基于有效冲击能量速率的煤层冲击倾向性指数研究

王 超

(昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

基于有效冲击能量速率的煤层冲击倾向性指数研究

王 超

(昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

煤岩冲击倾向性的准确评判对于防治冲击地压具有非常重要的意义。在总结国内外煤层冲击倾向性研究成果的基础上，针对目前冲击倾向性指数未能完全反映煤层实际冲击倾向性强弱的问题，提出了综合反映能量积聚、耗散、释放过程及时间效应的有效冲击能量速率指数，并给出了评判准则。有效冲击能量速率指数与动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数和单轴抗压强度等常用指数均呈现一定的相关性。工程应用结果表明，使用该指数评判冲击倾向性强弱是科学合理的。

有效冲击能量速率；冲击倾向性；冲击地压；评判准则；相关性

冲击地压由于发生过程中聚积在煤岩体中的弹性能突然释放，极具突发性和灾难性，因而易造成支架、设备和井巷的破坏以及人员伤亡等[1]。

煤岩具有冲击倾向性是发生冲击地压的内因和重要条件[2]。多年来，众多学者从能量角度、破坏时间、变形、刚度和强度等方面积极探索研究，提出了很多冲击倾向性指数和判别方法[3]，包括冲击能量指数[4]、脆性指数[5]、弹性能量指数[6]、有效释放率指数[6]、能量释放率指数[7]、脆性指数修正值[8]、动态破坏时间[9]等，这些研究为冲击地压的预测预报及防治奠定了基础。

本质上，煤层冲击倾向性受时间与能量的双重影响[17]。而目前冲击倾向性指标大多只考虑时间或能量单个因素，文献[17]虽然提出了一种同时考虑能量因素和时间效应的冲击能量速度指数，但计算中未去掉煤样加载破坏前耗散的塑性能，因此得到的指数值高于实际值。鉴于此，本文提出经过改进的有效冲击能量速率指数及评判准则，继而能更加科学准确地评判煤的冲击倾向性。

1 常用冲击倾向性指数对比分析

根据国家标准《煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法》(GB/T 25217.2-2010)，目前我国常用的煤层冲击倾向性指数主要包括动态破坏时间(DT)、弹性能量指数(WET)、冲击能量指数(KE)和单轴抗压强度指数(RC)。这些指数虽然得到了广泛应用，但也存在一些不足。DT指数准确反映了煤岩破坏所需时间，但未反映出煤岩破坏过程中的能量关系，如果破坏过程中转化成动能的弹性能量有限，即使DT数值很小，冲击效应也不明显；WET指数计算原理科学、方法简单，但根据测试要求，应加载到试样平均破坏载荷的75%～85%，在此区间取不同值时可能对结果造成影响；KE指数简单易算，较好地揭示了冲击地压的发生机理，但未反映煤岩破坏过程中转化成动能的剩余能量的大小，且没有考虑塑性变形中的耗散能，是一种过高的估计。

在国家标准GB/T 25217.2-2010中，一般同时使用以上4个指数进行综合评判，但常常存在4个指数实测值分属不同冲击倾向等级的现象，虽然国标中提出了综合评判方法并列出了81种不同组合情况下的评判结果，但该方法对于8种情况不能进行综合判定。而采用模糊数学综合评价法时，当某些指数反映的冲击倾向性很强而其他指标很弱时，会导致综合评判结果有失客观。因此，研究能够综合反映能量因素和时间效应的指数非常必要。

2 有效冲击能量速率理论分析

2.1 有效冲击能量速率指数的提出

在外载荷作用下(压力机输入能量)，煤岩体能量转化主要由应变硬化与应变软化两种机制驱动[28]，能量转化过程如图1所示。应变硬化阶段主要通过储存弹性变形能逐渐积聚能量，同时在塑性变形中耗散能量，应变软化阶段则主要向外释放能量，能量大部分转化为造成煤岩发生动力现象的动能。

图1 受载煤岩能量转化两阶段[28]

在煤岩单轴压缩达到应力峰值前，加载系统输入的能量大部分转化为煤岩耗散的塑性能W12和积聚的弹性能W22，如图2所示。峰值后的载荷超过煤岩承载能力时，弹性能将释放出来，当释放能量大于试样破坏所消耗的能量W3时，破坏过程就会加速进行，剩余能量ΔW=W22-W3就以动能的形式释放出来发生冲击现象，其冲击破坏程度取决于ΔW的大小[2]。

对于W12，W22和W3，由图2可知：

5.切割后，细胞将会自己尝试来修复DNA, 这样最终可以使得基因“沉默”。举例来说，科学成功地通过该技术“沉默”了大豆中表达反式脂肪酸的基因。当然，科学家也可以在DNA中插入新的片段来改变基因的表达

(1)

(2)

(3)

上式中，W12数值为OCε2所围的面积，W22数值为ε2Cε4所围的面积，W3数值为ε4CD所围的面积。

图2 煤岩单轴压缩全过程应力-应变曲线[15]

(4)

为指导现场工程应用，本文结合大量工程试验进行统计分析，初步确定了WYS的冲击倾向性等级划分标准(表1)。

表1 WYS(s-1)的评判准则

2.2 指标相关性分析

WYS综合反映了能量和时间因素，其与常用的冲击倾向性指数DT，WET，KE和RC必然存在一定的联系。

图3为WYS与其他4个评判指数的关联图(数据来自南山矿、峻德矿、木城涧矿、桃山矿和新兴矿的冲击倾向性测试结果)。从图中可以看出，WYS与DT存在较好的负相关性，即随着DT的增大，WYS呈逐渐减小趋势，冲击倾向性减弱；而WYS与WET，KE，RC3个指数均呈现出正相关性。研究表明，使用WYS指数进行冲击倾向性评判符合冲击地压的发生机理，且该指数与其他常用冲击倾向性指数均具有相关性，故采用WYS表征冲击倾向性强弱是科学合理的。

图3 WYS与其他指标关联性

3 工程应用

将本文提出的WYS指数应用到煤层冲击倾向性评判中，在实验室分别测试和计算两处煤层的DT，WET，KE，RC和WYS，计算结果如表2所示。根据表1的评判准则，采用WYS得到冲击倾向性判别结果，与采用GB/T 25217.2-2010中的综合评判法的结果一致(表2)，表明WYS可以准确评判煤的冲击倾向性。

表2 冲击倾向性数据及评判结果

4 结 论

(1)针对目前冲击倾向性指数未能完全反映煤层实际冲击倾向性等级的问题，提出了一种综合反映煤样受载破坏过程中能量积聚、耗散、释放过程及时间效应的有效冲击能量速率指数，该指数越大，冲击倾向性越强。

(2)相关性分析表明，有效冲击能量速率指数与其他常用冲击倾向性指数均呈现相关性，工程应用结果表明，使用该指数表征冲击倾向性强弱是科学合理的。

(3)本文对有效冲击能量速率指数进行了初步等级划分，在后续研究中还需进一步完善评判准则，并将其与其他指标综合使用，以便更好地指导工程实践。

[1]杨 磊，毛德兵.单轴压缩下冲击倾向性煤样声发射特性的实验研究[J].煤矿开采，2013，18(1):14-16.

[2]王 超.基于未确知测度理论的冲击地压危险性综合评价模型及应用研究[D].徐州:中国矿业大学，2011.

[3]王宏图，许 江，魏福生，等.煤岩体冲击倾向性指标评价[J].矿山压力与顶板控制，1999，3(4):204-210.

[4]Bieniawski Z T，Denkhaus H G，Vogler U W.Failure of fracture rock [J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1969(6)：323-341.

[5]Hucka V，Das B.Brittleness determination of rock masses by different methods [J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts，1974(11):389-392.

[6]Kidybinski A.Bursting liability indices of coal [J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts，1981，18(6):295-304.

[7]Spottiswoode S M.Volume excess shear stress and cumulative seismic moments [A].In：Rockbursts and Seismicity in Mines[C].Rotterdam：Balkema A A，1990，39-43.

[8]Aubertin M，Gill D E，Simon R.On the use of the brittleness index modified (BIM) to estimate the post-peak behavior of rocks [A].In：The First North American Rock Mech.Symposium[C].Rotterdam：Balkema A A，1994:945-952.

[9]WU Y，ZHANG W.Evaluation of the bursting proneness of coal by means of its failure duration[A].Rockburst and Seismicity in Mines[C].Rotterdam：Balkema A A，1997：285-288.

[10]南存全，段克信，张文军.用物理相态法确定煤岩体应力状态和冲击倾向性[J].煤矿开采，1998，30(2):18-19.

[11]潘一山.冲击地压发生和破坏过程研究[D].北京：清华大学，1999.

[12]周晓军，鲜学福.基于粘弹性模型的煤体冲击倾向指标的试验研究[J].西部探矿工程，1999，11(1):30-34.

[13] Wang J A，Park H D.Comprehensive prediction of rockburst based on analysis of strain energy in rocks [J].Tunnelling and Underground Space Technology，2001，16(1):49-57.

[14]姜耀东，赵毅鑫，何满潮，等.冲击地压机制的细观实验研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26(5):901-907.

[15]郭建卿，苏承东.不同煤试样冲击倾向性试验结果分析[J].煤炭学报，2009，34(7):898-902.

[16]张绪言，康立勋，杨双锁.煤岩冲击倾向性与剩余能量释放速度的关系[J].煤矿安全，2009，40(2):74-76.

[17]潘一山，耿 琳，李忠华.煤层冲击倾向性与危险性评价指标研究[J].煤炭学报，2010，35(12)：1975-1978.

[18]齐庆新，彭永伟，李宏艳，等.煤岩冲击倾向性研究[J].岩石力学与工程学报，2011，35(S1)：2736-2742.

[19]蔡 武，窦林名，韩荣军，等.基于损伤统计本构模型的煤层冲击倾向性研究[J].煤炭学报，2011，36(S2)：346-352.

[20]姚精明，闫永业，李生舟，等.煤层冲击倾向性评价损伤指标[J].煤炭学报，2011，36(S2)：353-357.

[21]肖福坤，申志亮，刘 刚，等.循环加卸载中滞回环与弹塑性应变能关系研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33(9):1791-1797.

[22]吴 鑫，刘长武.基于表面分形特征的煤岩冲击倾向性评价[J].地下空间与工程学报，2014，9(5):1045-1049.

[23]李宝富.千秋煤矿2#煤层冲击倾向性判别指标研究[J].中国安全生产科学技术，2014，10(5):62-67.

[24]李鹏波，王金安.主成分分析在煤样冲击倾向性判断中的应用[J].煤炭技术，2016，35(3):19-21.

[25]王 岗，潘一山，肖晓春，等.煤体冲击倾向性指标与煤体破裂电荷关系试验研究[J].中国安全科学学报，2016，26(10):139-144.

[26]牟宗龙，王 浩，彭 蓬，等.岩-煤-岩组合体破坏特征及冲击倾向性试验研究[J].采矿与安全工程学报，2013，30(6):841-847.

[27]肖晓春，金 晨，潘一山，等.组合煤岩破裂声发射特性和冲击倾向性试验研究[J].中国安全科学学报，2016，26(4):102-107.

[28]肖福坤，刘 刚，申志亮.桃山 90#煤层有效弹性能量释放速度研究[J].岩石力学与工程学报，2015，34(S2):4216-4225.

[责任编辑：施红霞]

StudyofCoalSeamRockBurstTendencyIndexunderEffectivelyImpactEnergyRate

WANG Chao

(Faculty of Land Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China)

The accurately determination of coal and rock impact tendency was importance to rock burst prevention and control.Based on research results of coal seam impact tendency at home and abroad，to the problems that the actual coal seam impact tendency could not be reflected by impact tendency index at present，then an effectively impact energy rate index was put forward，which could be fully reflected energy accumulation，dissipation and releasing process and time effect and so on，then determination criterion was put forward.Some relativity appeared between normal index，which is about effectively impact energy rate，dynamic broken time，elastic energy index,impact energy index and uniaxial compressive strength.The field test showed that impact tendency determined by the index was reasonable.

effectively impact energy rate；rock burst tendency；rock burst；determination criterion；relativity

TD324.1

A

1006-6225(2017)05-0009-04

2017-07-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.003

“十三五”国家重点研发计划项目(2016YFC0801408)；云南省省级人培资助项目(KKSY2014021030)

王 超(1984-)，男，山东济宁人，讲师，博士，主要从事矿山煤岩动力灾害防治方面的研究工作。

王 超.基于有效冲击能量速率的煤层冲击倾向性指数研究[J].煤矿开采，2017，22(5)：9-12.