最新成果丨齐庆新研究员：煤岩弹性变形能的表征物理模型及实测方法( 二 )
研究背景
煤的冲击倾向性描述的是煤体具有积聚变形能并产生冲击破坏的一种性质 ， 从具体力学行为的角度 ， 该性质描述的是煤在受载条件下积聚弹性变形能的能力和失稳破坏时弹性能释放的剧烈程度 。 与之同样重要的概念是冲击危险性 ， 即真实工程场景下发生冲击地压的危险性或可能性 。 但根据已有的事故案例 ， 煤体具有冲击倾向性并不意味着一定会发生冲击地压 ， 而发生冲击地压的案例中 ， 煤体也不一定具有冲击倾向性 ， 二者高度相关但又互为不充分不必要条件 。
煤岩介质的力学行为与应力环境密切相关 ， 而冲击倾向性则是在国家标准要求的统一加载条件下获得的 ， 其中 ， 动态破坏时间(DT)和弹性能指数(WET)为应力加载 ， 速度0.5～1.0ＭＰａ／ｓ ， 而冲击能量指数(KE)由于需要全应力－应变曲线 ， 需要采取位移加载 ， 速度为0.5×10-5～ 1.0×10-5ｍｍ/s 。 这种测试方式能够为定性认知相近加载条件下 ， 不同煤样冲击倾向性的相对强弱提供参考 。 但工程实际中的荷载变化区间更大、应力加载路径更多 ， 而正是标准加载条件与实际加载条件的差异 ， 造成了冲击倾向性测试结果与实际情况互为不充分不必要条件的现状 。
狭义而言 ， 标准测试条件下获得的结果才可被称为冲击倾向性 ， 但若仅局限于此 ， 造成上述不充分不必要关系的根源将只是冲击倾向性测试并未充分反映实际加载环境的多样性而已 。 冲击地压作为工程科学问题 ， 对其研究的根本目的是为了在实际工况下降低或消除冲击危险性 ， 简单地在概念或方法层面进行调整 ， 而不深究其底层物理逻辑 ， 显然满足不了有效防控的根本需求 。
煤岩的特殊细观结构是造成其对于力学环境敏感的主要原因 ， 更具针对性地 ， 细观结构与冲击倾向性的高度相关性也已得到验证 ， 如煤的显微硬度、显微脆度、显微组分、原始损伤等细观特征与冲击倾向性呈正相关；不同冲击倾向性煤样的细观结构在空间特征上存在显著差异；通过CT扫描获取单位面积裂隙周长、面积分数等统计性指标可实现对于冲击倾向性的定性评价等 。 因此 ， 对于冲击倾向性的底层物理逻辑 ， 现有研究事实上已经给出了合理的关注方向 。 然而 ， 煤岩具体力学行为是在应力、结构以及物性因素的共同作用下产生 ， 尤其对于细观结构的研究 ， 目前还远未达到定量水平 ， 由此带来的复杂度和制约性使得尚未有成果能有效地将已获得的物理逻辑认知应用到具体的工程实践中去 。
内容概要
１ 现有冲击倾向性描述指标特点分析
目前 ， 按照指标所关注的物理内涵不同 ， 鞠文君等将冲击倾向性指标划分为强度指标、时间指标、刚度指标、变形指标和能量指标 ， 并列出了具体
指标的计算方法 ， 部分指标见表1 。
表1 冲击倾向性代表性描述指标
２ 煤岩弹性能量化表征物理模型
煤岩结构极为复杂 ， 目前还尚未找到具有较好兼容性的量化描述方法 ， 笔者将其简化为沿圆心均匀分布的理想弹脆性杆件 。 综上 ， 试件可表征为统计损伤物理模型 ， 其结构如图 １ 所示 。
图 １ 统计损伤物理模型
３ 煤岩弹性能的实测方法
随机选取具有复杂变化趋势的煤样 ， 以验证上述方法的可操作性 。 该煤样在 0.1mm/min的位移加载条件下被压至破坏 ， 其荷载－时间曲线如图２所示 。
图2 验证试验荷载－时间曲线
由图２可得 ， 该试样表现出了较为复杂的荷载演化特征 ， 若基于传统的弹性能计算方法 ， 则会加入较多的主观因素影响 ， 例如动态破坏时间中峰值点图２验证试验荷载－时间曲线和跌 落 终 点 的 选 取 。而 通 过 计 算 变 形 能 增 量ΔＷ′ti ， 监测声发射能量ΔＷ′tiEA ， 则能够获得全过程的数据进行相关的计算 ， 为方便展示 ， 将所有数据进行归一化处理以消除量纲 ， 并以归一化后的时间序列为横坐标绘制曲线如图３所示 。
图 ３ 变形能及声发射能量归一化结果
讨 论
上述工作将试件受载情况下的物理逻辑反映到了变形能的计算当中 ， 同时引入了声发射信息 ， 在一定程度上逼近了弹性能真实值的实际测量 ， 能够为后续的相关指标设计提供底层原理支撑 。 但煤岩本身的复杂性 ， 使得该项工作也仅是在变形能测量模式上取得了有限进展 。
目前的制约在于 ， 无论是对于细观结构空间特征的描述还是针对其空间特征力学效应的试验 ， 通常都采用了简化的手段以降低研究难度 ， 而煤岩的复杂性体现在其随机多变的裂隙等结构要素上 ， 上述简化操作恰恰忽略了这一关键因素 ， 如裂隙发育对于结构强度的弱化作用 ， 细观结构破断对于周边结构所产生的连带影响等 ， 也正是由于此类的简化导致了室内测试结果对于工程实际参考性较弱的现状 。
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