冲击载荷作用下块煤的断裂破碎行为研究

冲击实验原理冲击实验是一种用来测试材料强度和韧性的重要方法。

在冲击实验中，通过施加冲击载荷来观察材料的断裂行为，从而得到材料的冲击性能参数。

冲击实验原理涉及到材料的吸能、变形、断裂等多个方面，下面将详细介绍冲击实验的原理和相关知识。

首先，冲击实验的原理是利用冲击载荷作用在材料上时，材料会发生吸能、变形和断裂等现象。

当冲击载荷作用在材料上时，材料会吸收能量并发生变形，当能量达到一定程度时，材料会发生断裂。

因此，通过测量冲击载荷与材料吸能、变形、断裂之间的关系，可以得到材料的冲击性能参数，如冲击强度、冲击韧性、断裂韧性等。

其次，冲击实验原理还涉及到材料的断裂行为。

在冲击实验中，材料的断裂行为可以分为脆性断裂和韧性断裂两种类型。

脆性断裂是指材料在受到冲击载荷作用时，迅速发生断裂而没有明显的塑性变形，而韧性断裂则是指材料在受到冲击载荷作用时，会先发生一定程度的塑性变形，然后再发生断裂。

通过观察材料的断裂形态和断口特征，可以判断材料的断裂类型，从而评估材料的冲击性能。

此外，冲击实验原理还包括材料的吸能特性。

在冲击实验中，材料的吸能特性是指材料在受到冲击载荷作用时，吸收能量的能力。

吸能特性直接影响材料的抗冲击能力，通常情况下，吸能越大，材料的抗冲击能力越强。

因此，通过测量材料的吸能特性，可以评估材料的抗冲击能力，为材料的设计和选用提供重要参考。

综上所述，冲击实验原理涉及到材料的吸能、变形、断裂等多个方面。

通过对冲击载荷与材料吸能、变形、断裂之间的关系进行研究，可以得到材料的冲击性能参数，如冲击强度、冲击韧性、断裂韧性等。

同时，通过观察材料的断裂形态和断口特征，可以评估材料的断裂类型，从而判断材料的冲击性能。

此外，通过测量材料的吸能特性，可以评估材料的抗冲击能力。

因此，冲击实验原理对于材料的性能评价和选用具有重要意义。

㊀第４９卷第４期煤炭科学技术Ｖｏｌ ４９㊀Ｎｏ ４㊀㊀２０２１年４月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ㊀Ａｐｒ．２０２１㊀移动扫码阅读邓志刚．动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术［Ｊ］．煤炭科学技术，２０２１，４９（４）：１２１－１３２ ｄｏｉ：１０ １３１９９／ｊ ｃｎｋｉ ｃｓｔ ２０２１ ０４ ０１５ＤＥＮＧＺｈｉｇａｎｇ．Ｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｌｏａｄ［Ｊ］．ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２１，４９（４）：１２１－１３２ ｄｏｉ：１０ １３１９９／ｊ ｃｎｋｉ ｃｓｔ ２０２１ ０４ ０１５动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术邓㊀志㊀刚１，２（１．煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京㊀１０００１３；２．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京㊀１０００１３）摘㊀要：深部开采冲击地压灾害孕灾过程中既有静态基础量又有动态变化量，剧增的原岩应力与覆岩断裂㊁井下爆破等引起的动载扰动是诱发冲击地压灾害的源头，因此实现冲击危险性快速㊁高精度评价必须综合考虑动静载作用㊂笔者开展了典型煤岩霍普金森压杆试验及数值模拟，分析了动载对煤岩体破坏作用以及对应力场的影响，针对应力变化可以直接引起介质中震动波波速变化，且波速变化前的幅值与变化幅度均受应力场影响这一特性，掌握了震动场与应力场的耦合关系，建立了多场耦合冲击危险性动态评价技术：以原岩应力场表示煤岩孕灾过程的静态基础量，以采动应力场和震动场表示煤岩孕灾过程的动态变化量，以波速异常指数㊁波速梯度指数㊁应力异常指数㊁应力梯度指数为评价指标可实现煤岩冲击危险性动态评价㊂研究结果表明：动载作用下能量以震动波形式传递，造成应力场的重新分布，应力呈现分区传递特点，并且在能量达到某一阈值后引起煤岩损伤破坏，但无论动载直接作用在岩石上还是煤体上，岩石是能量传递路径，煤层是能量耗散㊁释放主体，破坏主要发生在煤体中㊂多场耦合冲击危险性评价技术在某工作面经现场应用，在工作面逐渐揭露断层过程中冲击危险性由强冲击危险性降低到中等冲击危险性，现场监测数据表明评价结果与现场实际相符㊂关键词：动静载荷；冲击危险性；震动场；多场耦合；动态评价中图分类号：ＴＤ３２４㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：０２５３－２３３６（２０２１）０４－０１２１－１２Ｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｌｏａｄＤＥＮＧＺｈｉｇａｎｇ１，２（１．ＭｉｎｅＳａｆｅｔｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｒａｎｃｈ，ＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ㊀１０００１３，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏａｌＭｉｎｉｎｇａｎｄＣｌｅａｎＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ㊀１０００１３，Ｃｈｉｎａ）收稿日期：２０２０－１２－０２；责任编辑：朱恩光基金项目：国家科技重大专项资助项目（２０１６ＺＸ０５０４５００３－００６－００２）；国家自然科学基金面上资助项目（５１６７４１４３）作者简介：邓志刚（１９８１ ），男，吉林长春人，研究员，博士，中国煤炭科工集团三级首席科学家㊂Ｔｅｌ：０１０－８４２６１５８１，Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｅｎｇｚｈｉｇａｎｇ２００４＠１６３．ｃｏｍＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔａｔｉｃｂａｓｉｃｑｕａｎｔｉｔｙａｎｄｄｙｎａｍｉｃｖａｒｉａｔｉｏｎｑｕａｎｔｉｔｙｅｘｉｓｔｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｉｎｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇ．Ｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅａｎｄｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｒｅｔｈｅｓｏｕｒｃｅｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｌｏａｄｍｕｓｔｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｉｎｔｈｅｆａｓｔａｎｄｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄ．Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｂａｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｏｎｔｈｅｄａｍａｇｅａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｃｏａｌｒｏｃｋ．Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｆａｃｔｔｈａｔｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｓｔｒｅｓｓｃｏｕｌｄｄｉ⁃ｒｅｃｔｌｙｃａｕｓｅｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｔｈｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙｗｅｒｅａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｗａｓｍａｓｔｅｒｅｄａｎｄｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃａｔａｓｔｒｏｐｈｅ，ｔｈｅｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｓｔａｔｉｃｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｑｕａｎｔｉｔｙ，ａｎｄｔｈｅｍｉｎｉｎｇｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｒｅｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｎｇｅｑｕａｎｔｉｔｙ．Ｔｈｅｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｏｍａｌｙｉｎｄｅｘ，ｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙｇｒａｄｉｅｎｔｉｎ⁃ｄｅｘ，ｓｔｒｅｓｓａｎｏｍａｌｙｉｎｄｅｘａｎｄｓｔｒｅｓｓｇｒａｄｉｅｎｔｉｎｄｅｘａｒｅｕｓｅｄａｓｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｅｓｔｏｒｅａｌｉｚｅｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄ．Ｔｈｅｒｅ⁃ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｅｎｅｒｇｙｉｓｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｉｎｔｈｅｆｏｒｍｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｗａｖｅｕｎｄｅｒｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｔｈｅｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｚｏｎａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ａｎｄｃａｕｓｅｓｔｈｅｄａｍａｇｅｏｆｃｏａｌａｎｄｒｏｃｋｗｈｅｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙｒｅａｃｈｅｓａｃｅｒｔａｉｎｔｈｒｅｓｈｏｌｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｎｏｍａｔｔｅｒｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｄｉｒｅｃｔｌｙａｃｔｓｏｎｔｈｅｒｏｃｋｏｒｔｈｅｃｏａｌ，ｔｈｅｒｏｃｋｉｓｔｈｅｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｅｒｐａｔｈ，ｔｈｅｃｏａｌｓｅａｍｉｓｔｈｅｍａｉｎｂｏｄｙｏｆｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎａｎｄｒｅｌｅａｓｅ，ａｎｄｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍａｉｎｌｙｏｃｃｕｒｓｉｎｔｈｅｃｏａｌ．Ｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔ１２１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷ｈａｚａｒｄｗａｓａｐｐｌｉｅｄｏｎａｃｅｒｔａｉｎｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ．Ｔｈｅｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｆｒｏｍｓｔｒｏｎｇｔｏｍｅｄｉｕｍｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｇｒａｄｕａｌｌｙｅｘｐｏｓｉｎｇｆａｕｌｔｓ．Ｔｈｅｆｉｅｌｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｌｏａｄｓ；ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ；ｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｄｙｎａｍｉｃｅｖａｌｕａｔｉｏｎ０㊀引㊀㊀言我国多数矿井进入深部开采阶段，冲击地压灾害频度㊁强度显著增加［１］，冲击地压防治工作任重道远㊂２０１８年８月１日，国家煤矿安全监察局印发的‘防治煤矿冲击地压细则“开始实施，规定： 开采具有冲击倾向性的煤层必须进行冲击危险性评价 ， 开采冲击地压煤层必须进行采区㊁采掘工作面冲击危险性评价 ， 当评估煤层有冲击倾向性时，应当进行冲击危险性评价 ，并且以冲击危险性评价结果作为冲击地压监测㊁卸压等工作开展的依据㊂目前冲击危险性评价方法较多㊂一类是以冲击地压主要诱因为切入点的冲击危险性静态评价技术，如窦林名等［２］提出的综合指数法，综合考虑了岩体结构㊁力学特性㊁地质因素等条件㊂姜福兴等［３］采用模糊数学的方法，用垂直应力与煤体单轴抗压强度的比值㊁弹性能量指数２个指标评价煤体的冲击危险性，且根据应力叠加原理建立了冲击危险性评价模型，后又在此基础上提出了冲击地压分类评价技术手段㊂张科学等［６］综合考虑开采深度㊁冲击倾向性㊁煤层顶底板性质㊁地质构造㊁开采技术提出了基于层次分析法的煤层冲击危险性模糊综合评价模型㊂张宏伟等［７］应用地质动力区划方法对煤矿冲击危险进行评价㊂邓志刚［１０］基于三维地应力场反演技术开展了相关研究，综合考虑构造应力㊁采动影响等因素，实现了对采区宏观区域的冲击危险评价㊂欧阳振华等［１１］考虑瓦斯作用，将煤层气属性㊁抽采效果分析作为一类地质因素㊁开采技术条件，提出一种含瓦斯煤冲击危险性改进型综合指数评价方法㊂但是由于冲击地压致灾机理不清，灾害孕育㊁发展㊁发生的过程中影响因素繁杂，以及复杂多变的采掘及地质条件，致使静态评价方法主要是宏观上为煤层开采前的防冲工作提供一定参考，缺少对于采掘过程中因局部区域地质及开采条件变化㊁卸压措施等因素引起的冲击危险性动态变化的量化能力，因此，另一类基于现场监测数据的冲击危险性动态评价技术是当前研究工作的重点，如刘少虹等［１２］基于地音与电磁波ＣＴ探测数据提出的冲击危险性层次化评价方法；李宏艳等［１４］基于微震监测数据建立的考虑响应能量和无响应时间的冲击危险性动态评价技术㊂姜福兴等［１５］应用矿压观测法观测冲击地压工作面支架压力㊁立柱压缩量，判断工作面顶板来压规律，结合巷道的变形及其围岩应力分布进行观测，评价及预测冲击危险性㊂何学秋等［１７］采用电磁辐射法评价冲击危险性，主要参数为电磁辐射强度和脉冲数㊂曹民远等［１９］采用数值模拟和理论计算的方法分析了采掘工作面应力扰动叠加的影响，提出了近直立煤层动态权重评价法的计算体系㊂但是冲击地压的孕灾过程中既有静态基础量，又有动态变化量，因此目前仅依靠单一理论或方法快速㊁高精度的进行冲击危险性评价难度较大㊂我国煤矿进入深部开采后，剧增的原岩应力场成为冲击地压灾害发生的必要条件㊂覆岩断裂㊁井下爆破等带来的强动载扰动易成为诱发冲击灾变的充分条件，但目前冲击危险性评价的研究工作中少有兼顾动静载综合作用的理论或方法㊂为此，笔者以震动场㊁采动应力场表示孕灾过程中动态变化量，以原岩应力场表示孕灾过程中静态基础量㊂提出了波速异常指数㊁波速梯度指数㊁应力异常指数㊁应力梯度指数４个冲击危险性评价指标，并在此基础上建立了多场耦合冲击危险性动态评价技术以实现井下高精度冲击危险性动态评价㊂１㊀煤岩动载破坏试验分析１．１㊀典型煤岩动载破坏霍普金森压杆试验分离式霍普金森压杆（ＳＨＰＢ）试验系统（图１）由压杆系统㊁测量系统和数据采集处理系统３个部分组成㊂图１㊀ＳＨＰＢ试验装置Ｆｉｇ．１㊀ＳＨＰＢｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｖｉｃｅ当动载试块受到不同气压后获得不同初速度撞击入射杆，在杆内产生入射脉冲εｉ，试件在该应力作用下产生高速变形，同时产生反射脉冲εｒ和透射脉冲εｔ㊂如图２所示㊂选取强冲击倾向性煤样试件４２２１邓志刚等：动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术２０２１年第４期个，中砂岩试件４个，尺寸均为ø５０ｍｍˑ１００ｍｍ㊂本次试验煤岩样取样点分别为某典型冲击地压矿井３－１煤回风大巷ＨＦ６导点处顶板和３１１１０２工作面煤层㊂煤岩物理力学参数见表１㊂分别采用气压０．２㊁０．４㊁０．６㊁０．８ＭＰａ发射子弹，撞击入射杆，记录其入射㊁反射和透射波曲线㊂图２㊀ＳＨＰＢ试验原理Ｆｉｇ．２㊀ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＳＨＰＢｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ㊀㊀煤样㊁岩样入射波㊁反射波和透射波曲线如图３㊁图４所示，仅出示驱动应力为０．２㊁０．４㊁０．８ＭＰａ时的结果㊂对比分析可知，随着撞击杆驱动应力增加，入射波波速幅值㊁入射波波速变化率均有所增加，反射波和透射波波峰和波谷增高，透射波持续时间缩短，这也和冲击地压发生的突然㊁猛烈性质一致㊂１．２㊀典型煤岩动载破坏数值模拟采取有限元方法对煤岩霍普金森压杆试验进行模拟，进一步分析动载作用下煤岩体损伤破坏机理㊂数值模型如图５所示㊂模拟试件分为煤样㊁岩样㊁煤－岩组合样，岩－煤组合样，其中煤－岩组合样是指震动波入射端在煤上，岩－煤组合样是指震动波入射端在岩石上㊂煤样㊁岩样尺寸为ø５０ｍｍˑ１００ｍｍ，煤岩组合样中煤㊁岩样尺寸均为ø５０ｍｍˑ５０ｍｍ㊂入射杆㊁透射杆材料参数按钢材设定［２０］，密度为７７９４ｋｇ／ｍ３，弹性模量为２１１ＧＰａ，泊松比为０．２８５㊂表１㊀煤岩物理力学参数Ｔａｂｌｅ１㊀Ｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｏａｌａｎｄｒｏｃｋ试样密度／（ｋｇ㊃ｍ－３）单轴抗压强度／ＭＰａ弹性模量／ＧＰａ泊松比抗拉强度／ＭＰａ内摩擦角／（ʎ）黏聚力／ＭＰａ煤样１３２５．４０３８．７６２３．４７４０．２８２２．４９３１８．５２１３．８９４岩样２１１１．９８４０．４３４７．３９５０．２２２２．８３９３５．６０１５．５２５图３㊀煤样不同气压下的波形Ｆｉｇ．３㊀Ｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｃｏａｌｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｉｒｐｒｅｓｓｕｒｅ图４㊀岩样不同气压下的波形Ｆｉｇ．４㊀Ｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｒｏｃｋｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｉｒｐｒｅｓｓｕｒｅ３２１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷图５㊀霍普金森试验数值模型Ｆｉｇ．５㊀ＳＨＰＢｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌ煤岩物理力学参数见表２㊂加载在入射杆端部的震动波信号为ＳＨＰＢ试验中不同气压驱动子弹记录的入射杆应变波信号㊂不同震动波作用下煤岩体应力㊁损伤分布如图６ 图９所示，限于篇幅煤样㊁岩样仅出示驱动应力为０．２㊁０．４㊁０．８ＭＰａ时的结果，煤岩组合样仅出示驱动应力为０．２ＭＰａ和０．８ＭＰａ时的结果㊂分析可知，震动波作用引起煤岩应力重新分布，应力传递呈现分区传递特点，即存在应力传递优势面㊂在震动波波速峰值㊁波速变化率较低时，震动波对煤岩介质表２㊀数值模拟参数Ｔａｂｌｅ２㊀Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ试样弹性模量／ＧＰａ泊松比密度／（ｋｇ㊃ｍ－３）屈服强度／ＭＰａ单轴抗压强度／ＭＰａ内摩擦角／（ʎ）黏聚力／ＭＰａ煤样３．４７４０．３２１３２０１７．２５２４．６０１８．５２１３．８９０岩样７．６８３０．２３２５１９４４．９７５０．２７４３．１０１０．６５６图６㊀煤样应力与损伤分布情况Ｆｉｇ．６㊀Ｓｔｒｅｓｓａｎｄｄａｍａｇｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｓｐｅｃｉｍｅｎ没有破坏作用，即震动波对煤岩介质的破坏与损伤存在阈值㊂煤岩体发生破坏的位置同时是单元受拉损伤㊁受压损伤极值位置，因此震动波作用下煤岩体破坏模式为拉压复合破坏㊂无论震动波直接作用在岩石上还是煤上，煤岩组合试件的破坏主要发生在煤体上，说明岩石是能量传播的路径，煤体是能量耗４２１邓志刚等：动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术２０２１年第４期图７㊀岩样应力与损伤分布情况Ｆｉｇ．７㊀Ｓｔｒｅｓｓａｎｄｄａｍａｇｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋｓｐｅｃｉｍｅｎ图８㊀煤－岩样应力与损伤分布情况Ｆｉｇ．８㊀Ｓｔｒｅｓｓａｎｄｄａｍａｇｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｏａｌ－ｒｏｃｋｓｐｅｃｉｍｅｎ５２１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷图９㊀岩－煤样应力与损伤分布情况Ｆｉｇ．９㊀Ｓｔｒｅｓｓａｎｄｄａｍａｇｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋ－ｃｏａｌｓｐｅｃｉｍｅｎ散㊁释放的主体，这也符合冲击地压主要发生在煤层中的事实㊂１．３㊀震动场与煤岩冲击危险性的关联依据采煤工作面和掘进工作面煤岩体破坏失稳主要形式，结合ＳＨＰＢ试验和数值模拟研究结果，煤岩体震动场与冲击危险性的关系总结如下：①震动波是能量传递的载体，震动波所具有的能量超过一定阈值时可引起煤岩破坏，易诱发冲击地压灾害㊂②震动波传递引起应力分布变化，应力传递沿优势面进行㊂随着震动波能量增加，优势面周围易出现煤岩损伤破坏，引起煤岩冲击灾变㊂③当震源位于岩层时，能量传递速度较快，在煤岩界面发生衰减，煤体在震动波作用下发生破坏；当震源位于煤层时，煤体对震动波传递速度相对较慢，能量多耗散在煤层中，主要诱发煤体破坏，对岩层造成的破坏较小㊂２㊀煤岩动㊁静载冲击危险性评价指标考虑动静载作用煤岩冲击危险性评价指标包括应力场相关指标和震动场相关指标，其中静载作用主要表现为应力场的变化，动载作用主要引起震动场的变化㊂２．１㊀应力场冲击危险性评价指标基于煤矿冲击地压应力控制理论［２１］，煤岩体冲击破坏是应力作用的结果，一是取决于应力绝对值大小，二是应力梯度变化㊂因此，建立应力异常指数和应力梯度指数㊂应力异常指数表征一定区域内不同位置应力差异的指标，计算公式为γσ＝σｒ－σｍｉｎσｍａｘ－σｍｉｎˑ１０（１）式中：γσ为应力异常指数；σｒ为监测区域某点应力，ＭＰａ；σｍａｘ㊁σｍｉｎ分别为监测区域内实时应力最大值和最小值，ＭＰａ㊂应力梯度指数是表征一定区域内不同位置应力变化速度差异的指标，计算公式为ｇσ＝ｇσｒ－ｇσｍｉｎｇσｍａｘ－ｇσｍｉｎˑ１０（２）式中：ｇσ为应力梯度异常指数；ｇσｒ为监测区域内某一点的应力场梯度；ｇσｍａｘ㊁ｇσｍｉｎ分别为监测区域内应力最大㊁最小梯度㊂２．２㊀震动场冲击危险性评价指标综上，震动场波速绝对值㊁变化速率对煤岩破坏有显著影响㊂因此，提出表征震动波波速的波速异常指数和表征震动波波速变化速率的波速梯度指数，作为２个基于震动场的冲击危险性动态评价指数㊂波速异常指数表征一定区域内不同位置震动波波速的差异，计算公式为γθ＝θｒ－θｍｉｎθｍａｘ－θｍｉｎˑ１０（３）式中：γθ为波速异常指数；θｒ为监测区域某点震动波６２１邓志刚等：动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术２０２１年第４期波速，ｍ／ｓ；θｍａｘ㊁θｍｉｎ分别为监测区域内震动波波速最大值和最小值，ｍ／ｓ㊂波速梯度指数ｇθ是通过震动场波速变化速率表征煤岩体发生冲击地压的危险程度，计算公式为ｇθ＝ｇθｒ－ｇθｍｉｎｇθｍａｘ－ｇθｍｉｎˑ１０（４）式中：ｇθ为波速梯度异常指数；ｇθｒ为监测区域内某一点的震动波波速梯度；ｇθｍａｘ㊁ｇθｍｉｎ为监测区域内震动波波速最大㊁最小梯度㊂３㊀煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术结合笔者以往研究［２２］和上述研究成果可知，一方面煤岩应力场改变可以直接引起介质中震动波波速变化，且波速变化前的幅值与变化幅度均与应力场大小相关；另一方面，震动场传递会造成煤岩应力场的重新分布㊂因此，考虑动㊁静载作用开展煤岩冲击危险性动态评价关键在于分析震动场－应力场的耦合作用㊂煤炭开采之前，煤岩体处于重力和构造应力组成的原岩应力场之中；开采过程中，煤岩体形成采动应力场；原岩应力场和采动应力场相互作用，煤岩体损伤变形，震动产生，以弹性波的形式向外传播形成震动场㊂冲击地压是原岩应力场㊁采动应力场和震动场综合作用的结果，煤岩体中多场耦合关系如图１０所示㊂图１０㊀煤岩体中多场耦合关系Ｆｉｇ．１０㊀Ｆｉｅｌｄｉｎｃｏａｌｒｏｃｋｍａｓｓａｎｄｉｔｓｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ为了准确描述煤岩体中各种场的关系，从冲击危险性评价角度建立统一数学模型Ｒ（ｔｉ，ｓ；ｍｊ）＝０㊀㊀（ｉ，ｊ＝１，２，３， ）（５）式中：ｔｉ为场的变量，一般情况下有多个，既可以是标量也可以是矢量；ｓ为场的源或者汇，通常只有一个；ｍｊ为煤岩体的物理性质变量，如弹性模量㊁泊松比㊁剪切模量㊁波速等多个变量㊂基于该函数煤岩体中的３种场的冲击危险性评价具体表达式如下：１）原岩应力场为Ｙ（ｈ，ｃ，ｆ；ρ，μ）＝０（６）式中：ｈ为采深；ｃ为地应力；ｆ为体积力；ρ为煤岩体密度；μ为泊松比㊂２）震动场为Ｓ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ，Ｅ，ｆ；ρ，μ）＝０（７）式中：ｘ㊁ｙ㊁ｚ为震源的位置坐标；ｔ为发震时间；Ｅ为震源能量㊂３）采动应力场为Ｆ（ｕ，ｆ；ρ，μ）＝０（８）式中：ｕ为位移㊂３．１㊀原岩应力场与采动应力场（ＲＭ）耦合冲击危险性评价模型㊀㊀原岩应力场冲击危险性评价指标见表３㊂原岩应力场冲击危险性指数定义为Ｒ＝（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）／４（９）其中，Ｒ１㊁Ｒ２㊁Ｒ３㊁Ｒ４为不同评价指标得分㊂原岩应力冲击危险性反映煤岩体自身发生冲击地压的固有属性，其数值大小反映了煤岩体采动后，发生自发型冲击地压的可能性和危险性㊂原岩应力场冲击危险性指数取值与冲击危险等级关系见表４㊂表３㊀原岩应力场冲击危险性评价指标Ｔａｂｌｅ３㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｅｘｓｏｆｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ变量影响因素阈值分值Ｒ１开采深度ｈｈɤ４００ｍ１４００ｍ＜ｈɤ６００ｍ２６００ｍ＜ｈɤ８００ｍ３ｈ＞８００ｍ４Ｒ２向落差大于３ｍ的断层推进的工作面或巷道，工作面或掘进工作面至断层的距离ＬｄＬｄȡ１００ｍ１５０ｍɤＬｄ＜１００ｍ２２０ｍɤＬｄ＜５０ｍ３Ｌｄ＜２０ｍ４Ｒ３向背斜或向斜推进的工作面或巷道，工作面或掘进工作面与之距离ＬｚＬｚȡ５０ｍ１２０ｍɤＬｚ＜５０ｍ２１０ｍɤＬｚ＜２０ｍ３Ｌｚ＜１０ｍ４Ｒ４同一水平煤层冲击地压发生次数ｎｎ＝０１ｎ＝１２２ɤｎ＜３３ｎȡ３４㊀㊀采动应力冲击危险指标包括：应力异常指数和应力梯度指数㊂二者取值与冲击危险等级之间的关系见表５㊁表６㊂７２１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷表４㊀原岩应力场冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ４㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级Ｒɤ１１无１＜Ｒ＜２２弱２ɤＲ＜３３中等Ｒȡ３４强表５㊀应力异常指数冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ５㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｓｔｒｅｓｓａｎｏｍａｌｙｉｎｄｅｘ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级γσɤ１１无１＜γσ＜３２弱３ɤγσ＜５３中等γσȡ５４强表６㊀应力梯度指数冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ６㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｓｔｒｅｓｓｇｒａｄｉｅｎｔｉｎｄｅｘ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级ｇθɤ１１无１＜ｇθ＜３２弱３ɤｇθ＜５３中等ｇθȡ５４强㊀㊀基于原岩应力场与采动应力场耦合的冲击危险性评价模型为ＤＲＭ＝ａ１Ｒ＋ｂ１γσ＋ｃ１ｇσ（１０）㊀㊀其中：ＤＲＭ是原岩应力场与采动应力场耦合的冲击危险性评价指数；ａ１，ｂ１，ｃ１分别为原岩应力场和采动应力场耦合冲击危险性评价权重系数，不同矿井取值不同㊂原岩应力场与采动应力场耦合的冲击危险性指数取值与冲击危险等级之间的关系见表７㊂表７㊀原岩应力场与采动应力场耦合冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ７㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｍｉｎｉｎｇｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级ＤＲＭɤ１１无１＜ＤＲＭ＜３２弱３ɤＤＲＭ＜５３中等ＤＲＭȡ５４强３．２㊀原岩应力场与震动场（ＲＳ）耦合冲击危险性评价模型㊀㊀震动场冲击危险性指标包括：波速异常指数和波速梯度指数㊂二者取值与冲击危险等级之间的关系见表８㊁表９㊂原岩应力场与震动场耦合的冲击危险性评价模型为ＤＲＳ＝ａ２Ｒ＋ｂ２γθ＋ｃ２ｇθ（１１）㊀㊀其中：ＤＲＳ为原岩应力场和震动场耦合的冲击危险性评价指数；ａ２，ｂ２，ｃ２为原岩应力场和震动场耦合冲击危险性评价权重系数，不同矿井取值不同㊂原岩应力场与震动场耦合的冲击危险性指数取值与冲击危险等级之间的关系见表１０㊂表８㊀波速异常指数冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ８㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｏｍａｌｙｉｎｄｅｘ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级γθɤ１１无１＜γθ＜３２弱３ɤγθ＜５３中等γθȡ５４强表９㊀波速梯度指数冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ９㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙｇｒａｄｉｅｎｔｉｎｄｅｘ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级ｇθɤ１１无１＜ｇθ＜３２弱３ɤｇθ＜５３中等ｇθȡ５４强表１０㊀原岩应力场与震动场耦合冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ１０㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｉｎ－ｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级ＤＲＳɤ１１无１＜ＤＲＳ＜３２弱３ɤＤＲＳ＜５３中等ＤＲＳȡ５４强３．３㊀采动应力场与震动场（ＭＳ）耦合冲击危险性评价模型㊀㊀采动应力场与震动场耦合冲击危险性评价模型为ＤＭＳ＝ａ３γσ＋ｂ３ｇσ＋ｃ３γθ＋ｄ３ｇθ（１２）㊀㊀其中：ＤＭＳ为采动应力场与震动场耦合冲击危险性评价指数；ａ３，ｂ３，ｃ３，ｄ３分别为应力异常指数，应力梯度指数，波速异常指数，波速梯度指数的权重系数，不同矿井取值不同㊂采动应力场与震动场耦合的冲击危险性指数取值与冲击危险等级之间的关系见表１１㊂３．４㊀多场耦合（ＲＭＳ）冲击危险性动态评价模型冲击地压发生的本质是煤岩体具有的冲击能量８２１邓志刚等：动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术２０２１年第４期超过围岩吸收能量的极限㊂应力场可以表现煤岩体表１１㊀采动应力场与震动场耦合冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ１１㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｍｉｎｉｎｇｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级ＤＭＳɤ１１无１＜ＤＭＳ＜３２弱３ɤＤＭＳ＜５３中等ＤＭＳȡ５４强未受扰动的地应力场和受采动影响而形成的采动应力场，是煤岩体承受应力的状态量㊂震动场主要表现煤岩体无法承受外部高应力差作用发生损伤破坏，在此过程中以震动形式释放出能量的时空域，可以表现煤岩体积蓄能量的过程㊂冲击地压的不仅发生在高应力区，也发生在煤岩体由低应力区向高应力区转化的过程中，采用煤岩体多场耦合的方法可以充分全面评价监测区域的冲击危险性㊂基于上述对ＲＭ耦合㊁ＲＳ耦合和ＭＳ耦合的冲击危险性评价模型，构建煤岩体多场耦合（ＲＭＳ）冲击危险性动态评价模型㊂冲击危险性指数算法如下Ｄ＝ＤＲＭ＋ＤＲＳ＋ＤＭＳ（１３）多场耦合冲击危险性评价指数Ｄ与冲击危险性等级的对应关系见表１２㊂表１２㊀多场耦合（ＲＭＳ）冲击危险性等级划分标准Ｔａｂｌｅ１２㊀Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｈａｚａｒｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇ阈值冲击危险性评价指数冲击危险等级Ｄɤ５１无５＜Ｄ＜１０２弱１０ɤＤ＜１５３中等Ｄȡ１５４强４㊀工程应用选取典型冲击地压矿井３１１２０２工作面为现场，开展相关应用㊂４．１㊀工作面概况３１１２０２工作面是该矿井１２盘区第２个回采工作面，是首个沿空回采工作面，位于１２盘区北部，为３１１２０１接续工作面，东部以１２盘区辅运大巷为界，西部至１２盘区西部边界，南部为实体煤，北部为正在回采的３１１２０１工作面，保护煤柱宽度６ｍ㊂该工作面采用走向长壁综合机械化一次采全高采煤法，采高５．２５ｍ，工作面倾斜长度２９９ｍ，走向长度３１４０ｍ，全部垮落法管理顶板，两回采巷道采用液压支架进行超前支护㊂工作面布置如图１１所示㊂图１１㊀３１１２０２工作面布置Ｆｉｇ．１１㊀ＬａｙｏｕｔｏｆＮｏ．３１１２０２ｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ经鉴定，３－１煤及其顶底板均具有弱冲击倾向性，３－１煤层冲击危险等级为中等冲击危险㊂３１１２０２工作面所在地层构造形态总体为一向北西倾斜的单斜构造，倾向３００ʎ ３２０ʎ㊁倾角１ʎ ３ʎ，地层产状沿走向及倾向均有一定变化，沿走向发育有宽缓的波状起伏㊂３１１２０２工作面受ＤＦ１９㊁ＤＦ１８㊁Ｆ２２㊁Ｆ２４断层影响较大，其中ＤＦ１９断层影响最为显著，该断层走向长度约１２００ｍ，落差６．５ １０．０ｍ，预计影响３１１２０２工作面走向长度５６０ｍ，对生产过程中的冲击地压灾害影响最大㊂３１１２０２工作面主要断层情况见表１３，３１１２０２工作面煤层顶底板结构特征见表１４㊂表１３㊀３１１２０２工作面断层特征Ｔａｂｌｅ１３㊀ＦａｕｌｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＮｏ．３１１２０２ｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ断层走向／（ʎ）倾向／（ʎ）倾角／（ʎ）性质落差／ｍＤＦ１８３１２４２７０正断层０ ５．０ＤＦ１９２９６２６４９正断层６．５ １０．０Ｆ２２２８５１５３０正断层１．１Ｆ２４３５７９０４６正断层０．３表１４㊀３１１２０２工作面煤层顶底板结构特征Ｔａｂｌｅ１４㊀ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏａｌｓｅａｍｒｏｏｆａｎｄｆｌｏｏｒｉｎＮｏ．３１１２０２ｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ顶底板岩性厚度／ｍ平均厚度／ｍ基本顶细粒砂岩９．２５ １９．７０１５．８４直接顶砂质泥岩２．２８ １２．８５８．５０直接底砂质泥岩４．６９ １２．９９７．６８基本底细粒砂岩５．２１ ２１．４５１４．８２４．２㊀多场耦合冲击危险性动态评价原岩应力场包括重力场和构造应力场，通过地应力测试及三维反演可得到㊂采动应力场通过应力在线监测系统监测得到㊂在３１１２０２回风巷生产帮安设应力在线监测系统，距离开切眼６０ｍ生产帮侧９２１２０２１年第４期煤炭科学技术第４９卷安设第１组应力测点，之后每隔４０ｍ安设一组，共布置１０组，主要监测工作面超前３００ｍ范围内回风巷一侧煤体采动应力分布情况；每组垂直于煤壁施工２个ø４４ｍｍ应力钻孔，孔深分别为１１ｍ和１６ｍ，钻孔间距１ｍ㊂当测点与工作面距离小于３０ｍ时开始回撤，随着工作面回采，测点依次前移，直至回采结束㊂测点布置方案如图１２所示㊂收集了３１１２０２工作面２０１９年５月至１１月的回风巷采动应力监测数据，并进行了分析和应用㊂图１２㊀应力在线监测测点布置Ｆｉｇ．１２㊀Ｌａｙｏｕｔｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｏｉｎｔｓｆｏｒｏｎｌｉｎｅｓｔｒｅｓｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ工作面震动场数据由ＡＲＡＭＩＳＭ／Ｅ微震监测系统监测得到㊂３１１２０２工作面测站布置情况如图１３所示㊂井下布置４台微震拾震器（编号Ｓ９至Ｓ１２）和６个移动式监测探头（编号Ｔ１９至Ｔ２４），地面布置１台编号为Ａ２矿震测站组成联合监测网，对工作面进行全面监测㊂图１３㊀３１１２０２回采工作面微震监测系统测站布置Ｆｉｇ．１３㊀ＡｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏｓｅｉｓｍｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｎＮｏ．３１１２０２ｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ选取３１１２０２工作面回采至距离ＤＦ１９断层１０ｍ时，开始揭露ＤＦ１９断层时以及揭露ＤＦ１９断层２９５ｍ时，３个时间节点３１１２０２工作面超前１５０ｍ范围内的冲击危险性评价情况㊂回采至距离ＤＦ１９断层１０ｍ时，计算原岩应力场冲击危险性指数Ｒ，３－１煤层平均采深６２０ｍ，Ｒ１＝３；工作面距离断层１０ｍ，Ｒ２＝４；工作面前方无背斜或向斜，Ｒ３＝１；该区域未发生过冲击地压，Ｒ４＝１㊂根据式（９）计算得到Ｒ＝２．３㊂按照式（１）㊁式（２）计算得到γσ＝２．３，ｇσ＝３．３㊂３１１２０２工作面最大主应力与水平应力比约为１，取ａ１＝ｂ１＝ｃ１＝０．５，根据式（１０）计算得到ＤＲＭ＝４．０㊂同理计算出，揭露断层时ＤＲＭ＝５．０；揭露断层２９５ｍ时ＤＲＭ＝４．０㊂回采至距离ＤＦ１９断层１０ｍ时，Ｒ＝２．３；根据式（３）㊁（４）计算得到γθ＝３．４，ｇθ＝５．０；工作面最大主应力与水平应力比约为１，取ａ２＝ｂ２＝ｃ２＝０．５，根据式（１１）计算得到ＤＲＳ＝５．４㊂同理计算出，揭露断层时ＤＲＳ＝６．５；揭露断层２９５ｍ时ＤＲＳ＝４．５㊂回采至距离ＤＦ１９断层１０ｍ时，根据式（１）㊁式（２）计算得到γσ＝２．３，ｇσ＝３．３；根据式（３）㊁式（４）计算得到γθ＝３．４，ｇθ＝５．０㊂３１１２０２工作面最大主应力与水平应力比约为１，取ａ３＝ｂ３＝ｃ３＝ｄ３＝０．５，根据式（１２）计算得到ＤＭＳ＝７．０㊂同理计算出，揭露断层时ＤＭＳ＝９．２；揭露断层２９５ｍ时ＤＭＳ＝６．２㊂根据式（１３）计算得到，回采至距离ＤＦ１９断层１０ｍ时Ｄ＝１６．４，具有强冲击危险性；揭露断层时Ｄ＝２０．７，具有强冲击危险性；揭露断层２９５ｍ时Ｄ＝１４．７，具有中等冲击危险性㊂４．３㊀评价结果验证与对比依据３１１２０２工作面回采期间超前工作面３００ｍ范围内微震监测数据㊁钻孔应力监测数据平均值验证评价结果㊂在距离ＤＦ１９断层１０ｍ附近，当天微震释放总能量约为１９３００Ｊ，单次最大能量为７０００Ｊ，微震事件２６次；揭露断层时，当天微震释放总能量约为２２３００Ｊ，单次最大能量约为９０００Ｊ，微震事件１７次；揭露断层２９６ｍ附近，当天微震释放总能量约为７７００Ｊ，单次最大能量约为６０００Ｊ，微震事件６次㊂从微震事件能量㊁频次中可以看出冲击危险性降低㊂在距离断层１０ｍ附近㊁揭露断层附近以及揭露断层２９６ｍ附近选取３个煤层钻孔应力测点，３个测点应力监测数据如图１４所示㊂工作面推进过程中煤层应力数值增加，强冲击危险区域应力始终高于中等冲击危险区域㊂微震和煤层钻孔应力监测数据验证了冲击危险性动态评价结果的合理性㊂图１４㊀煤层钻孔应力监测数据平均值Ｆｉｇ．１４㊀Ａｖｅｒａｇｅｖａｌｕｅｓｏｆｓｔｒｅｓｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａｓｉｎｃｏａｌｓｅａｍ０３１。

煤矿冲击地压的机理及未来的研究方向和治理技术采矿工程摘要：总结和论述了近几十年来国内外在研究煤岩体系发生冲击地压理论方面的进展，冲击地压发生的主要因素和特点，探讨了在冲击机理方面研究的趋势，并对国内外现今所采用的预测和防治措施进行了分析，并提出了防治的方法，展望了今后在预测预报工作和防治措施研究及实践方面的发展方向。

关键词：冲击地压岩石力学预测预报强度刚度能量引言煤矿冲击地压是指在一定条件的高地应力作用下，井巷或回采工作面周围的煤岩体由于弹性能的瞬时释放而产生破坏的矿井动力现象，常伴随有巨大的声响、煤岩体被抛向采掘空间和气浪等现象。

它往往造成采掘空间中支护设备的破坏以及采掘空间的变形，严重时造成人员伤亡和井巷的毁坏，甚至引起地表塌陷而造成局部地震。

1对国内外煤矿冲击地压灾害及其理论研究现状的评述1. 1国内外煤矿冲击地压灾害评述煤矿冲击地压和岩爆是一个世界性的灾害现象。

从1738 年英国的南史塔福煤田发生世界上第一次冲击地压以来，已有260 年的历史了。

其间在世界上发生冲击地压的国家除我国外，还有英国、波兰、法国、德国、俄罗斯、乌克兰、南非、美国、日本等23 个国家和地区。

我国最早记录的冲击地压是1933 年在抚顺胜利矿发生的。

从1933～1996 年的60 多年间，全国共有36 个矿井累计发生过4 000 余次破坏性的冲击地压，造成400 多人死亡，200多人受重伤，破坏巷道20 km 之多，其经济损失十分严重。

1. 2冲击地压理论研究现状的评述南非于1915 年就建立了南非矿山冲击委员会，对煤和金属矿的冲击地压进行研究。

西德于20 世纪50 年代初就开始冲击地压的研究工作，并且成功地采用了钻孔卸压措施来防治煤矿井下发生的冲击地压[。

前苏联的全苏矿山测量科学研究院也制定了《有冲击地压危险煤层的矿井的采矿工程施工安全规程》。

在美国主要采用的方法有煤层掏槽、钻孔卸压、卸压爆破和煤层注水等。

我国对冲击地压的研究是从60 年代才开始的，主要是由一些有严重冲击地压的局矿在生产实践中加以探索。

基于近场动力学方法的玻璃板冲击破坏数值模拟研究
李松波;王志良;申林方;华涛;李泽
【期刊名称】《振动与冲击》
【年(卷),期】2024(43)8
【摘要】基于近场动力学方法,考虑刚体冲击作用下材料损伤发生断裂破坏影响,建立了刚球冲击玻璃板的三维数值计算模型,并结合Kalthoff-Winkler试验,验证了计算模型的有效性。

最后,探究了刚球初始冲击速度、刚球直径和玻璃板厚度等因素,对玻璃板的冲击破坏结构形态演化以及裂纹扩展机制的影响。

研究结果表明,当初始冲击速度较小时,玻璃板裂纹表现为辐射状,随着冲击速度的增加,环向裂纹出现并逐渐形成复杂的裂纹网络。

同时,玻璃板的裂纹长度和裂纹占比均随初始冲击速度的增加而增大,且近似呈线性关系。

随着刚球直径的增加,其与玻璃板的接触范围扩大,致使玻璃板的损伤程度加剧,且更易形成结构复杂的裂纹网络。

此外,增加玻璃板的厚度会延长冲击持续时间,使得玻璃板承受更大的冲击能,从而导致板厚较小时局部结构损伤严重,但整体影响范围较小;而板厚较大时结构损伤的影响范围扩大,局部损伤则有所减弱。

【总页数】9页(P294-302)
【作者】李松波;王志良;申林方;华涛;李泽
【作者单位】昆明理工大学建筑工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU524
【相关文献】
1.冰球冲击试验的近场动力学方法数值模拟
2.基于键基近场动力学理论的单裂纹圆孔板冲击破坏研究
3.基于近场动力学的单晶冰弹性各向异性数值模拟方法
4.基于近场动力学方法的泡沫混凝土单轴拉伸三维数值模拟
5.基于近场动力学的落锤冲击PVB夹层玻璃数值模拟
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综放顶煤变形破碎特征研究以“综放顶煤变形破碎特征研究”为题，近年来，综放顶煤变形破碎特征的研究受到了越来越多的关注。

综放顶煤的变形破碎特征对于钻井过程的把控与安全有着重要的意义。

研究综放顶煤变形破碎特征，有助于更好地了解综放顶煤的矿山支护措施。

综放顶煤变形破碎特征可以概括为三种类型：变形、破碎和聚集。

变形特征是指综放顶煤在受力作用时表现出的改变，例如破裂、屈曲、弯曲、压缩等。

破碎特征是指综放顶煤在受力作用时发生的破裂状况，尤其是非均质结构。

聚集特征是指综放顶煤的受力作用下形成断层的聚集特征，断层的发育和位置可以反映出综放顶煤的变形破碎特征。

有关综放顶煤变形破碎特征研究，各种研究方法已经遍及。

在实验室，综放顶煤变形破碎特征的实验研究主要是压缩试验、屈服试验、塑性试验和劈裂试验等。

模拟试验在及时、准确反映实际矿山不可替代的地位，常用的模拟试验方法有地质模型试验、岩土模型试验、围岩试验和对比试验等。

此外，借助影像技术和数据处理技术，利用现场实测数据和线性及非线性数值模型，也可以获取综放顶煤变形破碎特征。

随着采矿技术的不断改进，建立精准的综放顶煤变形破碎特征模型已经成为可能。

有关综放顶煤变形破碎特征研究，可以通过建立变形破碎模型，建立数值模型分析，以及研究变形破碎机理，来评估综放顶煤变形破碎特征的发育情况。

在实践中，可以实施支护设计、岩体稳定性研究以及压力测试等，以分析综放顶煤变形破碎特征。

综放顶煤变形破碎特征的研究为矿山的安全与永续发展提供了重要的参考，研究综放顶煤变形破碎特征，有助于更好地了解综放顶煤矿山支护措施，促进综放顶煤矿山的安全高效开采。

总之，综放顶煤变形破碎特征研究具有重要的应用价值，将有助于提升钻井把控的安全性，以及更好地了解综放顶煤的变形破碎特征，进而提高钻井技术的水平。

只有确定准确的综放顶煤变形破碎特征，充分深入地了解钻井环境，才能实现安全可靠的采矿行为。

力学中的材料损伤与断裂行为研究材料在受到外力作用时，往往会出现各种形式的损伤和断裂行为。

这些损伤与断裂行为对于材料的稳定性和性能起着重要的影响。

因此，力学中的材料损伤与断裂行为研究成为了一个具有重要意义的领域。

一、材料损伤行为的研究材料在受到外力作用时，会出现各种类型的损伤，比如裂纹、疲劳断裂等。

研究材料损伤行为的目的是了解材料在应力加载下的破坏机理，进而寻找损伤的形成和发展规律，为工程设计和实际应用提供依据。

1.1 裂纹扩展行为的研究裂纹扩展是材料损伤中的常见现象。

在实验研究中，通过对材料中存在的裂纹进行观察和测量，可以获得裂纹扩展的速率和路径。

这些数据对于材料的使用寿命预测和工程结构的安全评估具有重要意义。

1.2 疲劳断裂行为的研究疲劳断裂是材料在交变应力作用下的一种特殊形式的断裂行为。

通过对材料的疲劳寿命进行研究，可以得到材料的疲劳特性曲线和疲劳寿命方程，为材料的设计与使用提供依据。

二、材料断裂行为的研究材料在受到极限载荷或过载荷作用时，会出现断裂行为。

研究材料的断裂行为有助于了解材料的强度和韧性，为工程结构的设计和评估提供科学依据。

2.1 静态断裂行为的研究静态断裂是指在静态加载下，材料发生破坏的行为。

通过研究材料的静态断裂韧性，可以评估材料的抗拉强度和韧性，为工程设计提供可靠性保证。

2.2 冲击断裂行为的研究冲击断裂是指在高速冲击或冲击加载下，材料发生破坏的行为。

研究材料的冲击断裂行为对于一些特殊工况下的工程应用具有重要意义，比如飞机起落架的冲击性能等。

三、材料损伤与断裂行为的数值模拟为了更好地理解材料损伤与断裂行为，实验研究和数值模拟相互结合成为了一种常见的研究手段。

基于材料力学理论和数值计算方法，通过建立合适的模型和边界条件，可以对材料损伤和断裂行为进行预测和分析。

数值模拟结果可以辅助实验研究，帮助研究人员更好地理解材料的行为。

综上所述，力学中的材料损伤与断裂行为研究对于我们深入了解材料的性能、研发新型材料以及保障工程结构的安全性具有重要意义。

材料的疲劳与断裂行为研究疲劳与断裂行为是材料科学与工程领域的重要研究方向之一。

疲劳是材料在循环加载下的损伤和失效过程，而断裂是在承受外力作用下材料的破裂过程。

研究材料的疲劳与断裂行为对于制定合理的材料设计和工程应用具有重要意义。

1. 引言材料的疲劳与断裂行为是由内在的微观结构和外部环境因素共同决定的。

了解材料的疲劳断裂机制以及其对材料性能和使用寿命的影响，对于材料的可靠性和安全性具有重要意义。

2. 材料疲劳行为研究2.1 疲劳寿命预测疲劳寿命预测是研究材料疲劳行为的重要方法。

通过建立疲劳寿命预测模型，可以评估材料在不同循环载荷下的寿命。

常用的疲劳寿命预测方法包括应力寿命曲线和损伤累积规律等。

2.2 循环载荷下的损伤行为在循环载荷下，材料内部会产生损伤积累，导致疲劳失效。

损伤行为的研究有助于了解材料的疲劳机制。

常见的损伤行为包括微裂纹扩展、晶界滑移等。

3. 材料断裂行为研究3.1 断裂力学理论断裂力学理论是研究材料断裂行为的重要工具。

通过断裂力学理论的应用，可以预测材料在受力下的断裂行为，并对材料的断裂强度进行评估。

3.2 断裂韧性的研究断裂韧性是衡量材料抵抗断裂的能力。

通过研究材料的断裂韧性，可以评估材料在应力集中区域的抗裂纹扩展能力。

常见的断裂韧性测试方法包括冲击试验和拉伸试验等。

4. 材料的疲劳与断裂行为相互关系研究疲劳和断裂行为之间存在着密切的相互关系。

材料的疲劳行为会影响其断裂行为，而材料的断裂行为又会影响其疲劳寿命。

因此，研究材料的疲劳与断裂行为之间的相互关系，对于理解材料的整体性能和应用具有重要意义。

5. 结论疲劳与断裂行为是材料科学与工程中的重要研究方向。

通过研究材料的疲劳与断裂行为，可以为材料设计和工程应用提供有价值的参考。

未来的研究中，需要进一步深入研究材料的疲劳与断裂机制，提高材料的疲劳强度和断裂韧性，以满足不同工程领域对材料性能的需求。

参考文献：[1] Smith J, Zhang Y. Fatigue crack growth prediction[J]. International Journal of Fatigue, 1990,12(2):159-169.[2] Rice J R. A path independent integral and the approximate analysis of strain concentration by notches and cracks[J]. Journal of Applied Mechanics, 1968,35(2):379-386.[3] Lawn B R. Fracture of brittle solids[M]. Cambridge University Press, 1993.。

煤的冲击倾向性研究进展及冲击地压“人-煤-环”三要素机理宫凤强;赵英杰;王云亮;彭康【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2022(47)5【摘要】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冲击地压危险程度的主要依据之一。

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。

对现有的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。

对来自5个煤矿的30个煤样进行了单轴压缩试验,利用试验结果对16种冲击倾向性指数进行了计算,获得了具体的冲击倾向性类别。

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。

根据冲击地压属于深部工程地质灾害的特点,借鉴系统工程学思想提出了冲击地压“人-煤-环”三要素机理,进一步明确了煤的冲击倾向性研究所起的作用和地位。

从力学性质和材料性质2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。

【总页数】37页(P1974-2010)【作者】宫凤强;赵英杰;王云亮;彭康【作者单位】东南大学土木工程学院;东南大学苏州联合研究生院;中南大学资源与安全工程学院【正文语种】中文【中图分类】TD324【相关文献】1.冲击倾向性煤层Z形煤柱诱发冲击地压机理研究2.赵庄煤矿煤巷掘进冲击地压产生机理与测控技术研究3.厚硬冲击煤层宽煤柱诱发冲击地压机理及防治4.深井不等宽断层煤柱诱发冲击地压机理研究5.冲击倾向性煤岩动静载下破坏机理及声发射特性研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。