煤矿动力灾害广义三因素机理探讨.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 移动扫码阅读 李海涛，齐庆新，赵善坤，等煤矿动力灾害广义“三因素”机理探讨煤炭科学技术，，（） ， ， ， “ ” ，，（） 煤矿动力灾害广义“三因素”机理探讨 李海涛，，齐庆新，，赵善坤，，李宏艳，，舒龙勇，，陈理强 （煤炭科学研究总院 深部开采与冲击地压防治研究院，北京 ；煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 ，北京 ； 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 ；山东科技大学，山东 泰安 ） 摘 要目前煤矿动力灾害的机理类研究多基于单一要素开展，由此获得的结论具有相对独立性，进 而使得动力灾害研究呈现出复杂化的趋势。 为回归其弹性能大量积聚和剧烈释放的本质，增强相关 研究的关联性，以弹性能积聚为线索，通过常识推理提出了煤矿动力灾害形成的基本逻辑，包括持续 的能量补给；保证能量形式为弹性能的介质属性；能够使弹性能积聚至致灾量级且可以失效的制约机 制，并指出，“能量源”包括稳定和偶发 种形式，前者来自开采卸荷后的等效加载作用，后者来自动 载扰动；“介质属性”狭义上指物质种类，但对于冲击倾向性、渗透性等受限于细观结构的属性同样纳 入本概念中；制约机制则是弹性能积聚至致灾量级并产生剧烈释放的关键，以结构面和块体组合为具 体形式，是实现人为干预防灾的切入点。 并将其分别概括为“力源因素”、“物性因素”和“结构因 素”，其中，物性因素是一切行为的基础，力源因素与结构因素具有密切的互馈作用，据此提出了广义 “三因素”机理，给出了其潜在应用场景及未来研究方向。 关键词动力灾害；冲击地压；煤与瓦斯突出；广义“三因素” 中图分类号 文献标志码 文章编号（） “ ” ，， ，， ，， ，， ，， （ ， ， ，； ， ，； ， ， ，； ， ，） 收稿日期；责任编辑曾康生 基金项目国家重点研发计划基金资助项目（，）；国家自然科学基金青年基金资助项目（，） 作者简介李海涛（），男，山东菏泽人，副研究员，博士。 ， ， ， ， ， ， ， ； ； “ ” ， ； ，“ ” ， ， ； ， ， “ ”，“ ” “ ” ， ， ， “ ” ， ；； ；“ ” 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 李海涛等煤矿动力灾害广义“三因素”机理探讨 年第 期 引 言 煤矿深部开采及其带来的挑战已成为无法回避 的新常态。 其中，冲击地压、煤与瓦斯突出以其复杂 的形成机制和剧烈的破坏特征，成为威胁煤矿安全 生产最为主要的动力灾害形式。 自 年英国 南史塔福煤田首次发生冲击地压、 年法国鲁阿 雷煤田首次发生煤与瓦斯突出以来，包括我国在内 的多个主要采煤国家，在煤矿动力灾害（指冲击地 压、煤与瓦斯突出）防控方面持续投入了大量资源， 而机理研究作为有效防控的根本前提，更是各国学 者关注的重点，配合着措施执行装备的强化，动 力灾害防控实践取得了令人瞩目的成就。 但煤、岩介质具有极为复杂的天然构造和赋存 状态，而采掘活动又在此基础上增加了人工结构 （井巷、采空区及其空间组合等）和动态特征，同时， 煤岩系统作为统一整体，发生在其内部的任何具体 现象，天然受到系统内多种因素的综合影响。 由此， 使得目前在动力灾害危险性评估 评价、监测数据分 析、防控措施设计等方面，仍存在经验依赖性强、现 场针对性弱的短板。 而构建逻辑清晰且具有较好兼 容性的动力灾害认知体系则是解决上述问题的前 提。 由于气体参与下突出的破坏特征与冲击地压存 在明显差异，实际研究中更多将 种灾害区别对待， 但从力学角度而言， 种灾害均发生在由开采形成 的“矿体围岩”系统之中，其宏观尺度的基本力学 模型并未因破坏特征不同而有所区别，即使进 入细观尺度， 种灾害的研究也都围绕裂隙的发育 展开，而不论是卸荷加载还是气体压力，其在灾害中 的基本作用均体现为介质变形和裂隙发育。 由 此，在求同存异的原则下，将此 种灾害的研究成果 进行二次梳理，以获得抽象程度更高、更接近于本质 的动力灾害认知将具备合理性和可行性。 为此，需将“矿体围岩”系统具体化首先，必 然需要考虑介质的物理力学等固有属性；其次，矿 体、围岩在工程尺度以块体组合的形式存在，进而涉 及结构问题；最后，原岩应力和开采活动将为具体力 学行为的发生提供动力。 而类似概念，在齐庆新 提出的冲击地压“三因素”理论中已经有所阐述，即 内在因素（煤岩的冲击倾向性）、结构因素（具有软 弱结构面和易于引起突变滑动的层状界面）和力源 因素（高度的应力集中或高变形能的贮存与外部的 动态扰动），三者的相互作用是导致冲击地压发生 最为主要的原因。 该理论将冲击地压的发生机理明 确到了具体的要素和逻辑上，对于防控工作具有切 实的指导作用。 而煤与瓦斯突出中的“综合作用假 说”，也提出了包括地应力、瓦斯和煤的物理力学性 质在内的“三要素”概念。 但上述理论均面向单一 灾害，导致各自概念的兼容性有限，但鉴于上述概念 较好的可扩展性，有必要在煤矿动力灾害泛化研究 的视角下实现上述认知的统一。 基于此，笔者在不拘泥于冲击地压和煤与瓦斯 突出概念的前提下，从介质属性、荷载应力、裂隙发 育、变形破坏等更为一般化的概念出发，以分析煤岩 物理力学行为本源的方式，对煤矿动力灾害形成机 理进行了更为泛化的探讨，在符合已有共识的前提 下，提出了煤矿动力灾害广义“三因素”机理，明确 了其内涵逻辑、力学模型等基本要素，并给出了其潜 在应用场景和未来研究方向，为最终形成具有切实 指导作用的煤矿动力灾害防控端理论体系做出了有 益的探索。 煤矿动力灾害孕育及发生的基本逻辑 为实现回归本源的目的，相关结论应具有尽可 能少的前置条件以强化其普适性，因此，首先采用常 识性推理的方法对煤矿动力灾害的基本逻辑进行梳 理。 对于煤矿动力灾害，其最为关键的特征即突发 性和破坏性。 其中，突发性是其动力特征的描述，暗 示着状态突变机制的存在；而破坏性则来自大量煤 岩介质的高速抛出，是称其为“灾害”的依据。 以此 为线索反推大量介质高速抛出时的主要能量形式 为动能，该部分动能显然来自抛出前的势能转化，而 转化效率则以弹性势能（弹性变形能）为最。 因此， 动力灾害的发生势必以大量的弹性能有效积聚为前 提，该结论在行业内具有广泛的共识。 以大量弹性能有效积聚为切入点，为达到该状 态，需遵守以下常识性逻辑必然存在持续的能量 补给源头；必然需要依赖于介质的某些属性以保 证主体能量形式为弹性变形能；必然存在某种制 约机制以保证弹性能积聚至失稳致灾的量级；制 约机制必然会在特定条件下突然失效，形成大量弹 性能以剧烈释放。 为更加直观地解释上述逻辑，可将其归纳为 “气球”模型以持续注入气体使气球爆炸为目的， “持续注入气体”对应逻辑过程；整个过程“气球” 应保持足够弹性，对应逻辑过程；注入过程中需要 卡紧注气入口，且不能有过度的“气体泄漏”，对应 逻辑过程制约机制的存在，以及弹性能积累速度 应大于能量耗散速度的前提；当“气体”注入量达到 “气球”极限，或者在未达到极限之前外部出现“针 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 刺”等行为，则气球爆炸，对应逻辑过程达到制约 机制自身极限或出现外部扰动，破坏了平衡状态导 致弹性能大量急剧释放，形成灾害，其流程如图 所示。 图 动力灾害泛化研究基本逻辑 持续能量源的形式及作用机制 对冲击地压而言，能量源形式可以是较大的埋 深、悬臂的顶板、地质运动形成的构造等，总体以造 成煤岩介质发生变形为特征；而对于煤与瓦斯突出， 在上述形式的基础上，不断解吸的瓦斯也能够在特 定条件下形成弹性变形能积聚，为突出时的煤体抛 出提供动力。 除上述相对稳定的能量源形式外，还 存在矿震、爆破、回采扰动等偶发性的能量源，同样 能够造成短时间的能量状态变化，但是否能够致灾， 一般还需依赖于稳定能量源作用下弹性能积聚的 量级。 对上述能量源形式的作用机制，可依据开采阶 段进行分析，多数能量源形式在开采前即存在，但由 于原岩应力状态下煤岩系统总体处于平衡状态，因 此，采前各能量源并未使介质产生额外变形，开采卸 荷前介质处于三向应力状态，线弹性条件下以主应 力表示的单元体三向受力条件存储能量 为 （） 式中、、为最大、中间、最小主应力；、 分 别为煤岩泊松比、弹性模量。 对于初始卸荷，应力状态转换为双向或单向，其 能量状态也将相应随之跌落为 或 ，根据最小余 能量原理，该部分跃迁产生的盈余弹性能 或 将大部分转化为块体动能，一定程度可解 释卸荷后煤岩的弹射以及含瓦斯煤层在揭煤石门处 最易发生突出的现象。 但现实条件下，并非每次卸 荷都会造成块体抛出，因此，强调其对于煤岩的破坏 作用可能更为确切。 与初始的快速卸荷不同，开采过程中的卸荷对 于煤岩体的作用将更具持续性，可抽象为实验室内 的卸围压过程，对应研究表明，随围压降低，其破坏 形式也将由剪切破坏逐步向张拉劈裂过渡，其原因 在于，三轴条件下的介质屈服主要服从摩尔库仑 准则，其形式为 （ ） （ ） （） 式中 为煤体内摩擦角；为煤体单轴抗压强度。 而单轴条件下最小主应力 ，其屈服仅需 要满足 即可，由于 ，故 （ ） （ ） ，显然三轴条件下的屈服强 度大于单轴条件，也由此解释了同轴压相似材料在 低围压条件下强度更低的现象。 由此，结合“矿体 围岩”模型（图 ）。 图 “矿体围岩”相互作用系统模型 “ ” 模型外部应力环境由上覆岩层、周边地质构造 等多种因素提供，为方便阐述，将应力分别投影至垂 直和水平 个方向。 煤炭开采将会导致局部承载实 体减少，并由此引发局部应力重分布，以邻空实体煤 为研究对象失去部分承载实体的垂直方向荷载将 更多的作用于邻空实体煤，由此产生顶板沉降和支 承压力，二者均等效于竖向加载，靠近邻空面的煤体 由于围压较低，更容易出现破坏，由外而内形成破碎 区、裂隙区和弹性区，在煤壁深处开始出现弹性能积 聚；失去部分承载实体制约的水平方向荷载，其促进 邻空局部煤体向空区移动的趋势将增强，但由于同 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 李海涛等煤矿动力灾害广义“三因素”机理探讨 年第 期 期竖向支承压力的提升，使得该区域煤岩接触面剪 应力亦出现增加，进而能够与上述水平荷载的作用 形成一定平衡，若由于某种原因该平衡丧失，则会引 发黏滑；层状赋存的底板也将会由于水平荷载的作 用产生向空区鼓出的趋势。 此外，在上述卸荷引发 的等效加载作用下，煤体内原生裂隙将出现张开闭 合、发育贯通等行为，对于含瓦斯煤层，上述行为将 直接影响瓦斯压力水平，而较高瓦斯压力的形成与 煤体属性和制约机制均有关联，将在下文进行阐述。 除上述持续稳定的能量源形式外，还会由于天 然矿震、人工爆破以及开采扰动等形成偶发性能量 源，该类能量源往往以应力波的形式通过实体介质 进行传播，其作用模式以能量状态扰动为主，而是否 能够致灾，则更主要的取决于稳定能量源所形成的 弹性能积聚量级，虽作用时间短，但其在准临界状态 下诱发动力灾害的作用不容忽视。 综上所述，持续能量源依靠卸荷后的等效加载 作用，能够为介质变形、裂隙发育、瓦斯解吸等基本 行为的发生提供动力，但显然并不能由此即保证形 成的能量形式为弹性能，进而引出弹性能积聚对于 介质属性的依赖。 弹性能存储的介质属性条件及其影响 机制 首先，需明确介质属性的研究尺度，否则在严格 意义上所有问题都将是基本粒子的结构问题。 目前 对于动力灾害机理研究的尺度下限为细观尺度，主 要关注在光学或常规电子显微镜下可见的材料细微 结构，其尺寸大致处于 量级，大于该 量级则作为结构问题，小于该量级则进入微观原子 级别，对于工程界还尚未显示出该尺度下的研究必 要。 因此，在动力灾害机理研究中，介质属性包括 物质类别（物理条件下无法改变）、细观结构特征 （孔隙率、渗透率等）及其力学行为（单轴抗压强度、 弹性能指数等）。 即所谓煤岩属性是人为对于细观 特征及其影响下力学行为的总结，这与介质宏观力 学行为取决于细观特征演化的常识是相符的。 其次，弹性能积聚需要以具体的物质载体，可为 固体也可为气体。 对于冲击地压，其弹性变形能载 体主要相对完整煤岩等固体，在持续力源的作用下， 煤岩介质将出现变形、裂隙贯通及破坏，进而要求介 质具有较大强度，使其在承载过程中保持较好的完 整性，该类属性主要通过冲击倾向性指标进行描述； 对于煤与瓦斯突出，除固体介质外，其弹性变形能还 能够以气体为载体，该特征要求所涉及煤岩体具有 较高的瓦斯含量，且能够充分解吸为游离态瓦斯进 而形成承压状态，该类煤体的强度往往因瓦斯的存 在而普遍较低，在荷载作用下易出现丰富的裂隙发 育，通常以渗透率、瓦斯含量、孔隙压力等指标描述。 弹性能存储于固体 当弹性能存储于固体时，介质属性的作用机制 可通过简化的细观含裂隙线弹性模型阐述，如图 所示。 图 细观线弹性模型 其中，物质类别通过模型实体部分表征，其在纯 物理条件下无法改变，主要参数为弹性模量 、泊松 比 、单元模型长度 以及受载条件下产生的均匀 应变 ，细观结构则以简化为竖向发育的裂隙代表， 其主要参数包括裂隙发育速度 ，模型上下端面受 轴向匀速 位移加载。 模型尚未受裂隙切割时的承载面积为 ，由 此，模型强度 可表示为 （） 受载过程中开始发育的裂隙将模型切割有 个子承载面，第 个子承载面长度为 。 裂隙的发 育将会改变介质的应力状态，其弱化效果可表示为 ， （），， ，，， （） 式中为初始强度；，为第 个子承载面的强 度；为与第 个子承载面相关的损伤因子，为 单轴抗压强度。 最先达到抗压强度的细观结构将发生破坏，若 达到破坏标准的子承载面有 个，则模型总体的强 度可表示为 （ ） （） 由于裂隙长度对于介质强度的弱化作用十分复 杂，此处作定性处理损伤因子 ，可表示为 ， （） 式中 为与裂隙特征有关的调整系数；，为第 个 子承载面两侧裂隙的平均发育速度，将其作为常量 处理； 为加载时间。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 若采用恒定速率 的位移加载，加载时间 则 模型应变 为 （） 则模型强度 可表示为 ， （） 由此，进一步产生 的位移，外部荷载做功增 量 为 （） 裂隙的能量损耗与其形态、密度等具有直接的 关系，其量化关系十分复杂，为此，已有研究将其定 性处理为裂隙总长度 的函数，产生 位移期间， 裂隙总长度增加 ，其能量损耗的增量可表 示为 （ ） （） 式中为裂纹尖端拉应力，与介质属性相关； 为 剪切模量；裂隙总长度 ， ； 为裂隙长度 增量。 由式（）可知，裂隙发育引起的能量耗散，与 裂隙总长度亦即裂隙发育时间相关，已有研究表明， 较快的加载速率下试件将会表现出更强的脆性以及 更大的强度，即快速加载条件下意味着更少的能量 耗散，结合上式，裂隙发育时间 将是关键因素，而 较快加载速率对应着不充分的裂隙发育时间，以此 也解释了工作面推进速度对于冲击危险性的关键 影响。 由此，若不考虑模型与外界的能量交换，则可获 得在产生增量位移 期间，综合了实体介质属性 以及细观裂隙发育的弹性能增量 表达式为 （ ， ） （ ） ， （） 由式（）可以看出，即使实体部分为最简单的 线弹性材料，也会由于细观结构（裂隙）的存在，使 得弹性能的积聚状态趋于复杂，而要解释上述复杂 性，则应从细观结构入手，并考虑加载条件这一最初 动力。 为此，将累积位移 和增量位移 作为常 量处理，则加载时间 及其增量 可表示为 ， （） 则式（）可表达为 （ ， ） （ ） ， （） 令 ， （ ，）， （ ） ， 以加载速率 为变量，则可进一步形式化为 （） 由此，得到弹性能增量与加载速率的关系表达 式，其物理意义为加载速率提升造成更多的弹性能 积聚。 但模型子承载面具有承载上限，加载速率的 提升，在积聚更多弹性能的同时，也会造成更多子承 载面的破断，进而丧失储能能力。 由此，加载速率增 大，在抑制裂隙发育，促进弹性能积聚的同时，也会 由于子承载面更快达到破断极限，出现不利于储能 的情况，即单一参量的线性增加，能够造成 种截然 不同的结果，这就是造成复杂性的根源所在，如图 所示。 图 裂隙发育与承载结构协同作用示意 综上所述，涵盖物质类别及细观结构影响的介 质属性，对于弹性能积聚的影响具有显著的非线性 机制，更为重要的是，对于天然煤岩介质的力学属性 描述，必须给出对应的力学环境或限定标准加载条 件，孤立的属性指标将不具备实际意义。 弹性能存储于气体 在煤与瓦斯突出领域，存储于气体且能够做功 的能量更多被称为“瓦斯膨胀能”，其定义为煤体暴 露面附近煤体质点受地应力作用破坏后大裂隙内以 及由小裂隙（孔隙）最先释放到大裂隙中的瓦斯在 向外界环境膨胀过程中转化出来的能量。 地应力越 大、煤体强度越低、瓦斯压力越大，初始瓦斯膨胀能 就越大，发生突出的可能性就越大。 其做功形式 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 李海涛等煤矿动力灾害广义“三因素”机理探讨 年第 期 与弹性能压缩后的回弹转化具有相似性，为保证阐 述的统一性，将其作为存储于气体中的弹性能描述。 根据已有研究，虽然气体压力及其含量并不是 造成突出启动的主要因素，但其对于维持突出过程 的连续性，以及不断实现煤体的粉碎和抛出具有至 关重要的作用。 其中，启动初期的煤体粉碎及抛 出主要依靠启动前已经存储于气体中弹性能的膨胀 做功，依据是否将突出考虑为绝热过程，该部分能量 可分别表示为 （） （） 式中为瓦斯气体质量；为瓦斯气体分子量； 为膨胀后的瓦斯（绝对）温度； 为瓦斯气的定 容分子热容量；、为膨胀前后的瓦斯压力； （瓦斯气的定压分子热容 定容分子热容）； 为普适气体恒量，其值约为 （）； 为瓦斯温度。 由式（）可知，考虑热交换与否，瓦斯压力对 于该部分能量都具有直接影响。 而在突出发动以 后，正是由于煤壁深处具有较高瓦斯压力的煤体暴 露，与孔洞中常态气压形成较大的压力梯度，才使得 处于吸附状态的瓦斯解吸为游离态，进而为煤体的 破碎和抛出提供新的动力，维持突出过程。 显然，具 有较高瓦斯含量是实现上述过程的前提之一。 但与固体相比，气体具有天然的流动性，欲使解 吸后的瓦斯形成压力，还需要将其限制在有限空间 内，基于上述线弹性模型（图 ），细观尺度形成 该空间的主体仍为裂隙及实体介质，但在限制气体 流动时，其相关特性将被概括为渗透率指标，符合前 文关于介质属性的分析。 在不考虑基质损伤效应的 前提下，渗透率 与应力及瓦斯压力的关系为 （ ） （ ） （） 式中为初始渗透率； 为约束轴向模量；为 初始地应力； 为地应力； 为有效应力系数； 为 初始瓦斯压力； 为煤层瓦斯压力； 为煤体体积模 量；为骨架热膨胀系数； 为煤层温度； 为煤 体极限吸附膨胀变形量； 为 压力常数。 由式（）知，影响渗透率的主控因素仍为外部 荷载 ，荷载通过改变裂隙发育状态的方式对渗透 率形成控制，而较低的渗透率则能够将游离瓦斯限 制在有限空间内形成瓦斯压力 ，进而对于渗透率 形成反作用。 由此也导致了介质属性影响下储能过 程的复杂性。 由上述分析可知，无论弹性能存储于固体还是 气体，介质属性对于能量存储产生影响的机制均受 细观裂隙及实体变形的影响，验证了上文关于介质 属性的分析，而产生影响的根本动力又均来自外部 荷载，则验证了持续力源作为最根本条件的分析。 制约机制的形式及作用 上述研究同时表明在具备持续能量源和存储弹 性能介质属性的前提下，岩体已能够开始积聚弹性 能，但为使其积聚至致灾量级，还需要有类似于低渗 透率的制约机制，以保证“更多”弹性能的积聚。 渗 透率隶属于细观尺度，笔者虽将其归纳在了介质属 性范畴，但根据分形思想，各种尺度下煤岩裂纹分岔 具有普遍自相似性，因此，在肉眼可见的宏观尺度同 样应当存在类似的依附于结构特征的制约机制。 以此视角对已有成果进行二次认知可发现，形 成额外弹性能积聚的制约机制可依托于结构面，也 可依托于实体介质的空间组合。 前者主要通过制约 滑动趋势形成额外弹性能积聚，代表性的要素为能 够发生黏滑的结构面，如可活化的断层、夹持作 用下的煤岩接触面等；后者主要通过将大量弹性能 制约在有限空间内而产生作用，而有限空间又可分 为介质自身实体所占空间，如开采形成的孤岛工作 面、悬而不断的坚硬顶板（第 节侧重常规加载， 此处则侧重超长悬臂结构带来的更多能量积聚） 等，以及结构包裹的密闭空间，如煤与瓦斯突出中层 裂形成的球壳后方空间。 此外，还有 种更为普 遍的形式，即结构面与块体的组合，具体可描述为萌 生于介质内部的结构面网格及其切割而成的空间块 体组合，该形式也是造成煤岩力学行为高度离散等 复杂特征的主要诱因。 对于结构面和块体组合各自的研究已相对丰 富，但 者组合对于弹性能积聚的影响，则由于介质 内生结构观测手段有限以及结构网络特征极为复 杂，相关研究仍处于探索阶段。 岩体结构力学指出， 结构是控制岩体力学行为的根本，笔者认同该观 点，并认为内生结构面空间分布模式是该形式下影 响弹性能积聚的关键所在。 为验证这一判断，开展 常规试样与特殊结构面模式试样的对比力学试验， 其中，前者基于常规试样进行正常力学加载，后者则 包括基于颗粒流软件仅考虑裂隙发育的数值模拟 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 和基于含倾斜贯穿分界面试样的力学试验。 为保证与前述力学模型分析的一致性，同样采 用位移加载控制，并以此为试验变量之一，扩充分析 依据。 其中，常规试验组试样取自同一原煤以尽可 能保证试样行为具有可比性；数值模型加入不同属 性单元以反映非均匀性；含倾斜贯穿分界面试样来 自天然夹矸煤块。 加载速率及各自应力应变曲线 如图 所示，各条件下单轴抗压强度结果见表 。 图 不同模型多加载速率应力应变曲线 表 各加载条件下模型单轴抗压强度 组别编号 加载速率 （ ） 单轴抗压 强度 常规试样 颗粒流 模拟 含贯穿面 试样 根据研究，单轴抗压强度与能量存储状态具有 良好的相关性，为此，以单轴抗压强度为分析指 标。 由图 可知，当加载速率逐渐增大时，对于常 规煤样，其强度表现出了先增加后减小的非线性趋 势，而单纯考虑裂隙发育的颗粒流模拟结果则表现 出强度随加载速率线性增加的结果，如图 所示。 结合前文分析，较快的加载速率将抑制裂隙发育，由 此可解释常规煤样强度随加载速率增加的上升段和 纯裂隙发育影响下的强度线性上升，但也由此表明 仅考虑裂隙发育将与实际不符。 注意到常规煤样加 载过程中出现了显著的应力调整，且存在调整过程 中强度上升的现象，依据前文基本力学模型，调整中 的下降段显然来自子承载单元的破断，但上升段则 表明破断后形成的新结构仍可能具有一定承载能 力，如图 所示。 图 破断后承载机制示意 基于上述起源于细观的结构模式并推而广之， 随加载类似结构将逐渐发育贯通至宏观尺度的结构 面及其切割而成的块体组合，同样会出现“破坏调 整重新承载最终破坏”的过程。 而上述发育贯通 或天然内生总有概率会出现类似于图 中倾斜贯 穿分界面的内生结构面模式，结果显示，该条件下单 轴抗压强度随加载速率增加表现出了显著的线性下 降趋势，即该内生结构面模式直接破坏了弹性能形 成有效积聚的条件。 更为一般化的描述为特定的内生结构面模式 将能够对总体力学行为及演化趋势起到控制作用。 由此，从不利于弹性能存储的角度，反证了内生结构 面模式对于弹性能积聚具有促进作用。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 李海涛等煤矿动力灾害广义“三因素”机理探讨 年第 期 而制约机制在达到自身极限或准极限时出现外 部干扰将会失效，进而造成已积聚大量弹性能的剧 烈释放，形成动力灾害。 由此可获得更为重要的结 论以结构为依托的制约机制，实现了动力灾害孕育 和防控的统一，强化制约机制即为孕灾，弱化或消除 制约机制即为防控，结构模式的干预或控制将是实 现动力灾害防控的关键切入点。 广义“三因素”机理及其应用 广义“三因素”机理的提出 通过上述分析，可将动力灾害形成的基本逻辑 进一步概括为明确概念。 ）对于持续能量源，其产生作用的主要机制类 似于加载，可将其概括为“力源因素”，其定义为依 据某种作用机制造成介质变形、破坏等力学响应，为 弹性能积聚提供源头补给，且具有实际物质基础的 相关要素，如开采导致的应力重分布和集中、坚硬顶 板破断形成的扰动、解吸后存储于有限空间的瓦斯 压力等。 力源因素是形成动力灾害的根本动力，通 过应力等指标对其状态的描述则是衡量危险性的重 要依据。 ）弹性能存储对介质属性的要求可概括为“物 性因素”，其定义为细观尺度范围内，能够在介质基 本物理特性方面带来差异的相关要素，及其影响下 特定力学行为的概括，其中，物质类别在物理条件下 无法改变，而由细观结构决定的相关属性则可通过 一定手段改变，如加载过程中的渗透率、水浸泡下的 介质强度等。 ）制约机制主要依附于结构发挥作用，故将其 概括为“结构因素”，其定义为天然或人为形成，能 够破坏介质均匀性、连续性的要素（面元、块体）及 其组成的空间体系，其在达到自身极限或准极限状 态时出现外部扰动的情况下将失效并诱发灾害，如 煤岩内的结构面网格体系、地质构造、煤柱及井巷空 间等。 结构因素的人为干预是调整应力状态，实现 动力灾害防控的主要途径。 由此，基于动力灾害基本逻辑提炼出了影响 其演化及发生的 个关键概念，分别为“力源因 素”、“物性因素”以及“结构因素”。 其形式类似 于冲击地压领域的“三因素”理论，但由于相关研 究均基于介质属性、荷载应力、裂隙发育、气体解 吸等一般化概念，因此，相关结论并不受制于具体 的煤矿动力灾害类型，为作区别，将上述概念组合 称为广义“三因素”机理，其基本逻辑关系如图 所示。 图 “三因素”逻辑关系示意 “ ” 在广义“三因素”机理中，“物性因素”是最根本 的基础，为后续一切力学行为提供底层支撑；“力源 因素”是动力灾害发生的根本动力，其状态则是评 价危险性的主要依据，兼具源头和结果的属性；“结 构因素”是孕育和控制动力灾害的关键所在，能够 为弹性能大量有效积聚提供制约机制，而制约机制 失效是动力灾害发生的直接原因。 需要强调的是，在具体现象中物性因素显然全 程参与，而结构因素与应力因素则具有密切的互馈 关系应力作用下改变结构特征，结构特征改变后应 力状态同步调整，如此往复，直至稳定或破坏。 广义“三因素”的应用 广义“三因素”机理侧重于动力灾害防控，以形 成对于动力灾害防控细节的针对性指导为最终目 的，在其框架下，针对各要素的干预可衍生出动力灾 害基础研究、技术转化和装备研发的具体方向。 而 本文已获得的结论则能够为具体矿井条件下动力灾 害防控的介入和具体措施设计提供参考。 物性因素的改变 目前深部开采面临的一系列难题都是由煤岩属 性的显著变化引起，如“脆延”转化、强流变等，而 上述特征根植于细观尺度下的某种变化，欲改变细 观结构的相关特性，采用承压流体将是实现预期目 标的可靠手段，煤层注水、煤体冻结等即为最常见的 物性改变方法。 以煤层注水为例，其能够有效弱化煤的强度、弹 性模量等，使其破坏趋于平缓，其主要机理在于水分 子对于细观接触面属性以及裂隙张开度的改变，其 实质可描述为水驱气的过程，而由此带来的物性 改变，使其在坚硬煤层软化防冲和低渗煤层增透防 突中均起到良好效果。 注水在实验室及工程尺度下 的干预效果如图 所示。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 煤层注水效果示意 力源因素的改变 对于改变力源因素，瓦斯抽采防突是显而易见 的操作，此外，依据上文的加载速率力学试验，控制 工作面推进速度对于改变煤体的受载情况也是有效 手段，但同样由于内生结构面等因素的影响，工作面 推进速度对于整体应力环境的影响也相对复杂，研 究表明，冲击地压次数与工作面推进速度具有显著 的非线性关联特征，且已通过实验室验证，如图 所示。 此外，干预力源因素的手段还包括区域性 的采掘布置调整、开采解放层等，如前文分析，其与 结构的作用密不可分。 结构因素的改变 结构因素为能量积聚提供制约机制，是实现力 学行为控制的关键，同样，结构作为直接干预手段， 其最终效果将反应在应力状态上，并与力源因素反 复互馈。 以顶板水力压裂为例通过在坚硬顶板预 设位置人工水力致裂，使其如期断裂，避免形成过大 的悬顶距，完成“顶板煤体”空间结构的控制，其最 终效果将通过应力类指标表征，如微震（图 ）。 除上述块体结构外，前述分析中证明了基于介质 内分界面的干预将更为灵活，但结构面网格与能量积 聚的量化关系仍需在未来的研究中进一步深化。 结 论 ）动力灾害形成的基本逻辑包括必然存在持 图 冲击地压矿井数与工作面推进速度统计关系 图 顶板水力压裂效果示意 续的能量补给源头，必然需要依赖于介质的某些属 性以保证能量形式为弹性变形能，必然存在某种制 约机制以保证弹性能积聚至失稳致灾的量级，且制 约机制必然会在特定条件下失效以形成大量弹性能 的突然释放。 ）能量源分为持续能量源和偶发性能量源，前 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 李海涛等煤矿动力灾害广义“三因素”机理探讨 年第 期 者主要依据卸荷后的等效加载作用产生影响，是介 质变形、裂隙发育、瓦斯解吸等基本行为发生的根本 动力，将其归纳为“应力因素”。 ）煤岩介质属性包括物质类别、细观结构特征 及特定力学行为的概括，而不论弹性能存储于固体 或气体，实体介质变形与裂隙发育的相互作用，以及 由此形成的介质属性，都是影响能量状态的关键，将 其归纳为“物性因素”。 ）制约机制是弹性能积聚至致灾量级的关键， 以结构面和实体介质的空间组合为主要形式，其失 效是形成动力灾害的直接原因，由此统一了动力灾 害的孕育及防控，是实现人为干预的关键途径，将其 归纳为“结构因素。” ）提出了广义“三因素”机理，并给出了其内涵 定义以及各因素间的逻辑关系，指出了其潜在应用 场景及未来研究方向。 参考文献（） 齐庆新，潘一山，舒龙勇，等煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺 度分源防控理论与技术架构 煤炭学报，，（） ， ， ， ，，（） 姜耀东，潘一山，姜福兴，等我国煤炭开采中的冲击地压机理 和防治煤炭学报，，（） ， ， ， ，，（） 袁 亮我国深部煤与瓦斯共采战略思考煤炭学报，， （） ，， （） 李海涛，刘 军，赵善坤，等考虑顶底板夹持作用的冲击地压 孕灾机制试验研究煤炭学报，，（） ， ， ， ，，（） 舒龙勇，王 凯，齐庆新，等煤与瓦斯突出关键结构体致灾机 制岩石力学与工程学报，，（） ， ， ， ，，（） 黄维新，刘敦文，夏明煤与瓦斯突出过程的细观机制研究 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