关于组合煤岩试件冲击倾向性国家标准的讨论

杜学领

（贵州理工学院 矿业工程学院，贵州 贵阳550003）

冲击地压矿井分布于我国不同地区，且具有瞬时突发、非线性演化、显著灾害特性。因其易诱发严重的灾害后果，既吸引众多学者研究冲击地压问题，但同时也存在冲击地压机理众说纷纭、灾害防治成本高、工程解危技术进入瓶颈期等问题，如尽管冲击地压问题已被研究几十年，但在目前的解危技术中，依然以“降压”技术为主，这些技术包括对顶板的水压致裂、钻孔爆破等，对煤层的钻孔泄压、松动爆破、注水软化等，以及开设卸压槽等，如何高效防治冲击地压，依然是悬而未决的难题[1-4]。2018年7 月，国家煤矿安监局出台《防治煤矿冲击地压细则》[5]，但不幸的是几个月后即发生致21 人死亡的“10·20”山东能源龙郓煤业冲击地压事故[6]，约1 年后山东省在全国率先出台关于冲击地压防治的省级规章《山东省煤矿冲击地压防治办法》[7]。但在2019年，全国又发生了致9 死12 伤的“6·9”吉林龙家堡煤矿冲击地压事故[8]、致7 人死亡的河北开滦唐山矿“8·2”冲击地压事故[9]，足见冲击地压防治的复杂性和艰巨性。《冲击地压测定、监测与防治方法》国家标准是防治冲击地压的重要依据，该标准包含14个部分，分别对煤岩体的冲击倾向性鉴定、冲击地压监测及解危技术等方面进行了规范[10]。2020 年，该标准体系14 个子项中将有9 个部分进入实施阶段，为此针对标准体系中“第3 部分：煤岩组合试件冲击倾向性分类及指数测定方法”（以下简称“标准3”）展开调研[11]，结合已有研究，撰文展开讨论。

1 “标准3”中剩余能量指数评价概述

1.1 “标准3”中剩余能量指数评价方法概述

根据“标准3”，煤岩组合试件的冲击倾向性由剩余能量指数进行界定，该指数主要通过以下过程获得[11]：①制备煤岩高度比为1∶1 的标准试样，采用白乳胶粘合，并在底部有水的干燥器内对试样进行24 h 不接触水的湿度养护；②对组合体试样进行循环加卸载试验，初期采用1 kN/s 的载荷控制加载条件，循环单位为5 kN，最后1 次卸载载荷应不低于预估单轴抗压强度的70%，后期采用速度为0.000 5 mm/s 的位移控制加载方式加载至试样完全破坏；③根据满足要求的试验结果，计算不同卸载应力值所对应的弹性能密度，根据最优拟合曲线确定峰值弹性能密度，剩余能量指数为峰值弹性能密度与峰后破坏能密度的比值，该指数不低于1 时，被认为具有冲击倾向性；该指数不低于2 时，被认为具有强冲击倾向性。

1.2 剩余能量指数研究背景及评价

在中国知网“文献”当中采用“剩余能量指数”作为精确检索词频进行“全文”检索，仅获得88 篇文献（统计截止时间为2019 年12 月18 日，下同）。其中唐礼忠等较早的提出剩余能量指数并用于岩爆倾向性的评价当中，但与“标准3”的计算方法不同，唐礼忠等认为岩石峰后稳定破坏所需的能量耗散为剩余能量，剩余能量指数为岩石在峰前储存的弹性应变能和剩余能量的差值与剩余能量之比，其认为剩余能量指数大于0 是岩爆的必要条件，指数越大，岩石动力失稳风险越高，但其并未并给出基于剩余能量指数的岩爆倾向性分级标准[12]。从计算方法而言，唐礼忠等的方法比“标准3”多减去1 个1，除文字表述有所差异外，二者的基本原理是类似的，均利用单轴加卸载试验中的峰前弹性能和峰后破坏能作为主要计算和评价依据。

截止撰文时，共有74 篇文献引用了唐礼忠等的研究，对前述88 篇文献及引用唐礼忠等研究的74篇文献进一步分析可知，这些文献除一般性引言、综述引用外，对唐礼忠等的研究有进一步深入探究的主要分为以下几类：①新的冲击倾向性评价指标的提出，如进一步考虑了动态破坏时间、弹性应变能等，提出诸如剩余能量释放速度、岩爆损伤能量指数、盈余能量、有效冲击能量速度指数、盈余能指数变化率等[13-18]；②采用实验手段验证相关研究，如张志镇等采用花岗岩作为实验材料，认为有效冲击能指数和剩余能量指数在表征冲击倾向性方面要优于弹性能指数、冲击能指数和刚度比，但在其研究中并未对剩余能量指数有明确的强弱分级评价[19]，苏承东、肖福坤等采用煤作为研究对象，相关的冲击倾向性研究则表明：煤本身具有一定离散性，造成剩余能量指数、动态破坏时间的有效性仍然有待于进一步验证[20-22]。

剩余能量指数及相关研究确实可以从能量角度更加全面地反映岩石破坏前后的能量关系，但将该指标用于煤岩组合试件的冲击倾向性评价却存在以下问题：①如潘岳等所指出的，剩余能量法本身未考虑试验机的能量释放问题，各参数的计算精准度可能受到试验机影响，进而影响实验结果的准确性[23]；②岩石变形破坏过程中，除弹性能、塑性变形能、损伤能之外，还存在摩擦热能、辐射能等[24]，如何评价这些能量以及各能量在不同岩体之间的量化转换关系，依然是非常复杂的问题，特别是对于组合体试样而言，不同的岩性组合、不同的加载方式，有可能能量的转化规律并不相同；③“标准3”中剩余能量指数的评价标准，本质上是认为只要峰值弹性能密度不低于峰后破坏能密度，组合体试件即具有冲击倾向性，但实际上峰值弹性能密度不低于峰后破坏能密度的情况也大量存在，却不一定发生冲击地压或岩爆，该标准无法解释这种矛盾性；④从前述调研情况来看，基于剩余能量指数的实验研究不仅数量有限，而且较多的研究针对的是单体试样。即便对前述研究进行归一化处理，也会发现前述不同研究中的定量化分级标准也并不相同，如文献[13、15-18]的分级标准并不相同，在此背景下“标准3”如何确定的分级标准，也是未知数。由此观之，“标准3”中的分级标准有过于宽泛和不够精准之嫌，过于宽泛就有庸判、懒判之嫌，不够精准就有误判之疑，二者均不是成为国家标准的特质。

2 煤岩组合试件实验研究评述

在中国知网“文献”当中，无论是采用“煤岩组合”还是采用“组合煤岩”作为精确检索词频，进行“篇名”检索，获得的文献均不超过21 篇；进行“主题”检索，获得的文献均不超过150 篇；即便进行“全文”检索，获得的文献均不超过480 篇；若在“全文”检索的基础上增加检索词频“冲击”（忽略“冲击地压”与“冲击矿压”在表述上所引起的差异），则获得的文献数量会进一步降低。以上事实说明，煤岩组合的研究数量还相对较少。

以下结合通过“篇名”、“主题”检索获得的文献进一步予以说明。通过该检索方式，经人工检验去除不同检索方式获得的重复文献、与学位论文内容相同的文献、单纯的数值模拟文献、研究内容与组合煤岩冲击倾向性关系不紧密的文献（如煤岩动静加载组合、煤系地层煤岩组合、自动化煤岩识别、煤岩组合动载冲击）等，并结合剩余文献中的研究内容进一步扩充相关的核心研究文献，获得有效文献不超过60 篇，其中还包含仅有组合体实验但并未涉及冲击倾向性的文献、通过单体来评价组合体的文献等。特别值得注意的是，在这些公开发表的文献中，较为严格的按照“标准3”的规定进行煤岩组合试件冲击倾向性评价的研究仅有文献[25]，严格按照“标准3”并采用剩余能量指数作为主要评价指标评价煤岩组合试件冲击倾向性的中文文献尚未见报道，其他文献在试件尺寸、煤岩高度比、组合体数量、煤岩接触面处理方式、加载方式、评价指标等方面与“标准3”有所区别，这说明“标准3”所提出的实验方法是未经大量实验检验的。煤岩组合体研究中的典型案例见表1[25-51]。由表1 可以看出，仅接触面处理方式及组合形式方面，目前的众多研究与“标准3”就存在较大区别。

对于煤岩组合试件冲击倾向性的实验研究，较早的研究以李纪青、赵毅鑫、陆菜平等为开端[26，52-53]，其中陆菜平开展了大量的实验研究并获得全国百篇优秀博士论文奖。但纵观10 多年的煤岩组合实验研究，目前依然无法避免的是煤岩体的天然离散特性，以至于尽管上述文献中的研究获得一定进展，但不同实验中却存在相互矛盾或难以达成共识的结论：①单轴抗压强度方面，较多的研究中组合体的单轴抗压强度较纯煤试样有所提高且低于纯岩石的强度，支持这一结论的研究包括文献[26-28，33，41，54]，但文献[42]则出现组合体的强度要低于纯煤的强度，文献[55]的分级加卸载试验出现类似的结果，而文献[25]则认为组合体的强度增幅有限，文献[45-46]则认为组合体的强度还与组合的位置、组合体的面积等有关，文献[48]采用类岩体的研究认为煤岩系统强度和冲击倾向性由煤层决定，静载时仅有坚硬顶底板条件并不是诱发冲击地压的必要条件；②煤岩比例变化的影响，较多的研究认为对于一定高度的组合试样，试样中岩石的高度越大，组合体的强度越大，支持这一结论的研究包括文献[41，47，56-58]，但应注意到，由于较薄的煤样难以加工成型，目前的煤岩组合比例还无法体现导致冲击地压形成的巨厚坚硬岩层条件，对于巨厚坚硬顶板条件下煤层相对岩层而言较薄的情况是否存在临界效应甚至是相反的结论，还有待于进一步深入研究；③冲击倾向性的影响，一般认为组合体试样冲击倾向性要高于纯煤试样，且随着岩石高度、强度的增加，冲击倾向性有增强的趋势，支持这一结论的研究包括文献[26-27，29，31，56，59]，但文献[44，46]则认为组合体硬度差别越大，冲击效应越显著，组合体中软弱岩层是冲击地压防治的“能量关键层”，文献[51]使用类岩体的研究则表明组合体的冲击倾向性要低于单体煤和单体岩石；④加载速率的影响，有研究认为低加载速度存在临界效应，使得煤岩组合体的冲击倾向性随加载率的增加在临界加载率附近出现明显突变[40]，使用类岩体研究松散组合体特性的研究也支持了这一结论[49]，但文献[32]则认为随着加载速率增加，单轴抗压强度会增大，文献[54]则认为弹性模量的变化并不是单向增加的；⑤注水消冲的效果方面，注水被认可具有消冲或降低冲击危险性的效果[60]，但文献[61]则认为尽管注水具有消冲效果，但并未改变煤层的冲击倾向性类别；⑥组合体中的岩石破坏方面，有的组合体中岩石出现明显的破坏，如出现贯通的裂纹乃至岩石破碎成大块，有的组合体中岩石则保持完整，但几乎可以认为：当组合体中的岩石出现破坏的时候，通常能获得较高的强度参数[25-61]。对于组合体中的岩石破坏问题，尽管前述研究也从能量积聚、突变等视角作出过一些解释，但对于实验而言，煤岩组合中岩体部分破坏的程度、破坏的时机以及破坏后对煤体的影响都会影响到组合体的整体表现，如何科学、合理地评价实验结果，目前还没有形成共识。

表1 煤岩组合体研究中的典型案例Table 1 Typical cases in the study of coal-rock combination

值得注意的是，文献[20]在通过循环加卸载测定单体煤样的弹性能量指数时，明确介绍了单体煤样本身强度的离散性以及由此造成循环加卸载操作时无法按照要求在预估强度75%～85%处进行精确卸载。由于煤本身属于工程软岩，在煤岩组合的测试实验中，文献[37，40，47]也表达过试样加工方面存在的困难。由于煤本身具有一定离散性，特别是真实地层中煤的赋存是起伏甚至是断续的，当人为地通过波速等手段检定性质类似的试样时，已经潜在的排除了一些离散性。但这种人工选择与地层真实情况并不契合，也不能真实的反映地质赋存的全貌。“标准3”中给出了循环加卸载的明确数量要求，加载速率是否会影响评价结果、指定的加卸载方式能否适用于大部分组合煤岩，这些问题仍需要用更多的实验来验证，而目前是缺少这样的大量实验数据支撑的。此外，尽管文献[33-37]对钱家营矿的煤岩体进行了若干实验，其中文献[34]直接指出所测试煤岩组合体相对单体煤而言提高了冲击倾向性，另根据文献[33]循环加卸载的测试数据可知，3 个试样的峰值强度分别为33.3、31.99、17.26 MPa，尽管试样1 与试样2 强度差别不大，但3 个试样的应力应变曲线却有较大差别，若根据“标准3”的剩余能量指数进行冲击倾向性评价，则可认为试样1、试样3 具有冲击倾向性，由此导致组合体的总体冲击倾向性有可能被判定为具有冲击倾向性。但根据文献[2，62]对中国冲击地压矿井的统计，钱家营矿自投产以来的30 余年来并未见冲击地压报道，而同属开滦集团的唐山矿、赵各庄矿则为受冲击地压影响的矿井。这从反面说明，按照“标准3”循环加卸载的方法，有可能将非冲击地压矿井误判为具有冲击危险的矿井。造成这一问题的原因，很大程度上和现有的煤岩组合体冲击倾向性的评价指标有关。对组合体的冲击倾向性评价，大部分研究沿用了单体煤或岩石的评价指标进行对比分析，极少的研究从组合煤岩本身提出新的指标，即便有新的指标提出（如文献[63]提出的煤岩组合冲击能速度指数），由于测试方法的差异，大量验证的工作还未完成。因组合体中岩石极有可能参与到组合体的变形破坏当中，沿用单体的指标就极有可能出现冲击倾向性增大的情况。从这一点而言，“标准3”所确立的分级标准，也需要进一步结合试验、实践进行精确化定量分级。目前的煤岩组合体实验研究数据，并不能对“标准3”的分级标准形成有力支撑。

3 “标准3”中冲击倾向性评价中存在的问题

3.1 试样采集的问题

“标准3”中的试样采集部分规定岩样主要采集于直接顶或基本顶岩层，并援引了GB/T 23561.1—2009 中第5 章和第6 章的规定[11]，但后者规定“如采样目的为测定岩层冲击倾向性，应在煤层顶板或底板30 m 以内的岩层中，分别取不同岩性、单层厚度大于2 m 的各分层为1 组，采各分层的岩样”[64]，由此造成2 个问题：①岩样限定在顶底板30 m 以内，无法反映超出此距离的厚且坚硬的岩层影响，如近年来被大量研究的义马矿区巨厚砾岩[65-67]，类似地质赋存条件的矿井也有可能受此影响而造成评价片面；②煤系地层为层状分布，一般还具有一定倾角、起伏，当采集不同岩层的岩样时，仅仅通过“标准3”的顶板-煤二体组合测试有可能出现结论不一致的情况，此时对测试数据如何解读目前还没有统一且合理的规定，这就容易造成实验测试千人千面。即试样采集中存在无法反映煤系地层赋存全貌及测试离散性大等问题。

3.2 试件组合方式问题

“标准3”中规定煤岩高度比为1∶1，且采用白乳胶进行黏结[11]。煤岩组合体与单体相比的优势之一是反映真实层状地层的厚度分布特性，并由此来反映煤层与岩层的相互作用机制。天然的地层厚度分布千差万别，冲击地压也可能发生于薄、中、厚各种煤层厚度条件之下[1-2]。当人为地限定煤岩高度比之后，就无法反映出层状地层厚度分布差异这一特性，使得组合体的测定失去了现实依据。另一方面，“标准3”中为何确定组合高度比为1∶1，也是需要论证的。此外，由前述的表1 可知，目前煤岩组合体的实验研究中对于煤岩接触面的处理包括直接接触、白乳胶、AB 强力胶、云石胶、改性丙烯酸酯胶、材料制备过程中自然形成等多种方式，目前的研究聚焦于煤岩体特性，对于接触面粘结方式对实验结果的影响评价尚未广泛开展，“标准3”中为何选择白乳胶、白乳胶对实验结果造成哪些影响、为何不选择其他方式等问题，还有待于进一步探讨论证。特别是对于软弱岩体，黏结方式有可能会显著的影响到组合体的变形形态。

3.3 剩余能量指数测定问题

“标准3”中对剩余能量指数的测定采用循环加卸载的方式[11]，由于指定了加卸载路径，该方式与单体煤样冲击倾向性鉴定中同样采用加卸载方式测定的弹性能量指数还有所不同[68]。除1.2 部分所述的问题外，由于煤为多孔介质，当采用循环加卸载时，有可能造成煤的原生孔隙被压密闭合而导致组合体整体强度、弹性模量的增高，前述的研究中也有一些实验支持这一结论。加之组合体中岩石有可能参与到组合体的变形破坏过程中，就有可能因岩石的参与而造成加载曲线在峰后表现出脆性跌落的特点，由此造成剩余能量指数计算中峰后破坏能密度的降低，以至于剩余能量指数偏大、冲击倾向性评价偏强。尽管前述研究中也对组合体破坏进行了一定解释，但由于实验的离散性，目前这些解释还很难放之四海而皆准，其主要原因就在于煤岩本身具有离散性，组合之后会进一步放大这种离散性。采用组合体进行剩余能量指数测定时，非常有可能出现的结果是被认定为具有弱或强的冲击倾向性，而这种结论放在没有冲击地压的矿井是不合适的，如钱家营矿。对于利用组合体剩余能量指数进行评价时误判的情况以及非冲击地压矿井是否能获得反向结论，目前还缺少数据支撑。而如前所述，现有的“标准3”中依据剩余能量指数所进行的冲击倾向性分级标准，显然是缺少精确定量化分级依据的，同时对弱冲击倾向性的评价也有过于宽泛之嫌。“标准3”中如何考量加载速率的影响，由于煤本身较软弱，是否能实现指定的加卸载试验，也仍需进一步观察。

3.4 组合体的问题

现有的研究及“标准3”中，对组合体都进行了很大程度的简化，如“标准3”中仅有顶板-煤的二体组合，但真实的地层中，还可能包含伪顶、夹矸甚至是近距离多煤层等条件，现有的组合体研究放在力学性能研究方面无可厚非，但是否适用于表征工程煤岩体的冲击倾向性，其准确程度还很难界定。如工程中会存在离层、支护等，伪顶、夹矸也会参与到煤系地层的能量演化当中，这种复杂的机制目前在实践中还没有取得革命性突破，以至于冲击地压问题依然非常棘手。而组合体中岩石的参与程度及其对应力应变曲线的影响、对剩余能量指数判定的影响，还需进一步精准评价。当组合体中的岩体不发生宏观破坏时，其仅仅是力的传递介质吗？此时组合体中的煤又是否受到尺寸效应的影响？岩体中能量耗散及其数量关系为何？对于同一组实验中岩体不同参与程度又该如何评价？这些问题在不同的实验器材、实验条件、实验样品下，都有可能出现差异。

4 结 语

采用文献回溯法，重点分析了与“标准3”相关的中文文献。调研发现，目前煤岩组合体冲击倾向性实验研究的数量相对较少，基于“标准3”所提出的剩余能量指数法评价煤岩组合体冲击倾向性尚不具备大量实验数据支撑条件，且“标准3”在试样采集、试件组合方式、剩余能量指数测定等方面还存在一些问题需要破解，使得现有的“标准3”中关于冲击倾向性的分级标准有过于宽泛和不够精准之嫌。有鉴于此，认为关于煤岩组合体的研究还有必要进一步深入开展，而近期推出“标准3”则为时尚早。因笔者水平有限，加之调研中的文献以中文文献为主，受研究方法所限未充分考虑专著及外文文献等情况，在调研内容上存在疏漏在所难免。仅就上述问题作出探讨，愿共同探讨促进中国冲击地压的精准防控和冲击倾向性的科学评价。