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本文創新點
構建了從功能上能夠還原彈效能積聚與釋放的統計損傷物理模型，從基本物理行為的角度對於載入過程中的能量積聚與耗散，以及對應力學曲線演化的底層邏輯進行了闡述，指出試件變形勢能增量本質上是當前時刻試件中仍具承載能力結構新增的變形能ΔＷti承載，與該時刻破斷的承載結構所釋放變形能ΔＷti釋放之差，而前者在描述彈效能方面更具合理性，並給出了該指標基於荷載-時間曲線和聲發射的實測計算路徑，為實現煤巖受載過程中彈效能的動態可測做出了有益探索。
作者簡介
齊慶新 研究員
齊慶新，吉林長春九臺人，研究員，博士生導師，煤炭科學研究總院有限公司深部開採與衝擊地壓防治研究院院長，中國煤炭科工集團一級首席科學家，國家百千萬人才工程國家級人選，中國科學技術發展基金會孫越崎“青年科技獎”獲得者，享受國務院政府特殊津貼，國家煤礦安全專家委員會委員，中國岩石力學與工程學會理事，中國煤炭學會煤礦動力災害防治專委會副主任委員、岩石力學與支護專業委員會委員，全國青年聯合會海外留學人員聯誼會委員，創新方法研究會技術創新方法專業委員會，國家獎評審專家，國家“653”工程採煤工程專業領域首席專家。主持/參加國家科技攻關專案、國家科技支撐專案、國家重點研發計劃專案、國家”973”課題、國家自然科學基金專案等各類縱向專案50餘項和橫向專案100餘項，主持制訂“煤和岩石物理力學性質測定方法”、“衝擊地壓測定、監測與防治方法”等國家標準30餘項，“衝擊地壓預測與防治”、”煤礦衝擊地壓預測與防治成套技術”等成果獲國家攻關獎1項、國家科技進步二等獎3項和省部級科技進步獎一二三等獎10餘項，發表論文100餘篇，出版專(譯)著《衝擊地壓理論與技術》等9部。
主要成果：
（1）提出的衝擊地壓“煤岩層結構破壞理論”和“三因素”理論，完善和豐富了衝擊地壓發生機理，對指導我國煤礦衝擊地壓的防治起到了積極的作用；
（2）提出併成功開發出能夠有效監測礦壓、預測衝擊危險性的採動應力監測系統，已成功在衝擊地壓礦井應用，有效地指導了衝擊地壓預測與防治；
（3）在世界範圍內首次完成煤的單軸直接拉伸實驗並獲得不同載入條件下的全應力-應變曲線，在此基礎上提出建議“煤力學”的思想；
（4）在採動煤巖應力場、裂隙場與瓦斯流動場及其耦合研究方面，創造性地進行了現場條件下煤體滲透性的SF6示蹤氣體觀測，提出了煤體滲透率現場測定新方法，指導了煤礦瓦斯抽放技術的實施；
（5）提出了衝擊地壓的應力控制理論，揭示了衝擊地壓的發生實質，為衝擊地壓的防治提出具體的理論與方法；
（6）開發成功自震式微震監測系統、煤巖動態破壞試驗裝置等，提高了衝擊地壓、煤與瓦斯突出等礦井動力災害的研究能力和現場監測精度。
研究方向：
主要從事衝擊地壓、礦山壓力與岩層控制、採煤方法、岩石力學、煤礦
作 者
齊慶新1,2，李海濤1,2，鄭偉鈺1,2，杜偉升1,2，楊冠宇1,2，李曉鵬1,2
單 位
1.煤炭科學研究總院 深部開採與衝擊地壓防治研究院；2.煤炭科學研究總院 煤炭資源高效開採與潔淨利用國家重點實驗室
摘 要
現有衝擊傾向性測試結果常表現出與衝擊地壓事故互為不充分不必要條件的關係，對於工程的參考價值有待進一步提高。為此，從衝擊傾向性描述彈效能的本質出發，構建了從功能上能夠還原彈效能積聚與釋放的統計損傷物理模型，從基本物理行為的角度對應力－應變曲線的升降趨勢，以及載入過程中能量的積聚與耗散進行了研究。結果表明：外載做功和能量釋放貫穿載入全過程，目前以應力－應變曲線峰前、峰後段的相關特徵分別描述彈效能積聚和耗散的方式能夠簡化計算，但未能反應真實的力學行為，基於物理模型進一步指出，試件的變形勢能增量ΔＷti本質上是當前時刻試件中仍具承載能力結構新增的變形能ΔＷ′ti與該時刻破斷的承載結構所釋放變形能ΔＷ''ti之差，而ΔＷ′ti在描述彈效能方面更具合理性，並給出了該指標基於荷載－時間曲線和聲發射的實測計算路徑，為獲得更為準確的彈效能描述做出了有益探索。
研究背景
煤的衝擊傾向性描述的是煤體具有積聚變形能併產生衝擊破壞的一種性質，從具體力學行為的角度，該性質描述的是煤在受載條件下積聚彈性變形能的能力和失穩破壞時彈效能釋放的劇烈程度。與之同樣重要的概念是衝擊危險性，即真實工程場景下發生衝擊地壓的危險性或可能性。但根據已有的事故案例，煤體具有衝擊傾向性並不意味著一定會發生衝擊地壓，而發生衝擊地壓的案例中，煤體也不一定具有衝擊傾向性，二者高度相關但又互為不充分不必要條件。
煤巖介質的力學行為與應力環境密切相關，而衝擊傾向性則是在國家標準要求的統一載入條件下獲得的，其中，動態破壞時間(DT)和彈效能指數(WET)為應力載入，速度0.5～1.0ＭＰａ／ｓ，而衝擊能量指數(KE)由於需要全應力－應變曲線，需要採取位移載入，速度為0.5×10-5～ 1.0×10-5ｍｍ/s。這種測試方式能夠為定性認知相近載入條件下，不同煤樣衝擊傾向性的相對強弱提供參考。但工程實際中的荷載變化區間更大、應力載入路徑更多，而正是標準載入條件與實際載入條件的差異，造成了衝擊傾向性測試結果與實際情況互為不充分不必要條件的現狀。
狹義而言，標準測試條件下獲得的結果才可被稱為衝擊傾向性，但若僅侷限於此，造成上述不充分不必要關係的根源將只是衝擊傾向性測試並未充分反映實際載入環境的多樣性而已。衝擊地壓作為工程科學問題，對其研究的根本目的是為了在實際工況下降低或消除衝擊危險性，簡單地在概念或方法層面進行調整，而不深究其底層物理邏輯，顯然滿足不了有效防控的根本需求。
煤巖的特殊細觀結構是造成其對於力學環境敏感的主要原因，更具針對性地，細觀結構與衝擊傾向性的高度相關性也已得到驗證，如煤的顯微硬度、顯微脆度、顯微組分、原始損傷等細觀特徵與衝擊傾向性呈正相關；不同衝擊傾向性煤樣的細觀結構在空間特徵上存在顯著差異；透過CT掃描獲取單位面積裂隙周長、面積分數等統計性指標可實現對於衝擊傾向性的定性評價等。因此，對於衝擊傾向性的底層物理邏輯，現有研究事實上已經給出了合理的關注方向。然而，煤巖具體力學行為是在應力、結構以及物性因素的共同作用下產生，尤其對於細觀結構的研究，目前還遠未達到定量水平，由此帶來的複雜度和制約性使得尚未有成果能有效地將已獲得的物理邏輯認知應用到具體的工程實踐中去。
內容概要
１ 現有衝擊傾向性描述指標特點分析
目前，按照指標所關注的物理內涵不同，鞠文君等將衝擊傾向性指標劃分為強度指標、時間指標、剛度指標、變形指標和能量指標，並列出了具體
指標的計算方法，部分指標見表1。
表1 衝擊傾向性代表性描述指標
２ 煤巖彈效能量化表徵物理模型
煤巖結構極為複雜，目前還尚未找到具有較好相容性的量化描述方法，筆者將其簡化為沿圓心均勻分佈的理想彈脆性杆件。綜上，試件可表徵為統計損傷物理模型，其結構如圖 １ 所示。
圖 １ 統計損傷物理模型
３ 煤巖彈效能的實測方法
隨機選取具有複雜變化趨勢的煤樣，以驗證上述方法的可操作性。該煤樣在 0.1mm/min的位移載入條件下被壓至破壞，其荷載－時間曲線如圖２所示。
圖2 驗證試驗荷載－時間曲線
由圖２可得，該試樣表現出了較為複雜的荷載演化特徵，若基於傳統的彈效能計算方法，則會加入較多的主觀因素影響，例如動態破壞時間中峰值點圖２驗證試驗荷載－時間曲線和跌 落 終 點 的 選 取。 而 通 過 計 算 變 形 能 增 量ΔＷ′ti，監測聲發射能量ΔＷ′tiEA，則能夠獲得全過程的資料進行相關的計算，為方便展示，將所有資料進行歸一化處理以消除量綱，並以歸一化後的時間序列為橫座標繪製曲線如圖３所示。
圖 ３ 變形能及聲發射能量歸一化結果
討 論
上述工作將試件受載情況下的物理邏輯反映到了變形能的計算當中，同時引入了聲發射資訊，在一定程度上逼近了彈效能真實值的實際測量，能夠為後續的相關指標設計提供底層原理支撐。但煤巖本身的複雜性，使得該項工作也僅是在變形能測量模式上取得了有限進展。
目前的制約在於，無論是對於細觀結構空間特徵的描述還是針對其空間特徵力學效應的試驗，通常都採用了簡化的手段以降低研究難度，而煤巖的複雜性體現在其隨機多變的裂隙等結構要素上，上述簡化操作恰恰忽略了這一關鍵因素，如裂隙發育對於結構強度的弱化作用，細觀結構破斷對於周邊結構所產生的連帶影響等，也正是由於此類的簡化導致了室內測試結果對於工程實際參考性較弱的現狀。
煤礦開採作為工程問題，通常存在對於準確性要求不高的慣性認知，但需要明確的是，危險狀態的可靠判識是基於臨界狀態的準確描述，狀態描述愈接近真實情況，所得結論的可靠性也將愈高，而隨著工程條件下地面壓裂、超長鑽孔等大範圍結構干預手段的成熟，將不再具備透過經驗進行技術引數試錯的空間，因此，煤巖細觀結構甚至是衝擊危險性的定量描述顯然是具有現實意義的。
結 論
１）透過構建圓柱試樣簡化的彈性統計損傷物理模型，明確了變形能演化的底層物理行為，即變形能（包括彈效能）是在部分細觀結構繼續承載、部分細觀結構斷裂的過程中逐漸累積，簡單用應力－應變曲線的峰前線下積分描述能量積聚、峰後線下積分描述能量耗散將造成與實際情況的不符。
２）在考慮試件中承載結構變形和破斷同時發生的前提下，試件整體產生 Δtu位移時，變形勢能的增量ΔＷti，等於該時步試件中仍具有承載能力結構中新增的變形能ΔＷ′ti，與該時步破斷承載結構所釋放的變形能 ΔＷ'′ti之差，而由結構面摩擦、裂隙發育等造成的能量耗散將在後續工作中予以豐富，以獲得更為準確的結果。 ３）基於物理模型指出，ΔＷ′ti+1項的物質載體是當前時步仍然具有承載能力的完整結構，據此進行彈效能描述更為合理，並依據實際可測的原則，給出了該指標基於荷載－時間曲線和聲發射資訊的計算路徑
引用格式
齊慶新,李海濤, 鄭偉鈺，等.煤巖彈性變形能的表徵物理模型及實測方法［J］.煤炭科學技術,2022,50（1）：70-77.QI Qingxin,LI Haitao,ZHENG Weiyu,et al.Physical model and measurement method for elastic deformation energy characterization of coal and rock［J］.Coal Science and Technology，2022，50（1）：70-77.
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