有關(guān)承載圍巖多參數(shù)響應(yīng)理論與試驗(yàn)研究已取得一些重要成果，許多學(xué)者對(duì)承載圍巖的物理力學(xué)特性、損傷演化模型、能量表征方法及原位改性對(duì)圍巖多參數(shù)的響應(yīng)特征等展開了研究并指導(dǎo)了工程實(shí)踐，然而改性調(diào)控減沖機(jī)理是實(shí)現(xiàn)沖擊地壓科學(xué)防治和開展防治效果評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。煤巖材料的強(qiáng)度高低決定了其儲(chǔ)能多少，強(qiáng)度和變形非線性協(xié)同變化，能量轉(zhuǎn)換又體現(xiàn)在變形過程中，“強(qiáng)度-變形-能量”三者之間如何關(guān)聯(lián)？如何因地制宜地開展改性調(diào)控，形成智能開采新局面？ 目前未見有關(guān)學(xué)者開展關(guān)聯(lián)指標(biāo)，溝通起三者的內(nèi)在聯(lián)系并指導(dǎo)沖擊地壓改性調(diào)控。

考慮到強(qiáng)度表征抵抗塑性變形和斷裂的能力，而韌性反映斷裂前吸收能量的能力。因此，聚焦圍巖能量自主轉(zhuǎn)化需求，在復(fù)刻裂紋擴(kuò)展全過程的基礎(chǔ)上開展改性調(diào)控，來興平教授團(tuán)隊(duì)基于傳統(tǒng)的承載圍巖能量演化過程，提出將韌性理念引入到?jīng)_擊地壓防治研究領(lǐng)域。從其致災(zāi)機(jī)制方面，結(jié)合圍巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線，探究在改性措施下的承載圍巖能量協(xié)同高效轉(zhuǎn)化方式并構(gòu)建韌性調(diào)控評(píng)價(jià)模型。構(gòu)建的“四因素”能量調(diào)控評(píng)估模型和韌性調(diào)控體系，可有效實(shí)現(xiàn)圍巖能量的可控轉(zhuǎn)化，為韌性型沖擊地壓防治工程提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

采動(dòng)圍巖能量系統(tǒng)協(xié)同演化與韌性調(diào)控減沖評(píng)估體系構(gòu)建研究

張 帥 來興平 曹建濤 辛 暢 張 文

（西安科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院；教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

摘 要：目前以能量轉(zhuǎn)換為理論基礎(chǔ)的沖擊地壓形成機(jī)理被眾多學(xué)者所廣泛接受，通過研究不同改性調(diào)控措施能量演化全過程響應(yīng)規(guī)律，可為針對(duì)性研究調(diào)控減沖機(jī)理，進(jìn)而提出適配調(diào)控方法提供有效途徑。首先構(gòu)建室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)圍巖跨尺度關(guān)聯(lián)全過程能量演化理論基礎(chǔ)。其次，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)常用的注水軟化與鉆孔卸壓防治方法，遵循工程簡(jiǎn)化邏輯并過渡到實(shí)驗(yàn)室層面，揭示調(diào)控聯(lián)動(dòng)響應(yīng)機(jī)制。最后，考慮煤巖自身能量演化規(guī)律與能量調(diào)控系統(tǒng)的協(xié)同性，引入韌性理念建立能量調(diào)控減沖新方法，并結(jié)合案例分析。研究結(jié)果表明：①承載試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線與能量演化曲線具有顯著共性特征，均經(jīng)歷了初始?jí)簩?shí)、彈性變形、塑性變形、屈服破壞和破壞后期5個(gè)階段；且注水卸壓和鉆孔卸壓均能顯著影響試樣力學(xué)參數(shù)，自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)試樣相較于完全干燥狀態(tài)試樣，注水平均峰值強(qiáng)度分別降低28.7%和34.4%，平均峰值應(yīng)變分別降低了21.5%和19.0%；小孔徑和大孔徑試樣相較于自然完整狀態(tài)試樣，鉆孔平均峰值強(qiáng)度分別降低13.1%和24.8%，平均峰值應(yīng)變分別減小了5.0%和增大了226.1%。②研究表明，采動(dòng)圍巖能量系統(tǒng)可視為以荷載（應(yīng)力）與結(jié)構(gòu)（應(yīng)變）為協(xié)同變量的整體系統(tǒng)，其在采動(dòng)過程中的演化遵循能量守恒規(guī)律，深部煤巖體失穩(wěn)災(zāi)變實(shí)質(zhì)上是系統(tǒng)能量演化失衡的結(jié)果。③明確了沖擊地壓災(zāi)變過程的階段性特征，并針對(duì)不同調(diào)控措施的能量響應(yīng)差異，提出了自適應(yīng)能量調(diào)控策略。構(gòu)建的“四因素”能量調(diào)控評(píng)估模型和韌性調(diào)控體系，可有效實(shí)現(xiàn)圍巖能量的可控轉(zhuǎn)化，為韌性型沖擊地壓防治工程提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：采動(dòng)圍巖 能量系統(tǒng) 協(xié)同演化 韌性調(diào)控 減災(zāi)評(píng)估

圍巖能量演化共性特征

采動(dòng)影響會(huì)打破深部煤巖體初始狀態(tài)的能量平衡。即開挖后形成了具有臨空面性質(zhì)的空間，導(dǎo)致其承載結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，相應(yīng)地隨即同步產(chǎn)生荷載的轉(zhuǎn)移。而在荷載轉(zhuǎn)移路徑中，初始完整結(jié)構(gòu)會(huì)通過形成非連續(xù)損傷結(jié)構(gòu)的方式，從而不斷優(yōu)化承載結(jié)構(gòu)，擬借助于荷載轉(zhuǎn)移和結(jié)構(gòu)優(yōu)化這2種方式，對(duì)采動(dòng)煤巖體能量系統(tǒng)做出響應(yīng)，最終來達(dá)到采動(dòng)煤巖體能量系統(tǒng)相對(duì)平衡狀態(tài)，否則會(huì)通過沖擊地壓顯現(xiàn)與否（能量釋放迅速對(duì)應(yīng)沖擊地壓顯現(xiàn)、能量釋放緩慢對(duì)應(yīng)沖擊地壓不顯現(xiàn)）的方式來對(duì)能量狀態(tài)進(jìn)行綜合調(diào)控。

深部采動(dòng)煤巖體能量失穩(wěn)災(zāi)變過程

典型試驗(yàn)結(jié)果

綜合不同含水率條件下的能量演化曲線可以看出，能量特征隨應(yīng)力應(yīng)變曲線的不同階段（包括壓密階段、彈性階段、屈服階段和破壞階段）表現(xiàn)出顯著的階段性變化規(guī)律。不同含水狀態(tài)對(duì)能量演化特征產(chǎn)生了明顯影響：在干燥狀態(tài)下，試樣的耗散能量密度在經(jīng)歷下降拐點(diǎn)后呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)，表明其破壞過程中能量釋放較為漸進(jìn)；而在自然含水狀態(tài)與飽水狀態(tài)下，耗散能量密度在明顯下降之后則迅速回升。

（a）干燥狀態(tài)下試樣能量密度曲線

（b）飽水狀態(tài)下試樣能量密度曲線

不同含水狀態(tài)試樣單軸條件下應(yīng)力、應(yīng)變與能量密度的關(guān)系

通過分析能量演化曲線，可以發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力應(yīng)變曲線不同階段的推進(jìn)（包括壓密階段、彈性階段、屈服階段和破壞階段），不同孔徑條件下試樣的能量成分表現(xiàn)出相應(yīng)的變化規(guī)律：在小孔徑狀態(tài)下，試樣的彈性能量密度曲線明顯高于總應(yīng)變能曲線，在自然和大孔徑狀態(tài)下，彈性能量密度曲線則低于總應(yīng)變能曲線。

（a）小孔徑狀態(tài)下試樣能量密度曲線

（b）大孔徑狀態(tài)下試樣能量密度曲線

不同鉆孔狀態(tài)試樣單軸條件下應(yīng)力、應(yīng)變與能量密度的關(guān)系

改性能量調(diào)控機(jī)制

“先釋放+后弱化”注水軟化改性能量調(diào)控機(jī)制。飽水狀態(tài)與干燥狀態(tài)相比，試樣在單軸壓縮試驗(yàn)中的應(yīng)力應(yīng)變曲線整體呈現(xiàn)左移和壓縮的趨勢(shì)。這一現(xiàn)象的原因在于水分子滲入裂隙中，削弱了顆粒之間的凝聚力，從而導(dǎo)致試樣軟化，進(jìn)而降低了峰值強(qiáng)度和彈性模量，表現(xiàn)為力學(xué)性能的整體減弱。但由于堅(jiān)硬巖層的特殊性質(zhì)，其依然保持脆性破壞特征，因此峰值應(yīng)變與含水率之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。然而，試樣脆性降低的同時(shí)，也減少了屈服破壞階段的比例，這增加了現(xiàn)場(chǎng)工程預(yù)測(cè)的難度和風(fēng)險(xiǎn)。

“先釋放+后引導(dǎo)”鉆孔卸壓改性能量調(diào)控機(jī)制。在小孔徑、大孔徑與未鉆孔的完整試樣相比，鉆孔明顯降低了孔洞試樣的峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變。從應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰前階段來看，孔洞試樣在峰前儲(chǔ)存的彈性能量較少，這與沖擊地壓治理中的卸壓（釋放能量）策略相一致。然而，鉆孔過程人為地形成了弱面，降低了材料的儲(chǔ)能閾值，同時(shí)由于試樣的脆性特征，導(dǎo)致峰后破壞能量急劇減少，從而加劇了破壞的劇烈程度。在特定條件下，這種現(xiàn)象可能促使能量快速釋放，從而表現(xiàn)為沖擊地壓的發(fā)生，這與沖擊地壓治理的初衷并不完全一致。

韌性沖擊評(píng)估模型

圍巖能量調(diào)控全過程涉及載荷與變形協(xié)同演變，即調(diào)控過程性策略與能量調(diào)控結(jié)論具有較好的對(duì)應(yīng)性，亟需開展能量調(diào)控聯(lián)動(dòng)表征指標(biāo)，建立起調(diào)控策略與調(diào)控效果的聯(lián)系，直接反映出調(diào)控響應(yīng)機(jī)制。結(jié)合逆向分析的方法，設(shè)計(jì)了基于能量調(diào)控的沖擊地壓改性能量調(diào)控策略：

（1）峰值前期的低魯棒性由能量?jī)?chǔ)存系數(shù)反映；

（2）峰前峰后的高適應(yīng)性體現(xiàn)為能量轉(zhuǎn)化系數(shù)的提升；

（3）峰值后期的中等恢復(fù)性可由能量吸收系數(shù)表征；

（4）承載曲線的全階段性由結(jié)構(gòu)修正系數(shù)刻畫。

將綜合調(diào)控理念引入到?jīng)_擊地壓領(lǐng)域分析過程中，有助于在沖擊地壓鏈?zhǔn)街聻?zāi)機(jī)制的基礎(chǔ)上，明確綜合調(diào)控貫穿沖擊地壓形成的全過程，也為工程視角沖擊地壓預(yù)警與防治提供了強(qiáng)有力的理論依據(jù)。最終，明確在利用復(fù)雜沖擊地壓致災(zāi)系統(tǒng)自適應(yīng)能力的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確拾取孕災(zāi)信號(hào)，及時(shí)對(duì)沖擊地壓能量演化全過程進(jìn)行調(diào)控。因此，在更精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)前提下，及時(shí)采用卸壓調(diào)控措施，充分利用沖擊地壓系統(tǒng)自適應(yīng)能量耗散方式，提高自適應(yīng)能量閾值，從而避免能量的快速釋放顯現(xiàn)。

結(jié) 論

（1）承載試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線與能量演化曲線表現(xiàn)出顯著的共性特征，均經(jīng)歷了初始?jí)好?、彈性變形、塑性變形、屈服破壞以及破壞后期等階段。注水卸壓和鉆孔卸壓處理均能顯著影響試樣的力學(xué)參數(shù)。當(dāng)試樣分別為完全干燥狀態(tài)、自然狀態(tài)和飽水狀態(tài)，相較于完全干燥狀態(tài)的試樣，平均峰值強(qiáng)度分別降低了28.7%和34.4%；平均峰值應(yīng)變分別降低了21.5%和19.0%；平均彈性模量分別降低了53.7%和67.9%。此外，當(dāng)試樣孔洞直徑分別為自然狀態(tài)、小孔徑和大孔徑時(shí)，相較于自然完整狀態(tài)的試樣，平均峰值強(qiáng)度分別降低了13.1%和24.8%；平均峰值應(yīng)變分別減小了5.0%和增大了226.1%；平均彈性模量分別降低了35.5%和46.5%。

（2）采動(dòng)影響會(huì)打破深部煤巖體初始狀態(tài)的能量平衡。即開挖后形成了具有臨空面性質(zhì)的空間，導(dǎo)致其承載結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，相應(yīng)地隨即同步產(chǎn)生荷載的轉(zhuǎn)移。而在荷載轉(zhuǎn)移路徑過程中，初始完整結(jié)構(gòu)會(huì)通過形成非連續(xù)損傷結(jié)構(gòu)的方式，從而不斷優(yōu)化承載結(jié)構(gòu)，擬借助于荷載轉(zhuǎn)移和結(jié)構(gòu)優(yōu)化這兩種方式，對(duì)采動(dòng)煤巖體能量系統(tǒng)做出響應(yīng)，最終來達(dá)到采動(dòng)煤巖體能量系統(tǒng)相對(duì)平衡狀態(tài)，否則會(huì)通過沖擊地壓顯現(xiàn)與否的方式來對(duì)能量狀態(tài)進(jìn)行綜合調(diào)控。

（3）對(duì)比分析了不同能量調(diào)控措施下系統(tǒng)各階段的差異性，進(jìn)一步解釋了“先釋放+后弱化”注水軟化措施能量調(diào)控機(jī)制、“先釋放+后引導(dǎo)”孔洞卸壓措施能量調(diào)控機(jī)制。將韌性調(diào)控理念引入到?jīng)_擊地壓領(lǐng)域分析過程中，有助于在沖擊地壓鏈?zhǔn)街聻?zāi)機(jī)制的基礎(chǔ)上，明確綜合調(diào)控貫穿沖擊地壓形成的全過程，也為工程視角沖擊地壓預(yù)警與防治提供了強(qiáng)有力的理論依據(jù)。

（4）需要注意的是，按照上述理念，承載煤巖體作為一個(gè)能量系統(tǒng)整體，其自身具有韌性閾值，一般以其屈服強(qiáng)度為臨界值?，F(xiàn)場(chǎng)改性調(diào)控措施往往是起到更好的發(fā)揮韌性作用的效果，據(jù)此將能量的發(fā)展路徑合理控制在可控范圍內(nèi)。

引用格式

張帥,來興平,曹建濤,等.采動(dòng)圍巖能量系統(tǒng)協(xié)同演化與韌性調(diào)控減沖評(píng)估體系構(gòu)建研究[J/OL].金屬礦山,1-13[2025-06-06].http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1055.TD.20250605.1402.002.html.

作者簡(jiǎn)介

張 帥

講師，博士后，合作導(dǎo)師來興平教授。主要從事沖擊地壓韌性防控與深地智能巖石力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的研究。獲評(píng)西安科技大學(xué)2023年度校級(jí)優(yōu)秀博士學(xué)位論文，先后主持或參與國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，陜西省“三秦博創(chuàng)”人才支持項(xiàng)目，陜西省博士后科研項(xiàng)目，教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題以及國(guó)家能源集團(tuán)等企業(yè)委托橫向課題多項(xiàng)。近年來，以第一作者或者通訊作者身份，發(fā)表SCI/EI索引論文共11篇，獲中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)、陜西省教育廳優(yōu)秀成果、中國(guó)安全生產(chǎn)協(xié)會(huì)等省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)共6項(xiàng)。

《金屬礦山》簡(jiǎn)介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國(guó)金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國(guó)工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國(guó)科技核心期刊）、中國(guó)精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國(guó)百強(qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國(guó)期刊方陣雙百期刊、國(guó)家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國(guó)化學(xué)文摘（CA）、美國(guó)劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測(cè)量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國(guó)家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國(guó)科技信息研究所發(fā)布的《2024中國(guó)科技期刊引證報(bào)告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國(guó)知網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

供稿：曾文旭

編排：戴穎熠

審核：王小兵

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