东南大学宫凤强教授综述煤冲击倾向性研究进展并提出冲击地压“人-煤-环”三要素机理- 工业快报

　　煤的冲击倾向性是冲击地压机理的基础研究问题之一，也是目前评估和预测煤矿矿井冲击地压危险程度的主要依据之一。

　　近日，东南大学宫凤强教授团队系统梳理了煤的冲击倾向性专业术语和冲击倾向性指数的研究历史，提出了煤的冲击倾向性直接指数和间接指数的概念和定义。即能够以能量参数直接衡量煤样释放动能的指数定义为煤的冲击倾向性直接指数；不能够以能量参数直接衡量煤样释放动能的指数定义为煤的冲击倾向性间接指数。

　　研究对现有的弹性能量指数、冲击能量指数、动态破坏时间、单轴抗压强度、刚度冲击性指数、模量指数等16种冲击倾向性指数的出处、定义、表征符号、计算公式、试验过程、分类标准等进行了详细介绍。

　　在INSTRON 1346电液伺服测试实验机上，对来自乌东煤矿、塔子沟煤矿、玉井煤矿、赵固煤矿、东滩煤矿5个煤矿的30个煤样进行了单轴压缩试验。

　　对煤样做完试验后，根据16种冲击倾向性指数计算公式和类别判别标准，可以对每个煤样的冲击倾向性作出判断。但目前缺少根据单轴压缩试验后煤样的破坏过程及状态制定的煤样冲击倾向性判据，导致对16种冲击倾向性指数判别结果缺少统一的衡量标准。实际上，不论是煤矿现场的冲击地压和煤样室内冲击都是煤的破坏现象，根据煤样破坏现象和试验结果确定煤样的冲击倾向性类别是研究的初心问题和根本问题。因此，根据煤在单轴压缩状态下发生冲击破坏的过程和破坏后的状态，制定基于试验现象的煤样冲击倾向性判据非常有必要，进而可以对上述16种冲击倾向性指数的判别结果进行统一衡量。

　　为了对煤的16种冲击倾向性指数的判别结果进行统一验证，根据煤样破坏过程和破坏状态，提出了基于试验现象的煤样冲击倾向性定性判据及分类标准。

　　通过统一对比，结果表明剩余弹性能指数判别结果和定性判据判别结果完全一致。剩余弹性能指数以煤线性储能规律为基础，从煤样受力全过程中能量输入、储存、消耗、剩余的角度出发，以煤样破坏时剩余的绝对能量值作为判别指标，符合冲击地压发生时释放弹性应变能的本质。

　　剩余弹性能指数属于煤的冲击倾向性直接指数，所得结果实现了和定性判别结果的相互验证和统一，具有科学性与适用性。

　　由于冲击地压是高地应力煤层开采中出现的安全生产事故，因此冲击地压机理和“人、煤、环（境）”三项要素密切相关，分别对应“开采”、“煤层”和“应力”三项本质要素，属于特定的系统。

　　宫凤强教授借鉴钱学森提出的“人-机-环”系统工程学思想，提出冲击地压“人-煤-环”三要素机理。在“人-机-环”三要素中，“人”指工作主体（决策或操作人员），主要研究人的特性（工作能力、基本素质、体力负荷等）；“机”指人所控制的一切对象（工具、机器、计算机、系统等），通常人为制造产生，主要研究机器的特性（机器可操作性、可维护性等）；“环”指人、机共处的特定工作条件（如温度、噪声、振动等），主要研究环境的特性（环境检测、控制、建模等）。

　　在“人-煤-环”三要素中，“人”泛指和开采相关一切人为工程因素，具体分为技术因素和管理因素，主要研究开采方案、冲击地监测、防治方法与技术及实施过程；“煤”指煤层，即开采的主要对象，属于天然地质体，主要研究煤成分及结构、煤层结构及形态、厚度、倾角等；“环”指地应力环境，属于天然环境，主要研究采动区域原始地应力场以及采动后的次应力场变化和响应规律，煤层顶底板岩层性质和结构、断层与褶曲、煤层厚度及坡度、煤层深度都会影响地应力分布环境。

　　针对具体的冲击地压矿井，“煤”和“环”要素紧密联系，具有天然存在性、独一无二性和位置固定性。冲击地压在“人-煤-环”三要素共同作用下发生，缺一不可。

　　研究同时从力学性质和材料性质两个方面分析了煤和岩石的本质属性差异，认为冲击地压属于固体可燃有机岩动力破坏，而岩爆属于固体不可燃无机岩动力破坏。

　　最后，提出了煤的冲击倾向性指数研究中存在的6个关键科学问题：

　　（1）试样形状的影响没有进行充分考虑。弹性能量指数（应变能存储指数）WET 指数测试的原始文献采用立方体煤样，后来普遍采用圆柱体煤样进行试验（也有部分采用立方体煤样）。虽然煤样形状不同，但是所采用的冲击倾向性类别划分准则相同，煤样形状改变带来的影响目前还没得到充分考察。

　　（2）弹性能量指数（应变能存储指数）WET 指数成立的有效性缺少理论证明。测试WET 指数过程中，关键步骤是加载到煤样峰值强度80%~90%处进行卸载。为何在这一区间内卸载缺少理论依据，目前还未看到针对煤单轴压缩试验提供理论依据的证明论文。

　　（3）对煤的冲击倾向性直接指数的研究不够深入。冲击地压本质上是动能的释放过程，具有冲击倾向性的煤样破坏也是弹性应变能的动态释放过程。但是目前大多数指数都属于煤的冲击倾向性间接指数，无法直接衡量煤样冲击破坏时释放的动能。

　　（4）如何精确的测量煤样破坏时释放的动能是衡量冲击倾向性程度的最终目标和最科学标准。限于目前的测试手段，暂时还无法精确测量煤样破坏时释放的动能，今后应重点发展精确测量方法。

　　（5）研究煤的冲击倾向性不但为冲击地压发生机理服务，还应该为煤层的有效支护提供理论依据。在精确获取煤的冲击倾向性直接指数的基础上，可以根据煤层现场情况估算发生冲击地压时释放出的动能，从而为支护选型提供理论支撑。

　　（6）现有研究手段均采用单轴压缩试验，没有考虑深部煤样的应力环境及应力路径的影响。单轴压缩试验只能测试煤样的材料冲击倾向性，仅考虑了三要素机理中“煤”要素的影响，无法考虑“应力”要素和“开采”要素。在以后的研究工作中，应进行煤样三轴压缩卸载试验，基于能量储耗规律研究应力环境及应力路径对煤样冲击倾向性的影响，反映深部高应力煤层开采过程，以此促进冲击地压发生机理的研究。

　　这项研究得到了国家自然科学基金项目的资金支持，成果以《煤的冲击倾向性研究进展及冲击地压“人-煤-环”三要素机理》为题于4月7日在《煤炭学报》进行了网络首发。

煤的冲击倾向性指数分类标准