊破壞的過(guò)程和破壞后的狀態(tài)，制定基于試驗(yàn)現(xiàn)象的煤樣沖擊傾向性判據(jù)非常有必要，進(jìn)而可以對(duì)上述16種沖擊傾向性指數(shù)的判別結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一衡量。

5.1 煤沖擊傾向性的統(tǒng)一衡量標(biāo)準(zhǔn)分析

與煤礦現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的沖擊地壓現(xiàn)象類(lèi)似，室內(nèi)試驗(yàn)中的具有沖擊傾向性的煤樣破壞同樣伴隨著煤屑碎片彈射和飛出。煤的沖擊傾向性與破壞碎片的動(dòng)能密切相關(guān)，衡量煤樣沖擊傾向性程度的理想方案是獲取每塊煤碎片的質(zhì)量和速度，并利用動(dòng)能公式精確計(jì)算其數(shù)值。然而，在煤樣實(shí)際破壞過(guò)程中，在很短的時(shí)間內(nèi)(毫秒量級(jí))，有大量碎片向不同方向噴射，如圖9所示，高速攝像機(jī)記錄的C-E-6氣煤試樣的破壞過(guò)程?？梢钥闯觯簶釉诤撩肓考?jí)的時(shí)間內(nèi)爆裂，大量的碎片及煤粉沿煤樣周?chē)轿凰纳滹w出。目前的測(cè)試手段很難精確追蹤到每一塊碎片的運(yùn)動(dòng)軌跡，試驗(yàn)完成后收集和稱(chēng)重每個(gè)碎片及碎屑也很難實(shí)現(xiàn)，因此不能利用動(dòng)能公式準(zhǔn)確計(jì)算出煤樣破壞時(shí)釋放的動(dòng)能，測(cè)量煤沖擊傾向性的理想方案在目前測(cè)試技術(shù)條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

5.2 煤樣沖擊傾向性的定性分析

試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中直接觀察煤樣破壞過(guò)程中噴射出碎片和碎屑時(shí)，拋射的碎片及碎屑分布在INSTRON 1346試驗(yàn)機(jī)設(shè)備壓頭和試驗(yàn)臺(tái)上，其碎片分布范圍不同。如圖10所示，煤樣破壞時(shí)，通過(guò)觀察高速攝像儀記錄的破壞瞬間過(guò)程(毫秒量級(jí))和破壞后碎片散布范圍，破壞過(guò)程時(shí)間越短、破壞瞬間越劇烈，噴出碎片及碎屑越多、距離越遠(yuǎn)、范圍越廣，可以直觀認(rèn)定煤樣的沖擊傾向性更強(qiáng)(C-E-6煤樣，強(qiáng)沖擊傾向性)；與之相反的，煤樣破壞時(shí)釋放出的能量少，則煤的碎片速度低、飛出的距離近(C-B-2煤樣，無(wú)沖擊傾向性)。這是基于能量的最樸素科學(xué)認(rèn)識(shí)。因此試驗(yàn)完成彈射碎片的分布范圍在一定程度上可以反映煤的沖擊傾向程度。下面結(jié)合高速攝像儀記錄的破壞瞬間過(guò)程照片和破壞后碎片散布范圍，借鑒文獻(xiàn)[21]中介紹的遠(yuǎn)場(chǎng)彈射質(zhì)量比，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤樣沖擊傾向性的定性判別。

圖8 5種煤的線性儲(chǔ)能與耗能規(guī)律Fig.8 Linear energy storage and dissipation laws of five kinds of coals

圖9 氣煤C-E-6試樣破壞過(guò)程Fig.9 Destruction process of gas coal C-E-6 specimen

如圖10所示，以INSTRON 1346試驗(yàn)機(jī)為準(zhǔn)，以設(shè)備壓頭的范圍劃分為兩個(gè)場(chǎng)，設(shè)備壓頭以內(nèi)是近場(chǎng)，設(shè)備壓頭以外的試驗(yàn)臺(tái)范圍是近場(chǎng)。所謂遠(yuǎn)場(chǎng)彈射質(zhì)量比(Far field ejection mass ratio，標(biāo)記為)，是遠(yuǎn)場(chǎng)內(nèi)的質(zhì)量除以遠(yuǎn)場(chǎng)內(nèi)的質(zhì)量和近場(chǎng)內(nèi)的質(zhì)量之和，即掉落在設(shè)備壓頭外的煤片質(zhì)量與脫離煤樣質(zhì)量的比值：

(29)

關(guān)于利用遠(yuǎn)場(chǎng)彈射質(zhì)量比衡量煤樣沖擊傾向性的合理性，舉2種代表性情況進(jìn)行說(shuō)明：① 當(dāng)煤碎屑全部掉落在近場(chǎng)范圍內(nèi)，遠(yuǎn)場(chǎng)彈射質(zhì)量比=0，表明煤樣無(wú)沖擊傾向性；② 當(dāng)煤碎屑全部掉落在遠(yuǎn)場(chǎng)范圍內(nèi)，遠(yuǎn)場(chǎng)彈射質(zhì)量比=1，表明煤樣有強(qiáng)沖擊傾向性。上述2種代表性情況屬于極端情況，對(duì)實(shí)際煤樣而言，綜合參考高速攝像機(jī)記錄和煤樣破壞后狀態(tài)，本文中分別以=0.1和0.7作為無(wú)、弱、強(qiáng)沖擊傾向性的劃分區(qū)間。

進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)彈射質(zhì)量比測(cè)定時(shí)，注意事項(xiàng)如下：① 試驗(yàn)前對(duì)母體煤樣進(jìn)行稱(chēng)重；② 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，根據(jù)煤樣破壞過(guò)程和破壞后狀態(tài)，確定煤樣母體剩余部分，該部分質(zhì)量直接決定的準(zhǔn)確性，這是決定準(zhǔn)確性的一個(gè)關(guān)鍵因素；③ 試驗(yàn)過(guò)程后期，由于墊塊重力作用，可能使破壞后的煤樣進(jìn)一步被墊塊壓塌，導(dǎo)致煤樣母體剩余部分的計(jì)算不準(zhǔn)確，尤其是對(duì)具有強(qiáng)沖擊傾向的煤樣要格外注意；④ 試驗(yàn)后，每個(gè)煤樣稱(chēng)重前，對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)范圍的煤樣質(zhì)量務(wù)必清理干凈稱(chēng)重，這是決定準(zhǔn)確性的另一個(gè)關(guān)鍵因素；⑤ 在對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)質(zhì)量、進(jìn)場(chǎng)質(zhì)量和煤樣母體剩余稱(chēng)重后，分別單獨(dú)裝袋保存，以便于后面檢查核對(duì)。

圖10 INSTRON 1346試驗(yàn)機(jī)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)劃分示意Fig.10 Schematic diagram of the near-field and far-fielddivision of the INSTRON 1346 experimental machine

圖11是具有不同沖擊傾向性程度的煤樣破壞過(guò)程和狀態(tài)。① 無(wú)沖擊傾向性。代表性煤樣C-B-2，煤種屬于貧瘦煤，煤樣破壞后完整程度高，只有少數(shù)顆粒掉落，碎片主要分布在設(shè)備壓頭上，煤樣破壞過(guò)程中沒(méi)有聲音，=14.72 kJ/m，=0，破壞模式以剪切破壞為主。② 弱沖擊傾向性。代表性煤樣C-A-1，煤種屬于弱黏煤，整體破碎成大塊，大部分碎片落在設(shè)備壓頭上，少量掉落在試驗(yàn)臺(tái)上，煤碎片沿著斜向下方掉落，速度較低，碎片主要分布在設(shè)備壓頭上，煤樣破壞過(guò)程中有輕微聲響，=26.80 kJ/m，=0.62，破壞模式以剪切破壞為主。③ 強(qiáng)沖擊傾向性。代表性煤樣C-E-6，煤種屬于氣煤，煤樣破壞過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重的碎屑噴射，煤碎片沿著水平和斜向下方掉落，速度很快，大部分碎屑位于試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)上，爆裂聲大，=144.47 kJ/m，=0.84，破壞模式以剪切破壞為主，伴隨張拉破壞。

圖11 煤樣破壞過(guò)程和狀態(tài)Fig.11 Failure process and state of coal specimens

5.3 基于試驗(yàn)現(xiàn)象的煤樣沖擊傾向性定性判據(jù)

借助高速攝像紀(jì)錄，根據(jù)煤樣在單軸壓縮狀態(tài)的發(fā)生沖擊破壞的過(guò)程和破壞后的試驗(yàn)現(xiàn)象，測(cè)定遠(yuǎn)場(chǎng)彈射質(zhì)量比，采取定性分析方法，從煤樣破裂及運(yùn)動(dòng)特征、聲學(xué)特征、煤碎片分布特征和遠(yuǎn)場(chǎng)彈射質(zhì)量比4個(gè)方面，通過(guò)分析煤樣的實(shí)際破壞過(guò)程(由高速攝像機(jī)記錄)和破壞特征，將煤的沖擊傾向性劃分為無(wú)、弱、強(qiáng)3個(gè)等級(jí)，提出基于試驗(yàn)現(xiàn)象的煤樣沖擊傾向性定性判據(jù)及分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)()，可以作為評(píng)價(jià)沖擊傾向性指數(shù)所得結(jié)果的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(表7)。

根據(jù)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，30個(gè)煤樣的詳細(xì)分類(lèi)結(jié)果見(jiàn)表8。由表8可知，貧瘦煤沒(méi)有沖擊傾向性，弱黏煤表現(xiàn)出弱沖擊傾向性，而無(wú)煙煤和兩種氣煤都均有強(qiáng)沖擊傾向性(氣煤C-E-3煤樣除外，具有弱沖擊傾向性)。需要注意的是，基于試驗(yàn)現(xiàn)象的煤樣沖擊傾向性定性判據(jù)，綜合考慮多種因素對(duì)煤樣沖擊傾向性的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)受試驗(yàn)設(shè)備條件的影響，尤其是遠(yuǎn)場(chǎng)彈射質(zhì)量比是針對(duì)INSTRON 1346試驗(yàn)機(jī)的裝置情況設(shè)定。因此，利用基于試驗(yàn)現(xiàn)象的室內(nèi)試驗(yàn)煤沖擊傾向性定性判別標(biāo)準(zhǔn)()對(duì)煤樣的實(shí)際沖擊傾向性進(jìn)行判定時(shí)，在4項(xiàng)評(píng)判因素中，遠(yuǎn)場(chǎng)彈射質(zhì)量比可以對(duì)煤樣碎片通過(guò)稱(chēng)重進(jìn)行量化處理，是關(guān)鍵指標(biāo)；其余煤樣破裂及運(yùn)動(dòng)特征、聲學(xué)特征、煤碎片分布特征都屬于定性指標(biāo)，可以作為參考，相關(guān)特征表述用語(yǔ)還有待深入探討。

表7 基于試驗(yàn)現(xiàn)象的室內(nèi)試驗(yàn)煤沖擊傾向性定性判別標(biāo)準(zhǔn)

表8 5種煤的室內(nèi)試驗(yàn)沖擊傾向性定性判別

續(xù)表

6 沖擊傾向性指數(shù)判別結(jié)果對(duì)比

利用5種煤?jiǎn)屋S壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線和獲得的力學(xué)、能量參數(shù)，可以分別計(jì)算16種沖擊傾向性指數(shù)的具體結(jié)果，進(jìn)而根據(jù)各自的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判具體的沖擊傾向性類(lèi)別。

6.1 國(guó)標(biāo)2010版中煤的沖擊傾向性指數(shù)判別結(jié)果對(duì)比

表9 5種煤的沖擊傾向性指數(shù)計(jì)算結(jié)果

表10 5種煤判別結(jié)果對(duì)比

對(duì)比分析時(shí)，以基于試驗(yàn)現(xiàn)象的煤樣沖擊傾向性判據(jù)的判別結(jié)果為統(tǒng)一衡量標(biāo)準(zhǔn)。在表10判別分類(lèi)結(jié)果中，以“—”表示該指數(shù)的判別結(jié)果與的判別結(jié)果相同，“↑”表示該指數(shù)的沖擊傾向性程度判別結(jié)果高于的判別結(jié)果，“↓”表示該指數(shù)的沖擊傾向性程度判別結(jié)果低于的判別結(jié)果。同時(shí)，上述3種情況分別對(duì)應(yīng)3種系數(shù)：誤判率、高判率和低判率，依次表示該指數(shù)的沖擊傾向性程度判別結(jié)果與的判別結(jié)果不一致的比例。

(5)氣煤C-E試樣：除煤樣C-E-3為弱沖擊傾向性外，其他5個(gè)煤樣均為強(qiáng)沖擊傾向性。指數(shù)判定煤樣C-E-5和C-E-6為強(qiáng)沖擊傾向性，除此之外，只有指數(shù)和的判別結(jié)果完全和氣煤的實(shí)際破壞狀態(tài)一致，誤判率為0。對(duì)于指數(shù)，其判別結(jié)果全部為弱沖擊傾向性，誤判率及低判率為83%。其他3個(gè)指數(shù)，和′，對(duì)C-E-3均判別為強(qiáng)沖擊傾向性，而和′還把C-E-1判別為弱沖擊傾向性。

圖12 比值型判據(jù)所得結(jié)果誤判實(shí)例Fig.12 Examples of misjudgment of resultsobtained by ratio-based criterion

圖13給出了利用國(guó)標(biāo)2010版中4種沖擊傾向性指數(shù)對(duì)煤樣沖擊傾向性的定量結(jié)果與基于遠(yuǎn)場(chǎng)彈射質(zhì)量比的定性判別結(jié)果對(duì)照(圖13中綠、橙、紅陰影的區(qū)域分別表示無(wú)沖擊傾向、弱沖擊傾向和強(qiáng)沖擊傾向區(qū))。從圖13可以直觀的看到，對(duì)于沖擊能量指數(shù)、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間和單軸抗壓強(qiáng)度等3種指數(shù)，其判別結(jié)果和遠(yuǎn)場(chǎng)彈射質(zhì)量比判別結(jié)果不能完全對(duì)應(yīng)。對(duì)于單軸抗壓強(qiáng)度，誤判主要發(fā)生在無(wú)沖擊傾向性的煤樣中，對(duì)于弱沖擊傾向性和強(qiáng)沖擊傾向性煤樣，準(zhǔn)確率很高；對(duì)于沖擊能量指數(shù)，在各種沖擊傾向性程度的煤樣中，誤判都會(huì)發(fā)生，尤其針對(duì)無(wú)沖擊傾向性和弱沖擊傾向性煤樣，誤判率都為100%；對(duì)于動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間，誤判主要發(fā)生在強(qiáng)沖擊傾向性煤樣中。相比之下，剩余彈性能指數(shù)的判別結(jié)果和遠(yuǎn)場(chǎng)彈射質(zhì)量比的判別結(jié)果完全一致，從而實(shí)現(xiàn)了煤樣沖擊傾向性定量判別結(jié)果與定性判別結(jié)果的互相印證及統(tǒng)一，兩者均符合煤樣沖擊破壞是彈性應(yīng)變能動(dòng)態(tài)釋放的最樸素認(rèn)識(shí)。此外，計(jì)算指數(shù)的煤樣數(shù)量只有9個(gè)，不能和其他3種指數(shù)同等比較，其誤判率且為低判率是11.1%。

6.2 其他煤的沖擊傾向性指數(shù)判別結(jié)果對(duì)比

除6.1節(jié)對(duì)比的7種沖擊傾向性指數(shù)，還有另外9種指數(shù)，對(duì)其判別結(jié)果也進(jìn)行對(duì)比分析(其中指數(shù)′有2種計(jì)算方法，所得結(jié)果以′和′區(qū)分，沖擊傾向性指數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表11，沖擊傾向性類(lèi)別結(jié)果見(jiàn)表12)。

圖13 煤樣沖擊傾向性的定量與定性判別結(jié)果對(duì)照Fig.13 Comparison of quantitative and qualitative discrimination results of bursting liability of coal specimens

表11 5種煤的沖擊傾向性指數(shù)計(jì)算結(jié)果(其他指數(shù))

表12 5種煤判別結(jié)果對(duì)比(其他指數(shù))

續(xù)表

6.3 國(guó)標(biāo)2010版綜合評(píng)判結(jié)果對(duì)比

國(guó)標(biāo)2010版規(guī)定當(dāng)彈性能指數(shù)、沖擊能量指數(shù)、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間、單軸抗壓強(qiáng)度四個(gè)指數(shù)的判定結(jié)果發(fā)生矛盾時(shí)，采用模糊綜合評(píng)判方法，并對(duì)照附錄中給出的沖擊傾向性綜合評(píng)判結(jié)果表，確定煤樣沖擊傾向性類(lèi)別。根據(jù)國(guó)標(biāo)2010版規(guī)定，利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法來(lái)綜合判定30個(gè)煤樣的沖擊傾向性，將其結(jié)果與剩余彈性能指數(shù)判別結(jié)果、定性判別結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表13。從表13中可以看出，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法不但要測(cè)定4個(gè)指數(shù)，而且對(duì)于比例占到1/3的煤樣較難進(jìn)行綜合判定，需要對(duì)每個(gè)測(cè)試值與對(duì)應(yīng)指標(biāo)所在類(lèi)別臨近界定值進(jìn)行比較評(píng)判才能進(jìn)一步綜合判斷其沖擊傾向性。

結(jié)合6.1和6.2節(jié)的分析，可知剩余彈性能指數(shù)具有科學(xué)性與良好的適用性，可以用于煤的沖擊傾向性判定中。

表13 模糊綜合評(píng)價(jià)方法(國(guó)標(biāo)2010版方法)

7 沖擊地壓機(jī)理的認(rèn)識(shí)

為了更加明確煤的沖擊傾向性在沖擊地壓機(jī)理中所起的具體作用，本節(jié)對(duì)沖擊地壓的機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析。沖擊地壓原來(lái)在自然界并不存在，完全是由于人類(lèi)進(jìn)行深部礦產(chǎn)資源開(kāi)采等工程建設(shè)時(shí)誘發(fā)產(chǎn)生的，屬于最典型的深部工程地質(zhì)災(zāi)害?！皼](méi)有深部煤礦開(kāi)采，就沒(méi)有沖擊地壓”，進(jìn)一步從力學(xué)問(wèn)題考慮，深部的確切含義實(shí)際上是指高地應(yīng)力(包括高地應(yīng)力環(huán)境或高地應(yīng)力集中，統(tǒng)稱(chēng)高地應(yīng)力)，即“沒(méi)有高地應(yīng)力煤層開(kāi)采，則沒(méi)有沖擊地壓”。既然沖擊地壓是由開(kāi)采活動(dòng)誘發(fā)產(chǎn)生的，因此沖擊地壓的預(yù)防和控制也必須從開(kāi)采活動(dòng)的角度治理。

由于沖擊地壓是高地應(yīng)力煤層開(kāi)采中出現(xiàn)的安全生產(chǎn)事故，因此沖擊地壓機(jī)理和“人、煤、環(huán)(境)”3項(xiàng)要素密切相關(guān)，分別對(duì)應(yīng)“開(kāi)采”、“煤層”和“應(yīng)力”3項(xiàng)本質(zhì)要素，屬于特定的系統(tǒng)。本文借鑒錢(qián)學(xué)森提出的“人-機(jī)-環(huán)”系統(tǒng)工程學(xué)思想，提出沖擊地壓“人-煤-環(huán)”三要素機(jī)理，如圖14所示。在“人-機(jī)-環(huán)”三要素中，“人”指工作主體(決策或操作人員)，主要研究人的特性(工作能力、基本素質(zhì)、體力負(fù)荷等)；“機(jī)”指人所控制的一切對(duì)象(工具、機(jī)器、計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)等)，通常人為制造產(chǎn)生，主要研究機(jī)器的特性(機(jī)器可操作性、可維護(hù)性等)；“環(huán)”指人、機(jī)共處的特定工作條件(如溫度、噪聲、振動(dòng)等)，主要研究環(huán)境的特性(環(huán)境檢測(cè)、控制、建模等)。在“人-煤-環(huán)”三要素中，“人”泛指和開(kāi)采相關(guān)一切人為工程因素，具體分為技術(shù)因素和管理因素，主要研究開(kāi)采方案、沖擊地壓監(jiān)測(cè)、防治方法與技術(shù)及實(shí)施過(guò)程；“煤”指煤層，即開(kāi)采的主要對(duì)象，屬于天然地質(zhì)體，主要研究煤成分及結(jié)構(gòu)、煤層結(jié)構(gòu)及形態(tài)、厚度、傾角等；“環(huán)”指地應(yīng)力環(huán)境，主要研究采動(dòng)區(qū)域原始地應(yīng)力場(chǎng)以及采動(dòng)后的次應(yīng)力場(chǎng)變化和響應(yīng)規(guī)律，煤層頂?shù)装鍘r層性質(zhì)和結(jié)構(gòu)、斷層與褶曲、煤層厚度及坡度、煤層深度都會(huì)影響地應(yīng)力分布環(huán)境。針對(duì)具體的沖擊地壓礦井，“煤”和“環(huán)”要素緊密聯(lián)系，具有天然存在性、獨(dú)一無(wú)二性和位置固定性。

沖擊地壓在“人-煤-環(huán)”三要素共同作用下發(fā)生，缺一不可。3項(xiàng)要素各自有限定條件，對(duì)沖擊地壓而言，煤層必須是具備一定儲(chǔ)能能力的硬煤，應(yīng)力必須是高應(yīng)力，開(kāi)采涉及眾多較復(fù)雜因素，而且和應(yīng)力是互饋關(guān)系，并隨著工作面的推進(jìn)也會(huì)影響煤層情況。例如鶴崗礦區(qū)富力煤礦連續(xù)發(fā)生沖擊地壓造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，其原因在于有沖擊地壓傾向煤層、礦井垂深400 m、不合理的巷道布置形成半島應(yīng)力區(qū)造成壓力疊加顯現(xiàn)；開(kāi)灤礦區(qū)深部沖擊地壓發(fā)生與否的主要控制因素為煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)造應(yīng)力、開(kāi)采深度和開(kāi)采工藝及技術(shù)條件。

沖擊地壓“人-煤-環(huán)”三要素機(jī)理中，3項(xiàng)要素兩兩組合，在缺乏第3個(gè)要素作用下，不會(huì)發(fā)生沖擊地壓。例如“煤層+開(kāi)采”兩要素組合，當(dāng)高地應(yīng)力要素具備時(shí)，煤層成為沖擊地壓高危區(qū)域(例如撫順勝利礦和龍鳳礦、老虎臺(tái)礦都隨著開(kāi)采深度的增加，沖擊地壓次數(shù)、頻度和強(qiáng)度都明顯增加；華東平原某礦煤層中褶曲構(gòu)造的兩翼部分，垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力均屬于壓應(yīng)力，破斷巖層自重與滑移擠壓作用，使得巨型巖體在順煤層方向有力的作用與移動(dòng)趨勢(shì)，兩翼區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力集中程度相對(duì)較高，易聚集較高能量，褶曲構(gòu)造區(qū)域是沖擊地壓高危區(qū)域)。在高地應(yīng)力條件下，甚至即使淺部煤層，也可能發(fā)生沖擊地壓(例如1933年撫順勝利礦開(kāi)采到地表以下200公尺(m)遭遇了沖擊地壓；個(gè)別煤礦在開(kāi)采深100～155 m的條件下也發(fā)生沖擊地壓)。但是缺乏高地應(yīng)力要素，即使是深部開(kāi)采也不一定會(huì)發(fā)生沖擊地壓(例如煤礦深部原先發(fā)生沖擊地壓的煤層，經(jīng)過(guò)鉆孔卸壓、頂板水壓致裂等防治措施后，改變煤層內(nèi)高應(yīng)力狀態(tài)，不再發(fā)生沖擊地壓)。

圖14 沖擊地壓“人-煤-環(huán)”三要素機(jī)理Fig.14 “Human-Coal-Environment” threeelements mechanism of coal burst

圖14中，在缺乏“應(yīng)力”要素條件下，“煤層+開(kāi)采”兩要素組合用白色表示沖擊地壓不會(huì)發(fā)生(例如露天煤層開(kāi)采)?！皯?yīng)力”要素是沖擊地壓發(fā)生的必要條件之一。再如“煤層+應(yīng)力”兩要素組合，缺乏開(kāi)采要素，即使是地應(yīng)力再大，深部煤層在開(kāi)采前始終處于3向平衡狀態(tài)，不可能發(fā)生沖擊地壓；而且即使開(kāi)采進(jìn)行后，也不是所有的開(kāi)采活動(dòng)都會(huì)引發(fā)沖擊地壓，只有特定的開(kāi)采方式條件下，沖擊地壓才會(huì)顯現(xiàn)(例如撫順龍鳳礦“沖擊地壓多發(fā)生在回采工作面，尤其多集中于新采區(qū)的頭幅工作面里，而且一般發(fā)生在工作面打眼、爆破、落煤等工序進(jìn)行期間，特別是放炮以后…大量發(fā)生在工作面推進(jìn)前方的支承壓力帶附近”；新疆鐵廠溝煤礦在放松動(dòng)夾矸炮時(shí)誘發(fā)工作面發(fā)生沖擊地壓，工作面距地表僅155 m)。研究沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的關(guān)鍵問(wèn)題，在于在煤層和應(yīng)力環(huán)境等灰箱條件下能否揭示誘發(fā)沖擊地壓的開(kāi)采方式，即什么樣的“人”的要素誘發(fā)了沖擊地壓。進(jìn)一步辯證的看待該問(wèn)題，如果能夠科學(xué)的揭示什么樣的“人”的要素誘發(fā)了沖擊地壓，那么同時(shí)也為通過(guò)調(diào)整“人”的要素——即調(diào)整開(kāi)采方式，避免誘發(fā)沖擊地壓提供了理論依據(jù)和可行性(例如老虎臺(tái)礦實(shí)踐證明，綜放開(kāi)采適合于沖擊地壓煤層開(kāi)采...在采煤工作面布置上采取了避開(kāi)大的地質(zhì)構(gòu)造帶布置采煤工作面...回采順序上在時(shí)間和空間上分散安排不在同一區(qū)域同一時(shí)間同時(shí)回采避免采場(chǎng)之間的采動(dòng)應(yīng)力互相疊加、擾動(dòng)造成沖擊地壓危險(xiǎn)，進(jìn)而大大降低了發(fā)生沖擊地壓的可能性...放慢工作面推進(jìn)速度對(duì)防止沖擊地壓有較好的效果)。圖14中，在缺乏“開(kāi)采”要素條件下，“煤層+應(yīng)力”兩要素組合用白色表示沖擊地壓不會(huì)發(fā)生(例如深部煤層礦床)。“開(kāi)采”要素是沖擊地壓發(fā)生的必要條件之一。需要注意的是，“應(yīng)力+開(kāi)采”兩要素組合條件下，如果缺乏“煤層”要素，首先是缺乏先決條件，則整個(gè)開(kāi)采活動(dòng)無(wú)法啟動(dòng)，這也說(shuō)明了“煤層”要素是其他兩個(gè)要素的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，是沖擊地壓發(fā)生的必要條件。圖14中，在缺乏“煤層”要素條件下，“應(yīng)力+開(kāi)采”兩要素組合用灰色表示不存在該組合。只有具備“煤層”要素而且達(dá)到一定的條件，包括硬煤及煤層結(jié)構(gòu)合適，才有可能誘發(fā)沖擊地壓(例如撫順勝利礦沖擊地壓發(fā)生在中硬質(zhì)煤處最多，硬質(zhì)煤處較少...若在強(qiáng)大壓力下發(fā)生沖擊地壓的強(qiáng)度也較大)；在軟煤條件下，理論上不可能發(fā)生沖擊地壓(例如撫順勝利礦軟質(zhì)煤一般不發(fā)生沖擊地壓...軟質(zhì)煤可壓縮性大，具有可塑性，易被壓出，緩和了地壓強(qiáng)度，不致發(fā)生沖擊...)?！懊骸币匾彩情_(kāi)展煤的沖擊傾向性指數(shù)研究的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。有關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)煤礦沖擊地壓的實(shí)錄分析資料為“人-煤-環(huán)”三要素機(jī)理提供了佐證。例如，在“煤礦沖擊地壓的初步研究”一文中“天池煤礦沖擊地壓災(zāi)害的能量來(lái)源于煤層的彈性應(yīng)變能，煤層的彈性特性乃是天池煤礦沖擊地壓發(fā)生的基礎(chǔ)條件”對(duì)應(yīng)“煤-煤層”要素；“天池煤礦的頂?shù)装鍘r石抗壓強(qiáng)度為1 000～1 400 kg/cm...具有彈性且堅(jiān)硬不易冒落...在煤層上形成很高的采掘支承壓力”對(duì)應(yīng)“環(huán)境-應(yīng)力”要素；“頂?shù)装鍘r石突然卸壓而使其儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能以震動(dòng)形式突然釋放，加重了沖擊地壓災(zāi)害”對(duì)應(yīng)“人-開(kāi)采”要素。再如義馬煤田沖擊地壓災(zāi)害極為嚴(yán)重，主要礦井在強(qiáng)沖擊傾向性、高地應(yīng)力環(huán)境及F16 逆沖斷層區(qū)域水平構(gòu)造應(yīng)力分布極不均勻容易產(chǎn)生應(yīng)力集中、上覆巨厚堅(jiān)硬礫巖頂板的復(fù)雜地質(zhì)賦存環(huán)境共同作用下，工作面開(kāi)采過(guò)程中極易發(fā)生應(yīng)力集中，造成沖擊動(dòng)力失穩(wěn)。

沖擊地壓“人-煤-環(huán)”三要素機(jī)理中各要素之間存在的辯證關(guān)系為沖擊地壓防控提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)。各種防控方法和措施都可以圍繞三要素展開(kāi)，只要消除其中一個(gè)要素就可以阻止沖擊地壓的發(fā)生。在三要素中，煤層和應(yīng)力是客觀存在的要素，只有“人”是主觀因素?！叭恕钡囊卦跊_擊地壓機(jī)理中具有辯證關(guān)系，既是沖擊地壓的誘發(fā)因素，也是防治沖擊地壓的主導(dǎo)因素。因此，要發(fā)揮人的主觀因素，科學(xué)認(rèn)識(shí)煤層和應(yīng)力客觀因素以及客觀規(guī)律，在此基礎(chǔ)上通過(guò)采取具體措施或調(diào)整開(kāi)采活動(dòng)，達(dá)到防控沖擊地壓的目的。大量實(shí)踐證明，深部煤層中可以采取措施改變煤層性質(zhì)，例如對(duì)煤體預(yù)注水、預(yù)打大直徑深孔、開(kāi)槽等，采用深孔爆破增加煤體中的裂隙，使煤體變得更 “軟”，都可以達(dá)到防止、減緩沖擊地壓的目的。上述措施實(shí)際上是通過(guò)調(diào)整“人-煤-環(huán)”系統(tǒng)中的“煤”參數(shù)信息防治沖擊地壓。

在明確沖擊地壓“人-煤-環(huán)”三要素機(jī)理中各要素相互關(guān)系基礎(chǔ)上，需要深入認(rèn)識(shí)各要素在“黑箱-灰箱-白箱”系統(tǒng)辨識(shí)理論中的特點(diǎn)。沖擊地壓原先在自然界并不存在，是開(kāi)采到深部(高應(yīng)力)煤層中出現(xiàn)的一種動(dòng)力破壞現(xiàn)象。沖擊地壓剛出現(xiàn)時(shí)，在人們的認(rèn)知范圍內(nèi)屬于“黑箱”，隨著人們對(duì)沖擊地壓研究程度的深入和認(rèn)知水平的提高，目前沖擊地壓已逐漸成為“灰箱”。此外，在三要素中，“煤”和“環(huán)境”屬于自然因素，是信息極不完全或極不確定的系統(tǒng)，因此就人們的認(rèn)知廣度和深度以及獲取的信息量而言，2者都是“灰箱”；“人”屬于人為因素，從行為上說(shuō)是信息相對(duì)完全或相對(duì)確定的系統(tǒng)，因此是“白箱”。但是“人”的行為會(huì)引發(fā)“煤”和“環(huán)境”的變化，即“白箱”的行為會(huì)引發(fā)2個(gè)“灰箱”信息的變化(主要表現(xiàn)為煤層采動(dòng)區(qū)域和采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，例如富力煤礦不合理的巷道布置造成壓力疊加顯現(xiàn)是造成沖擊地壓的根本原因)，引發(fā)2個(gè)灰箱系統(tǒng)更多的不確定性。針對(duì)實(shí)際煤礦開(kāi)采，防治沖擊地壓的關(guān)鍵問(wèn)題和難點(diǎn)是在煤層和應(yīng)力環(huán)境等雙灰箱條件下能否找到合理的開(kāi)采方式(包含技術(shù)因素和管理因素)，這是目前沖擊地壓?jiǎn)栴}的困難和關(guān)鍵問(wèn)題所在。

8 煤和巖石的屬性認(rèn)識(shí)

如前言中所述，沖擊地壓主要發(fā)生在深部煤層中，巖爆主要發(fā)生在深部硬質(zhì)圍巖中，煤和巖石分別是沖擊地壓與巖爆發(fā)生的介質(zhì)對(duì)象。因此，研究沖擊地壓和巖爆的機(jī)理，以及煤和巖石的沖擊傾向性指數(shù)，必須科學(xué)認(rèn)識(shí)煤和巖石的力學(xué)屬性和材料屬性。

8.1 力學(xué)屬性差異

圖15為利用INSTRON液壓伺服剛性材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)得到的5種代表性巖石和本文5種煤的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，通過(guò)試驗(yàn)曲線可以考察巖石或煤的強(qiáng)度特征，還可以了解試樣的峰后變形特征。圖16為14種巖石和本文5種煤的峰值彈性應(yīng)變能平均值，該值可以反映巖石或煤的極限(最大)儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能的能力。圖17為14種巖石和本文5種煤的剩余彈性能指數(shù)平均值，該值可以反映巖石或煤的到達(dá)峰值強(qiáng)度后破壞時(shí)釋放動(dòng)能的能力。

圖15 巖石和煤的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.15 Uniaxial compressive stress-straincurves of rock and coal

圖16 巖石和煤的峰值彈性應(yīng)變能Fig.16 Peak elastic strain energy of rock and coal

在圖15～17中，對(duì)于黃銹石、漢白玉、大理巖和貧瘦煤，可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果直接認(rèn)定沒(méi)有巖爆傾向性或無(wú)沖擊傾向性。根據(jù)高速攝像紀(jì)錄和試樣破壞后的特征，綜合遠(yuǎn)場(chǎng)彈射質(zhì)量比和剩余彈性能指數(shù)的判別結(jié)果，采用定性和定量相結(jié)合的方法，判定黑砂巖具有輕巖爆傾向性，黃砂巖、青砂巖、紅花崗巖和紅砂巖具有中巖爆傾向性，青山麻、灰?guī)r、板巖、黃花崗巖、岳陽(yáng)麻和細(xì)花崗巖具有強(qiáng)巖爆傾向性。本文中的弱黏煤具有弱沖擊傾向性，無(wú)煙煤和2種氣煤具有強(qiáng)沖擊傾向性。

圖17 巖石和煤的剩余彈性能指數(shù)Fig.17 Residual elastic energy index of rock and coal

從圖15可以看出，所有巖石的單軸壓縮強(qiáng)度和彈模都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤的單軸壓縮強(qiáng)度和彈性模量，而煤的峰值應(yīng)變普遍大于巖石的峰值應(yīng)變。對(duì)于平均單軸壓縮強(qiáng)度分別為75.04和67.66 MPa的黃銹石和漢白玉而言，均沒(méi)有任何巖爆傾向性。而對(duì)于具有弱沖擊傾向性的弱黏煤平均單軸壓縮強(qiáng)度為9.13 MPa，具有強(qiáng)沖擊傾向性的無(wú)煙煤和2種氣煤平均單軸抗壓強(qiáng)度分別為22.88，21.00和18.45 MPa。在圖16中，巖石的峰值彈性應(yīng)變能普遍大于煤的峰值彈性應(yīng)變能，說(shuō)明同等體積的巖石儲(chǔ)能能力普遍比煤大許多。沒(méi)有巖爆傾向性的黃銹石、漢白玉和大理巖的峰值彈性應(yīng)變能均值分別為104.5，87.5和38.2 kJ/m，而具有弱沖擊傾向性的弱黏煤峰值彈性應(yīng)變能均值為22.6 kJ/m。圖17為巖石和煤的剩余彈性能指數(shù)統(tǒng)計(jì)。輕巖爆傾向性以上的巖石剩余彈性能指數(shù)都在100 kJ/m以上，而強(qiáng)沖擊傾向性的煤剩余彈性能指數(shù)都在100 kJ/m以下。

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行分析可知，即使在同一臺(tái)剛性試驗(yàn)機(jī)上對(duì)巖石和煤進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，在強(qiáng)度、彈性模量和儲(chǔ)能特征等方面，各種巖石和各種煤各自之間可以互相對(duì)比(即巖石和煤分開(kāi)，各自互相比較)，而且規(guī)律性比較明顯。但是巖石和煤之間卻缺少可對(duì)比性。如果利用衡量巖爆傾向性的巖石強(qiáng)度和儲(chǔ)能規(guī)律，來(lái)衡量煤的沖擊傾向性，其結(jié)果會(huì)與實(shí)際情況完全不符。例如，巖石單軸抗壓強(qiáng)度和巖爆傾向性之間有相對(duì)較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，單軸抗壓強(qiáng)度越大則巖爆傾向性越強(qiáng)。而且單軸壓縮強(qiáng)度小于60 MPa(GB T50218—2014工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中，60 MPa為較堅(jiān)硬巖區(qū)間上限)的巖石沒(méi)有巖爆傾向性(圖16中黃銹石和漢白玉大于60 MPa也沒(méi)有任何巖爆傾向性)。對(duì)于煤而言，其單軸壓縮強(qiáng)度普遍小于30 MPa(GB T50218—2014工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中，30 MPa為較堅(jiān)硬巖區(qū)間下限或者較軟巖的區(qū)間上限)。如果借助巖石單軸壓縮強(qiáng)度與巖爆傾向性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，判別煤的沖擊傾向性，則所有的煤都不具備沖擊傾向性，這一判別結(jié)果顯然不符合事實(shí)。同理，利用剩余彈性能指數(shù)統(tǒng)一衡量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判別巖石和煤的巖爆或沖擊傾向性時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)不符合事實(shí)的情況。利用巖石剩余彈性能指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判別巖石巖爆傾向性時(shí)，剩余彈性能指數(shù)小于50 kJ/m時(shí)為無(wú)巖爆傾向性。而煤剩余彈性能指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)為大于30 kJ/m為強(qiáng)沖擊傾向性?？梢钥闯?，從釋放能量的角度，不能用同一剩余彈性能指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)衡量巖石和煤的爆裂及沖擊傾向性。

發(fā)明剛性試驗(yàn)機(jī)的目的是為了得到脆性材料的完整峰后應(yīng)力應(yīng)變曲線。在圖16中，巖石和煤的單軸壓縮試驗(yàn)都是在同一臺(tái)INSTRON液壓伺服剛性材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。不論是巖石還是煤，如果分開(kāi)各自進(jìn)行比較，都會(huì)表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即隨著彈性模量及強(qiáng)度的增大，試樣峰后應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸由完整變得不完整。但是，如果把巖石和煤放在一起比較，很顯然，黃銹石和漢白玉的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弱黏煤、無(wú)煙煤和氣煤，在單軸壓縮試驗(yàn)中都可以得到完整的應(yīng)力應(yīng)變曲線，而弱黏煤、無(wú)煙煤和氣煤的彈性模量遠(yuǎn)小于黃銹石和漢白玉，卻得到不到完整的應(yīng)力應(yīng)變曲線。圖18，19為有嚴(yán)重沖擊地壓的某礦二號(hào)層煤樣注水前后的(單軸壓縮)應(yīng)力應(yīng)變曲線，從圖18，19可以看出，未注水煤樣峰后應(yīng)力應(yīng)變曲線不完整，而注水后的應(yīng)力應(yīng)變曲線相對(duì)比較完整。因此，從材料剛度的角度考慮，巖石和煤不能放在一起統(tǒng)一比較，只能分開(kāi)各自比較。

圖18 注水和未注水煤樣應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比[43]Fig.18 Comparison of stress-strain curves ofinjected and non injected coal samples[43]

圖19 煤樣應(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖€[43]Fig.19 Stress-strain curves of coal samples[43]

8.2 材料屬性差異

在8.1節(jié)中主要分析了煤和巖石在強(qiáng)度特征、儲(chǔ)能能力和釋能特性方面的差異，可以看出者在力學(xué)性質(zhì)上存在本質(zhì)差異。兩者力學(xué)性質(zhì)的本質(zhì)差異根本原因來(lái)源于材料屬性上的本質(zhì)差異。

煤是植物遺體先后經(jīng)過(guò)復(fù)雜生物化學(xué)作用和物理化學(xué)作用而轉(zhuǎn)變成的沉積有機(jī)物組合體。在物質(zhì)構(gòu)成上，煤主要由碳、氫、氧、氮和硫等5種主要元素及少量礦物混合而成，屬于固體可燃有機(jī)巖。巖石是組成地殼的主要物質(zhì)之一，是構(gòu)成地球巖石圈的主要成分。不論是火成巖(巖漿巖)、沉積巖和變質(zhì)巖，在物質(zhì)構(gòu)成上，主要由一種或幾種礦物和天然玻璃組成，屬于固體不可燃無(wú)機(jī)巖。

另一方面，在煤和巖石的結(jié)構(gòu)上，煤結(jié)構(gòu)特征主要指其組成成分的形態(tài)、大小、厚度、植物組織殘跡，以及它們之間的相互關(guān)系所表現(xiàn)出來(lái)的特征。巖石結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在礦物顆粒的大小、結(jié)晶程度、礦物的形狀以及它們之間的相互關(guān)系所表現(xiàn)出來(lái)的特征。

煤和巖石的物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征決定了兩者存在材料本質(zhì)屬性差異，材料本質(zhì)差異直接決定了力學(xué)性質(zhì)上的差異，具體包括強(qiáng)度特征、儲(chǔ)能能力、釋能特性、彈脆性、滲透性及瓦斯流動(dòng)性等。因此，即使在名稱(chēng)上把煤稱(chēng)之為“煤巖”，在力學(xué)屬性和材料屬性也必須認(rèn)識(shí)到煤和巖石屬于兩種不同的天然地質(zhì)介質(zhì)。沖擊地壓的發(fā)生介質(zhì)主要是煤層，但是頂?shù)装宥际菐r層，因此對(duì)于沖擊地壓機(jī)理和防治，不但要研究煤和巖石的力學(xué)和能量特征，更要重視“煤-巖組合力學(xué)”的研究。

雖然沖擊地壓和巖爆同屬于深部(高地應(yīng)力)工程地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。但是沖擊地壓是深部固體可燃有機(jī)巖的動(dòng)力破壞現(xiàn)象，巖爆則是深部固體不可燃無(wú)機(jī)巖的動(dòng)力破壞現(xiàn)象。如果把沖擊地壓看作是巖爆的一種，必須要科學(xué)的區(qū)分其定義，不能籠統(tǒng)的用巖爆定義沖擊地壓：沖擊地壓可以稱(chēng)之為煤巖巖爆或者有機(jī)巖巖爆；隧道及煤礦巖巷巖爆稱(chēng)之為硬巖巖爆或者無(wú)機(jī)巖巖爆。為了更加深入的闡明沖擊地壓和巖爆的發(fā)生機(jī)理，在具體研究時(shí)，應(yīng)把沖擊地壓和巖爆并列對(duì)待，均看作是深部(高地應(yīng)力)工程地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。在闡明兩者機(jī)理的基礎(chǔ)上，再考慮合并的可能。

9 煤沖擊傾向性指數(shù)研究中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

研究煤的沖擊傾向性指數(shù)目的是為了評(píng)估煤破壞時(shí)的沖擊動(dòng)能，為沖擊地壓機(jī)理、監(jiān)測(cè)、預(yù)防和控制提供基礎(chǔ)性的依據(jù)。綜合前面8節(jié)的分析，目前煤沖擊傾向性指數(shù)研究中存在的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題如下：

(1)試樣形狀的影響沒(méi)有進(jìn)行充分考慮。彈性能量指數(shù)(應(yīng)變能存儲(chǔ)指數(shù))測(cè)試的原始文獻(xiàn)采用立方體煤樣，后來(lái)普遍采用圓柱體煤樣進(jìn)行試驗(yàn)(也有部分采用立方體煤樣)。雖然煤樣形狀不同，但是所采用的沖擊傾向性類(lèi)別劃分準(zhǔn)則相同，煤樣形狀改變帶來(lái)的影響目前還沒(méi)得到充分考察。

(2)彈性能量指數(shù)(應(yīng)變能存儲(chǔ)指數(shù))成立的有效性缺少理論證明。測(cè)試過(guò)程中，關(guān)鍵步驟是加載到煤樣峰值強(qiáng)度80%～90%處進(jìn)行卸載。為何在這一區(qū)間內(nèi)卸載缺少理論依據(jù)，目前還未看到針對(duì)煤?jiǎn)屋S壓縮試驗(yàn)提供理論依據(jù)的證明論文。

(3)對(duì)煤的沖擊傾向性直接指數(shù)的研究不夠深入。沖擊地壓本質(zhì)上是動(dòng)能的釋放過(guò)程，具有沖擊傾向性的煤樣破壞也是彈性應(yīng)變能的動(dòng)態(tài)釋放過(guò)程。但是目前大多數(shù)指數(shù)都屬于煤的沖擊傾向性間接指數(shù)，無(wú)法直接衡量煤樣沖擊破壞時(shí)釋放的動(dòng)能。

(4)如何精確的測(cè)量煤樣破壞時(shí)釋放的動(dòng)能是衡量沖擊傾向性程度的最終目標(biāo)和最科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。限于目前的測(cè)試手段，暫時(shí)還無(wú)法精確測(cè)量煤樣破壞時(shí)釋放的動(dòng)能，今后應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展精確測(cè)量方法。

(5)研究煤的沖擊傾向性不但為沖擊地壓發(fā)生機(jī)理服務(wù)，還應(yīng)該為煤層的有效支護(hù)提供理論依據(jù)。在精確獲取煤的沖擊傾向性直接指數(shù)的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)煤層現(xiàn)場(chǎng)情況估算發(fā)生沖擊地壓時(shí)釋放出的動(dòng)能，從而為支護(hù)選型提供理論支撐。

(6)現(xiàn)有研究手段均采用單軸壓縮試驗(yàn)，沒(méi)有考慮深部煤樣的應(yīng)力環(huán)境及應(yīng)力路徑的影響。單軸壓縮試驗(yàn)只能測(cè)試煤樣的材料沖擊傾向性，僅考慮了三要素機(jī)理中“煤”要素的影響，無(wú)法考慮“應(yīng)力”要素和“開(kāi)采”要素。在以后的研究工作中，應(yīng)進(jìn)行煤樣三軸壓縮卸載試驗(yàn)，基于能量?jī)?chǔ)耗規(guī)律研究應(yīng)力環(huán)境及應(yīng)力路徑對(duì)煤樣沖擊傾向性的影響，反映深部高應(yīng)力煤層開(kāi)采過(guò)程，以此促進(jìn)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的研究。

10 結(jié) 論

(1)系統(tǒng)梳理了煤的沖擊傾向性相關(guān)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)提出情況，有助于理清對(duì)煤的沖擊性科學(xué)認(rèn)識(shí)過(guò)程。系統(tǒng)梳理過(guò)程中提供了啟示，在科學(xué)研究中當(dāng)專(zhuān)業(yè)概念、術(shù)語(yǔ)提出后，應(yīng)給出相應(yīng)的定義，以此明確概念和術(shù)語(yǔ)的具體內(nèi)涵、外延及其邊界條件，便于準(zhǔn)確理解。

(2)明確提出了煤的沖擊傾向性直接指數(shù)和間接指數(shù)的概念和定義，有助于把握煤的沖擊傾向性指數(shù)的研究本質(zhì)。鑒于煤樣破壞時(shí)釋放出動(dòng)能，因此能夠以能量參數(shù)直接衡量煤樣釋放動(dòng)能的指數(shù)，定義為煤的沖擊傾向性直接指數(shù)；不能夠以能量參數(shù)直接衡量煤樣釋放動(dòng)能的指數(shù)，定義為煤的沖擊傾向性間接指數(shù)。

(4)提出了基于試驗(yàn)現(xiàn)象的煤的沖擊傾向性定性判據(jù)及分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(其中遠(yuǎn)場(chǎng)彈射質(zhì)量比是關(guān)鍵指標(biāo)，屬于能體現(xiàn)煤樣彈性應(yīng)變能釋放相對(duì)大小的指標(biāo))，并輔助以高速攝像機(jī)記錄和煤樣破壞后狀態(tài)，以客觀衡量標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一驗(yàn)證了16種煤的沖擊傾向性指數(shù)的判別結(jié)果準(zhǔn)確率。通過(guò)統(tǒng)一對(duì)比，結(jié)果表明剩余彈性能指數(shù)判別結(jié)果和定性判據(jù)判別結(jié)果完全一致。

(5)首次實(shí)現(xiàn)了煤的沖擊傾向性定量判據(jù)和定性判據(jù)在判別結(jié)果上的相互驗(yàn)證和統(tǒng)一。剩余彈性能指數(shù)屬于煤的沖擊傾向性定量判別指數(shù)，而基于試驗(yàn)現(xiàn)象的判別屬于煤的沖擊傾向性定量判別。兩種判據(jù)判別結(jié)果之所以相互統(tǒng)一，根本原因在于兩者均以煤樣破壞釋放彈性應(yīng)變能為基礎(chǔ)，擁有共同的內(nèi)在本質(zhì)。另外，依據(jù)剩余彈性能指數(shù)可以對(duì)煤破壞后釋放出的動(dòng)能進(jìn)行定量評(píng)估，進(jìn)一步為煤層防沖支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，這也是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

(6)系統(tǒng)論證了剩余彈性能指數(shù)在評(píng)價(jià)煤樣沖擊傾向性方面的科學(xué)性和適用性。剩余彈性能指數(shù)屬于煤的沖擊傾向性直接指數(shù)。該指數(shù)以線性儲(chǔ)能規(guī)律為基礎(chǔ)，從煤樣受力全過(guò)程中能量輸入、儲(chǔ)存、消耗、剩余的角度出發(fā)，以煤樣破壞時(shí)剩余的絕對(duì)能量值作為判別指標(biāo)，符合沖擊地壓發(fā)生時(shí)釋放彈性應(yīng)變能的本質(zhì)。

(7)本文的對(duì)比結(jié)果主要基于5個(gè)煤礦的煤樣試驗(yàn)曲線和數(shù)據(jù)進(jìn)行，雖然能夠反映一定的對(duì)比情況，但是后期應(yīng)加大不同地區(qū)煤礦煤樣的同類(lèi)試驗(yàn)，進(jìn)一步檢驗(yàn)剩余彈性能指數(shù)的準(zhǔn)確性和適用性。本文的研究基于現(xiàn)有的煤樣試驗(yàn)方法和條件下，目的是對(duì)煤的沖擊傾向性指數(shù)方法本身進(jìn)行探討。針對(duì)煤樣試驗(yàn)方法和條件中存在的問(wèn)題，不在本文探討范疇之列。

(8)沖擊傾向性直接指數(shù)是煤的沖擊傾向性未來(lái)的研究方向。剩余彈性能指數(shù)只是煤的沖擊傾向性直接指數(shù)中的一種，在今后的研究工作中，還需要進(jìn)一步研究和發(fā)展更加科學(xué)、精確的沖擊傾向性直接指數(shù)。

(9)系統(tǒng)提出了沖擊地壓“人-煤-環(huán)”三要素機(jī)理，揭示各要素之間的相互關(guān)系和邏輯關(guān)系。3個(gè)要素各自有自己的限定范圍，都在限定范圍內(nèi)相互組合才可能誘發(fā)沖擊地壓，同屬于沖擊地壓發(fā)生的必要條件。以儲(chǔ)能和釋能為特征的煤樣沖擊傾向性，反映“煤”要素信息，是沖擊地壓發(fā)生的先決條件。

(10)煤、巖石分別屬于固體可燃有機(jī)巖和固體不可燃無(wú)機(jī)巖，在物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)方面的材料性質(zhì)本質(zhì)差異決定了兩者在力學(xué)性質(zhì)上的差異。地質(zhì)介質(zhì)上的差異決定了煤的沖擊傾向性和巖石的巖爆傾向性存在很大不同，對(duì)沖擊地壓和巖爆的深入研究應(yīng)區(qū)別對(duì)待，而且不能籠統(tǒng)的用巖爆定義沖擊地壓。煤層中的沖擊地壓可以稱(chēng)之為煤巖巖爆或者有機(jī)巖巖爆；隧道及礦山巖巷巖爆稱(chēng)之為硬巖巖爆或者無(wú)機(jī)巖巖爆；兩者在發(fā)生機(jī)理上存在各自特點(diǎn)。

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