王磊WANG Lei；夏天糠XIA Tian-kang

（①黑龙江科技大学，哈尔滨150022；②国能神东煤炭集团榆家梁煤矿，榆林719316）

0 引言

冲击地压作为巷道围岩的灾害之一，严重制约着矿井的正常生产。基于对冲击地压的研究，大量理论[1-3]开始用于冲击地压的评价、预测和防治之中。Wang J.A.和Park H.D[4]在冲击地压评价体系中，引入弹性能密度指标。S.M.Lee[5]发现了单轴抗压强度与冲击地压的发生关系密切。丁鑫等[6]基于力学理论，将冲击倾向性的本质归结为煤岩体的卸荷与塑性结合作用，建立了煤岩损伤本构模型，对冲击地压进行了评判。潘一山等[7]对照冲击地压现状，推导出冲击地压的理论模型，将地应力、煤岩物理力学参数和工程实践联系起来，通过公式定量计算出冲击地压的临界载荷，为冲击地压的防治提供理论指导。胡国忠等[8]通过对煤体进行微波弱化试验，认为微波能够降低煤体的冲击倾向性，煤体累积能量在微波处理后，能够缓慢释放，瞬时高功率的微波对煤体的卸压效果较好。

以上研究表明：冲击地压的发生过程、判定准则和影响因素，都蕴含着能量演化过程。笔者基于能量要素，分析煤岩组合体的能量演化机制，构建冲击地压的致灾机理与煤岩体能量演化之间的联系，以期为冲击地压的防治提供理论指导。

1 冲击地压的发生机理

冲击地压是一种十分复杂的动力破坏现象，其孕育需要充足的能量，使煤体渐渐发展到破坏临界。冲击地压的发生过程伴随着能量的不断变化，分为孕育、启动、发育和休止4 个阶段，见图1 所示。

图1 冲击地压发生过程

冲击孕育阶段：受到凿岩爆破、割煤、钻孔等采掘作业的影响，深部煤岩的能量平衡状态受到了扰乱，应力进行重新分布并形成集中，工作面附近的煤岩组合区域呈现出阶梯状态的增高，形成特殊的应力异常区，巷道围岩强度遭到折减、应变开始软化、应力在转移中发生了集中，表现出煤壁片帮移位、支护阻力变大、出现“啪啪”和“轰轰”的声响，灾害程度决定了准备阶段时间的长短。

冲击启动阶段：煤体脆弱的结构，发生一定程度的变形，产生破坏，启动冲击地压进程，当煤岩体所释放的弹性能不足，或煤体的承载力较高时，煤体只发生小范围的破坏，不能达到碎裂飞溅的状态，冲击地压暂时就不会发生，但煤体已经进入不稳定的阶段，此时通过停止作业，减少采掘活动，或强化煤体可以减少启动效果，但若外界继续给煤体提供能量，达到其储能极限，围岩就会失稳，能量猛烈释放，煤体破坏飞溅，形成雏形冲击孔洞。

冲击发育阶段：弹性能使煤体破碎抛出，释放空间与冲击地压启动中心应力差较大，发育阶段由启动中心向周边及深部扩展，在高压作用下，煤岩碎屑持续发育，裂隙融汇贯通。

冲击休止阶段：随着弹性能逐渐被消耗殆尽，不足以粉碎煤岩，冲击地压进入了休止阶段，煤岩体将产生流变变形，应力逐渐平衡，应力异常区域得以解除，冲击地压彻底终止，但也可能由于能量释放不彻底，存在应力波动，再次造成应力异常，冲击地压再一次被启动。

针对冲击地压的发生过程，冲击地压发生机理对冲击灾害进行更为全面的解读[9-10]，现阶段主要理论如下：

强度理论：初代强度理论，指出煤、岩体部分区域的应力比该区域的煤、岩强度极限大时，冲击地压就会发生，现代强度理论，提出煤岩体所受的应力要大于“岩层－煤层”系统整体的应力极限时，冲击地压才会发生，但采煤作业面的局部应力常常超越其强度极限，也不发生冲击地压，仅靠强度理论来评判冲击地压的发生是不行的。

能量理论：能量更贴近于冲击地压发生的本质，指出煤岩体消耗的能量低于煤岩体释放的能量时，冲击地压开始孕育，但把煤岩体作为简单的弹性体模型，与真实的煤岩体损伤破坏模型相差甚远。

冲击倾向理论：冲击倾向性为冲击地压发生的重要原因，当煤层各指标与表1 的阈值相匹配时，就会具有相应的冲击倾向性等级。冲击倾向性指标已经广泛应用在冲击煤层的鉴定，但冲击地压的发生还与开采活动和地质条件相关，实验室测量结果并不能完全代表煤岩所处的实际应力环境。

表1 冲击倾向性鉴定指标

三准则理论：综合以上理论，指出强度理论为煤体的损伤破坏准则，能量理论、冲击倾向理论是评判煤体瞬时破坏的准则，以上三种理论同时满足时，冲击地压才会发生。该理论没有给出该准则的具体表达式，确定的参数太多，判定过程繁琐。

失稳理论：煤岩组合体的力学系统是由不稳定向稳定状态发展的动态力学过程。设定整个煤岩组合系统的释能为W，通过欧拉-拉格朗日变分定理，寻找泛函的关键点，即极值点，其中δW 为释能的一次变分，δ2W 为释能的二次变分。当δ2W＞0 时，系统释能最小，煤岩稳定；当δ2W＝0时，系统释能随机平衡；当δW2<0 时，系统释能最大，煤岩不稳定，故将δW2<0，定量的作为冲击地压失稳准则，但失稳理论没有明确冲击地压的发生条件。

2 冲击地压的影响因素

冲击地压的形成条件受很多因素影响，根据《煤矿冲击地压防治细则》[11]标准，地质因素及开采技术因素作为评判冲击地压危险程度的主要影响因素，得到了大众的认可。

地质因素包括煤层赋存开采深度、原生构造和煤层厚度等。原岩应力会随着煤层赋存深度的增加而逐渐增大，较浅部资源积聚更多的能量，更易发生冲击地压，相关研究[12]发现：冲击地压的发生概率与煤层赋存深度存在非线性关系，见图2 所示，深部采深与浅部采深冲击地压危险指数增加了14 倍，开采深度在很大程度上，会改变煤岩体赋存的围压应力状态。

图2 埋深与冲击地压发生的关系

①褶曲等原生构造会造成煤岩组合区域的应力异常集中，受到水平应力挤压下的煤岩组合区域会产生褶曲变形能量积聚，按照致灾特点分成压力最大区、冲击危险最大区和冒顶与冲击危险区，如图3 所示。

图3 煤岩组合体褶曲构造冲击危险区域

②断层处受到采动过程中超前支撑压力与断层区域的构造应力双重加持作用下，周围应力叠加产生峰值，形成定向局部高应力区，高应力区的煤岩组合系统更易产生较高能量，受到开采扰动，更易释放能量造成冲击显现，如图4 所示。

图4 断层构造应力叠加示意图

③煤层的厚度对冲击地压发生有很大的影响，煤层由厚向薄变化时，应力差值梯度较大。薄煤层处所在区域煤岩比例较低时，弹性模量较大，累积的能量较高，工作面沿着煤层由厚向薄变化的方向推进时，导致能量也沿着这个方向进行传导，能量传导过程中受阻，在累加形成二次应力高峰，造成更大的冲击危险。相反由薄向厚区域的变化，仅形成一个应力高峰，冲击地压的危险较轻。

④开采技术因素对冲击地压也会产生影响，与开采顺序，保护层的释压水平、是否留设底煤、煤层的开采错距等，以及回采作业的形式如爆破、揭煤等相关。这些开采技术本身产生的能量很小，但其会造成煤岩组合系统的应力产生复杂的分布，引导能量积聚产生冲击危险。

3 组合煤岩能量演化

巷道煤岩组合区易发生冲击地压，建立煤岩组合体受载过程中的能量演化过程与冲击地压的理论联系，对于预防防冲击地压的发生具有重要意义，煤岩组合体依次经历四个能量演化关键过程，如图5 所示。外部做功将机械能或温度变化引起的热能，作为输入的能量，贮存在煤岩组合系统中。弹性变形能是煤岩组合系统主要积聚的能量，当岩石发生损伤时，大部分能量会在受到工程扰动下，以摩擦热能、辐射能、动能的形式交换出去。一小部分能量造就了岩石不可恢复的塑性变形和损伤，称之为能量的耗散。

图5 加载破坏煤岩系统能量转化过程

4 工程讨论

冲击地压是深部煤岩体在采掘活动下，累积的巨大能量，猛烈释放造成的动力学现象，而煤岩组合体的失稳破坏也是受载过程中，储存的能量释放的表现形式，冲击地压的影响因素与煤、岩层的组合状态密切相关。

厚而坚硬的顶、底板将欲开采的煤层压实，形成煤岩组合体系统，阻碍了煤层的卸压变形，加之煤炭在沉积过程中形成的“平行层状结构”会在交界处产生摩擦和侧向阻力，阻止煤层沿平行界面滑移，加大了煤层的压实程度，从能量的积聚与耗散上看，组合系统的压实对煤层产生了闭锁作用，闭锁带内，应力大、弹性能高，为煤岩系统的能量的积聚及演化提供天然环境，当能量达到冲击孕育阶段所需的能量，启动冲击进程、完成冲击发育阶段，便会释放能量，产生破坏，使煤岩碎屑物抛向回采空间，造成冲击地压。

5 结论

从冲击地压的形成机理和条件入手，分析出冲击地压的致灾特点与煤岩组合体系统的能量积聚、失稳破坏的进程机制存在一致性，从理论上建立了冲击地压与煤岩组合体能量演化之间的联系。主要成果如下：

①冲击地压的形成过程伴随着能量的演化，随着煤层赋存深度的增加，煤岩组合体会积聚较多的能量。断层、褶曲等原生构造会造成煤岩组合区域的应力异常集中，开采活动会造成煤岩组合系统应力重新分布而造成能量积聚，产生较大的冲击危险。

②煤岩组合体在进行能量演化过程中涉及的能量包括：弹性变形能、塑性变形能、损伤变形能、辐射变形能及动能几种主要形式，主要由能量输入、能量积累、能量耗散和能量释放几个过程组成，当煤岩组合体的储能极限与驱动的能量达到统一的临界点时，最终导致煤岩组合体的宏观破坏。针对煤岩组合体开展相关力学试验探究能量演化规律更能贴近冲击地压发生的驱动本质特征。

③厚而坚硬的顶、底板将欲开采的煤层压实，阻碍了煤层的卸压变形，煤炭在沉积过程中形成的“平行层状结构”在交界处产生摩擦和侧向阻力，阻止煤层沿平行界面滑移，组合系统的压实对煤层产生了闭锁作用，为煤岩系统的能量的积聚及演化提供天然环境，启动冲击进程、使煤岩碎屑物抛向回采空间，造成冲击地压。