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最新成果丨齐庆新研究员：煤岩弹性变形能的表征物理模型及实测方法

煤炭科学技术02-14

本文创新点

构建了从功能上能够还原弹性能积聚与释放的统计损伤物理模型，从基本物理行为的角度对于加载过程中的能量积聚与耗散，以及对应力学曲线演化的底层逻辑进行了阐述，指出试件变形势能增量本质上是当前时刻试件中仍具承载能力结构新增的变形能ΔＷ_ti承载，与该时刻破断的承载结构所释放变形能ΔＷ_ti释放之差，而前者在描述弹性能方面更具合理性，并给出了该指标基于荷载-时间曲线和声发射的实测计算路径，为实现煤岩受载过程中弹性能的动态可测做出了有益探索。

作者简介

齐庆新

研究员

齐庆新，吉林长春九台人，研究员，博士生导师，煤炭科学研究总院有限公司深部开采与冲击地压防治研究院院长，中国煤炭科工集团一级首席科学家，国家百千万人才工程国家级人选，中国科学技术发展基金会孙越崎“青年科技奖”获得者，享受国务院政府特殊津贴，国家煤矿安全专家委员会委员，中国岩石力学与工程学会理事，中国煤炭学会煤矿动力灾害防治专委会副主任委员、岩石力学与支护专业委员会委员，全国青年联合会海外留学人员联谊会委员，创新方法研究会技术创新方法专业委员会，国家奖评审专家，国家“653”工程采煤工程专业领域首席专家。主持/参加国家科技攻关项目、国家科技支撑项目、国家重点研发计划项目、国家”973”课题、国家自然科学基金项目等各类纵向项目50余项和横向项目100余项，主持制订“煤和岩石物理力学性质测定方法”、“冲击地压测定、监测与防治方法”等国家标准30余项，“冲击地压预测与防治”、”煤矿冲击地压预测与防治成套技术”等成果获国家攻关奖1项、国家科技进步二等奖3项和省部级科技进步奖一二三等奖10余项，发表论文100余篇，出版专(译)著《冲击地压理论与技术》等9部。

主要成果：

（1）提出的冲击地压“煤岩层结构破坏理论”和“三因素”理论，完善和丰富了冲击地压发生机理，对指导我国煤矿冲击地压的防治起到了积极的作用；

（2）提出并成功开发出能够有效监测矿压、预测冲击危险性的采动应力监测系统，已成功在冲击地压矿井应用，有效地指导了冲击地压预测与防治；

（3）在世界范围内首次完成煤的单轴直接拉伸实验并获得不同加载条件下的全应力-应变曲线，在此基础上提出建议“煤力学”的思想；

（4）在采动煤岩应力场、裂隙场与瓦斯流动场及其耦合研究方面，创造性地进行了现场条件下煤体渗透性的SF6示踪气体观测，提出了煤体渗透率现场测定新方法，指导了煤矿瓦斯抽放技术的实施；

（5）提出了冲击地压的应力控制理论，揭示了冲击地压的发生实质，为冲击地压的防治提出具体的理论与方法；

（6）开发成功自震式微震监测系统、煤岩动态破坏试验装置等，提高了冲击地压、煤与瓦斯突出等矿井动力灾害的研究能力和现场监测精度。

研究方向：

主要从事冲击地压、矿山压力与岩层控制、采煤方法、岩石力学、煤矿

作者

齐庆新^1,2，李海涛^1,2，郑伟钰^1,2，杜伟升^1,2，杨冠宇^1,2，李晓鹏^1,2

单位

1.煤炭科学研究总院深部开采与冲击地压防治研究院；2.煤炭科学研究总院煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室

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摘要

现有冲击倾向性测试结果常表现出与冲击地压事故互为不充分不必要条件的关系，对于工程的参考价值有待进一步提高。为此，从冲击倾向性描述弹性能的本质出发，构建了从功能上能够还原弹性能积聚与释放的统计损伤物理模型，从基本物理行为的角度对应力－应变曲线的升降趋势，以及加载过程中能量的积聚与耗散进行了研究。结果表明：外载做功和能量释放贯穿加载全过程，目前以应力－应变曲线峰前、峰后段的相关特征分别描述弹性能积聚和耗散的方式能够简化计算，但未能反应真实的力学行为，基于物理模型进一步指出，试件的变形势能增量ΔＷ_t_i本质上是当前时刻试件中仍具承载能力结构新增的变形能ΔＷ′_ti与该时刻破断的承载结构所释放变形能ΔＷ''_ti之差，而ΔＷ′_ti在描述弹性能方面更具合理性，并给出了该指标基于荷载－时间曲线和声发射的实测计算路径，为获得更为准确的弹性能描述做出了有益探索。

研究背景

煤的冲击倾向性描述的是煤体具有积聚变形能并产生冲击破坏的一种性质，从具体力学行为的角度，该性质描述的是煤在受载条件下积聚弹性变形能的能力和失稳破坏时弹性能释放的剧烈程度。与之同样重要的概念是冲击危险性，即真实工程场景下发生冲击地压的危险性或可能性。但根据已有的事故案例，煤体具有冲击倾向性并不意味着一定会发生冲击地压，而发生冲击地压的案例中，煤体也不一定具有冲击倾向性，二者高度相关但又互为不充分不必要条件。

煤岩介质的力学行为与应力环境密切相关，而冲击倾向性则是在国家标准要求的统一加载条件下获得的，其中，动态破坏时间(DT)和弹性能指数(WET)为应力加载，速度0.5～1.0ＭＰａ／ｓ，而冲击能量指数(KE)由于需要全应力－应变曲线，需要采取位移加载，速度为0.5×10^-5～ 1.0×10^-5ｍｍ/s。这种测试方式能够为定性认知相近加载条件下，不同煤样冲击倾向性的相对强弱提供参考。但工程实际中的荷载变化区间更大、应力加载路径更多，而正是标准加载条件与实际加载条件的差异，造成了冲击倾向性测试结果与实际情况互为不充分不必要条件的现状。

狭义而言，标准测试条件下获得的结果才可被称为冲击倾向性，但若仅局限于此，造成上述不充分不必要关系的根源将只是冲击倾向性测试并未充分反映实际加载环境的多样性而已。冲击地压作为工程科学问题，对其研究的根本目的是为了在实际工况下降低或消除冲击危险性，简单地在概念或方法层面进行调整，而不深究其底层物理逻辑，显然满足不了有效防控的根本需求。

煤岩的特殊细观结构是造成其对于力学环境敏感的主要原因，更具针对性地，细观结构与冲击倾向性的高度相关性也已得到验证，如煤的显微硬度、显微脆度、显微组分、原始损伤等细观特征与冲击倾向性呈正相关；不同冲击倾向性煤样的细观结构在空间特征上存在显著差异；通过CT扫描获取单位面积裂隙周长、面积分数等统计性指标可实现对于冲击倾向性的定性评价等。因此，对于冲击倾向性的底层物理逻辑，现有研究事实上已经给出了合理的关注方向。然而，煤岩具体力学行为是在应力、结构以及物性因素的共同作用下产生，尤其对于细观结构的研究，目前还远未达到定量水平，由此带来的复杂度和制约性使得尚未有成果能有效地将已获得的物理逻辑认知应用到具体的工程实践中去。

内容概要

１现有冲击倾向性描述指标特点分析

目前，按照指标所关注的物理内涵不同，鞠文君等将冲击倾向性指标划分为强度指标、时间指标、刚度指标、变形指标和能量指标，并列出了具体

指标的计算方法，部分指标见表1。

表1 冲击倾向性代表性描述指标

２煤岩弹性能量化表征物理模型

煤岩结构极为复杂，目前还尚未找到具有较好兼容性的量化描述方法，笔者将其简化为沿圆心均匀分布的理想弹脆性杆件。综上，试件可表征为统计损伤物理模型，其结构如图１所示。

图１统计损伤物理模型

３煤岩弹性能的实测方法

随机选取具有复杂变化趋势的煤样，以验证上述方法的可操作性。该煤样在 0.1mm/min的位移加载条件下被压至破坏，其荷载－时间曲线如图２所示。

图2 验证试验荷载－时间曲线

由图２可得，该试样表现出了较为复杂的荷载演化特征，若基于传统的弹性能计算方法，则会加入较多的主观因素影响，例如动态破坏时间中峰值点图２验证试验荷载－时间曲线和跌落终点的选取。而通过计算变形能增量ΔＷ′_ti，监测声发射能量ΔＷ′_tiEA，则能够获得全过程的数据进行相关的计算，为方便展示，将所有数据进行归一化处理以消除量纲，并以归一化后的时间序列为横坐标绘制曲线如图３所示。