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

(1.东南大学 土木工程学院，江苏 南京 211189；2.东南大学 苏州联合研究生院，江苏 苏州 215123； 3.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

冲击地压涉及到煤矿现场的煤层物理条件、地质环境、开采条件等，在力学问题上相当于研究对象、受力条件和边界条件的3个方面，其中不确定性影响因素众多，而且煤矿现场信息无法完全精确获取，因此不论是其发生机理、现场监测，还是预测预报、防冲治理等相关问题都异常复杂。相比之下，关于煤的冲击倾向性，相对比较简单，只涉及到煤样本身材料属性、单轴压缩一维受力条件、单向静力加载条件。因此，冲击地压是工程力学问题，煤的冲击倾向性是材料力学问题。经过近40 a的研究，关于煤的冲击倾向性问题，非常有必要系统梳理相关研究进展，针对其中的关键科学问题进行深入探讨，以此促进冲击地压问题的研究。为此，笔者在综述煤的倾向性指数研究进展基础上，分析了目前研究中存在的特点；然后根据5个煤矿的煤单轴压缩试验结果，结合高速摄像拍摄的视频纪录和煤样的实际破坏状态，提出了基于试验现象的煤的冲击倾向性定性判据及分类标准，统一对比了16种煤的冲击倾向性指数的判别结果，重点考察了煤的剩余弹性能指数的科学性和适用性。在此基础上，提出了冲击地压“人-煤-环”三要素机理，更加明确了煤的冲击倾向性研究在冲击地压机理中所起的具体作用，并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。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。

1 煤的冲击倾向性相关专业术语提出过程

本文中提到的冲击地压主要是指纯煤层破坏的冲击地压，对于含瓦斯煤层及复合灾害中的冲击地压不作讨论。因此，在讨论和分析煤的冲击倾向性以及冲击倾向性指数时，专指用于评价纯煤的冲击倾向性指数，不包含岩石的岩爆倾向性指数。另外，文中提到岩爆时，专指发生在深埋隧道(隧洞)洞表面、深部金属矿(或煤矿)岩质巷道和矿柱及掘进工作面部位硬岩的弹射、爆裂或崩落现象，伴随不同程度声响并释放出不同程度的动能。

进行科学研究时，专业术语的概念和定义非常重要。概念是人们对客观事物本质属性进行抽象概括的反映，定义是对概念的内涵和外延或所做的简要而准确的描述。冲击地压是煤矿开采到深部之后才出现的一种煤体冲击破坏形式。文献[26-27]认为世界上最早的冲击地压1738年出现于英国South Stanford煤矿。1959年林景云在著作《抚顺胜利矿的冲击地压》中给出了抚顺胜利矿1933—1935年冲击地压伤亡事故统计表，这可能是中国最早的冲击地压事故统计。国内外对冲击地压的认识，包括对概念理解和定义表述，经历了逐步深入的过程，很多文献把冲击地压称之为“煤爆”、“煤炮”、“岩爆”、“煤冲击”等，英文名词有coal bump，coal burst，rock burst，rockburst，coalburst，rockburst in coal mine，burst in coal mine，impact ground pressure，shocking underground pressure，impact rock pressure，rock-burst，outburst，rock outburst，mine pressure bump，coal mine rock burst，mine pressure bumping，mine strata pressure bump等，这在一定程度上反映了研究人员对“冲击地压”术语界定的认识还未取得一致。同理，在和煤的冲击倾向性相关研究中，也存在很多相关的专业术语。依据中国知网(CNKI)上已发表的学术文献资料，笔者初步统计了国内研究煤的冲击倾向性的相关专业术语，见表1(本文主要对冲击地压相关的学术论文进行统计分析，冲击地压研究领域的代表性专著请参考齐庆新等“我国煤矿冲击地压发展70年：理论与技术体系的建立与思考”中统计情况)。

“冲击地压”专业术语最早见于1955年钱鸣皋(疑为钱鸣高)“介绍煤及瓦斯突出的性质与力学作用的现代学说”一文。1957年潘瑞瑾和蒲先鸿在“淄博矿务局缓倾斜薄及中厚煤层煤层群上行开采问题”一文中提到潘瑞瑾1956年在《煤矿技术》发表的“煤岩迸破和矿内冲击”一文，在描述“煤层冲击危险”时提到了“煤岩迸破”和“矿内冲击”，这属于直观的形容煤破坏时的冲击性。“煤的冲击性”、“冲击式破坏”由胡克智等1966年在“煤矿的冲击地压”一文中首次提出。该文也是我国第1篇论文题目中出现“冲击地压”术语的学术论文，并指出我国矿山冲击地压最早于1933年发生在辽宁抚顺煤田的胜利煤矿。该文没有参考文献，而且在文中注明该文为作者1965年1月在德国莱比锡召开的第七届国际岩石力学会议上所宣读的论文的一部分。1981年牛锡倬在“煤矿安全生产中的几个岩石力学问题”一文中提到了冲击危险程度。1981年芦子干和常洪生在研究门头沟矿冲击地压的成因和控制时，提出了冲击危险指数的概念，并认为煤层硬度和抗压强度是表示煤层抵抗破坏能力的指数。“冲击倾向”术语1982年第1次出现在李玉生“矿山冲击名词探讨——兼评‘冲击地压’”一文中。“冲击倾向性”、“冲击倾向性指数”和“煤层冲击倾向性指数”1983年首次出现在李信“煤矿冲击地压的初步研究”一文中。“煤的冲击性能指标”、“冲击性指标”、“煤层的冲击性能”和“煤层冲击倾向性”等术语1985年分别出现在胡景义等“龙凤矿冲击地压防治的试验研究”、朱之芳“抚顺龙凤矿冲击地压实验室研究报告——用煤(岩)刚度建立冲击性指标的研究”、李国臻等“龙凤矿冲击地压成因规律的分析研究”、赵本钧“抚顺龙凤矿冲击地压成因规律、预测和防治的研究”等有关论文中。后来国标中的“煤的冲击倾向”和“煤的冲击倾向性”等专业术语1985年第1次出现在赵本钧“钻屑法的研究和应用”一文中。“煤的冲击倾向性指数”1999年首次出现在窦林名等“冲击矿压及其防治”一文中，该文中认为“煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一”。

表1 煤的冲击倾向性相关专业术语提出情况

2 煤的冲击倾向性在冲击地压研究中地位和作用

研究煤的冲击倾向性目的是服务于冲击地压机理研究和预防治理。胡克智等认为“煤的冲击性是产生冲击地压的基础”，同时也认为“从能量观点来看，发生冲击地压的实质在于，煤岩将外力对它所作的功或以其他方式输入煤岩的能量以弹性势能的方式储存起来，然后以冲击破坏的形式再把它们释放出来。因此，煤岩的贮存能量的能力以及煤岩破坏过程中贮能释放的方式、能量的释放速度及各种能量的分布比例，是决定是否发生冲击地压及其规模的主要因素”。赵本钧认为“由采掘工作造成的支承压力乃是冲击地压发生的主要条件之一。发生冲击地压的第2个主要条件是煤层本身的物理力学性质，即煤的冲击倾向性。这2个条件也是目前预测冲击地压的主要依据”。同时还认为“煤(岩)的物理力学性质是发生冲击地压的内因。一方面只有煤层具有弹性，才能把发生冲击地压所需的大量能量储存起来，另一方面只有煤层具有脆性，才能发生脆性破坏，并瞬间释放弹性能”。齐庆新和刘天泉认为“冲击倾向性是指煤岩介质积蓄能量并产生冲击破坏的能力，是煤岩介质的固有属性，是产生冲击地压的必要条件，…，冲击地压的发生取决于煤岩的内在性质，即冲击倾向性。只有具备了一定的冲击倾向性，在其他条件作用下才有可能发生冲击地压。冲击倾向性是冲击地压发生机理的内在因素”，属于冲击地压“三因素”机理的基础之一。因此，科学准确的判别煤层冲击倾向性程度非常必要，对于更加深入的明确冲击地压内在发生机理也非常重要。

3 煤的冲击倾向性指数的表征形式

为了研究煤的冲击倾向性并衡量冲击性程度，很多研究人员提出了煤的各种冲击倾向性指数以及各自的表征形式和分类标准。下面首先对国标GB/T 25217.2—2010中的4种冲击倾向性指数作比较系统的概述，然后再对其他冲击倾向性指数作简要概述。概述中以国标GB/T 25217.2—2010和文献中对各种冲击倾向性指数的原文名称作为统一称谓。

3.1 弹性能量指数WET

依据论文的发表和记载情况，NEYMAN B等1972年在《Proceedings 5th International Strata Control Conference》上发表的“Effective methods for fighting rockburst”一文中提出了Bursting liability index of coal，即，需对煤样逐渐加载到其单轴抗压强度的80%然后卸载，等于弹性能量与耗散能量之比，“The larger the value of，the greater the liability to bursts”。当<2时，no liable；=(2～5)时，slightly liable；>5时，severely liable。根据《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts》1974年第11卷第6期121页信息，1973年SZECOWKA Z在“Energy index of the natural liability of coal to rock bursts”论文中，介绍了“energy index of liability to rockbursts”的概念，并根据该指数对煤进行了分类。通过对7个矿井和9个煤层的调查表明，该指数为煤的冲击倾向性判别提供了有效的指导。1981年KIDYBINSKI在“Bursting liability indices of coal”一文中，引用了SZECOWKA Z等在1973年“Energy index of natural bursting ability of coal”文献。文献[10，45]的作者有所差别，但是标题比较接近，而且年份和文献的卷数都一致。文献[9，10，45]全文均为波兰语，目前尚未查到原文，因此无法详细核实。在KIDYBINSKI的论文中，英文名为“Strain Energy Storage Index”(直译为应变能存储指数)，并且引用了SZECOWKA Z等关于的计算方法，即

(1)

其中，为弹性应变能，其值为卸载水平处卸载曲线下的面积；为耗散应变能，其值为卸载水平处加载曲线和卸载曲线所包络的面积。在该文中，当<2时，无冲击倾向；=(2～4.99)时，弱冲击倾向；>5时，强冲击倾向。需要注意的是，“liability”英文含义中含有“the fact that someone is legally responsible for something(责任)、likelihood or probability(可能性或概率)”的意思，国内翻译为“倾向性”，而中文“倾向性”意指“发展的方向性、趋势性”，相比而言“burst proneness”和“burst prone”更接近于中文“冲击倾向性”含义。

文献[11]对煤样进行具体试验测试时，首先进行常规单轴压缩试验测试煤样的单轴抗压强度。然后，以0.04 MPa/s的速率(力加载速率为100 N/s)对煤立方体试样进行压缩，直到应力达到极限强度的80%～90%，然后以相同的应力速率释放至0。通过获得的应力应变曲线计算弹性应变能和耗散应变能，进而利用式(1)计算得到。的计算示意如图1所示，，分别为峰值点处应变和峰后残余强度点处的应变；为峰值强度。式(1)和图1中各参数计算为

(2)

(3)

=-

(4)

式中，为输入应变能，其值为峰前卸载水平处加载曲线与坐标轴围成的面积；，分别为卸载点、卸载零点处的应变。

图1 国标GB/T 25217.2—2010中4种指数计算示意Fig.1 Calculation diagram of four indices in nationalstandard GB/T 25217.2—2010

PENG S S在专著《Coal Mine Ground Control》中也给出了的计算方法和冲击倾向性分类标准，计算过程和文献[47]类似，采用单轴压缩试验，中文译本对称之为冲击能量指数(该书1978年出版第1版，1986年第2版，2008年第3版，2014年出版中文译本)。后来被广泛应用于煤的冲击倾向性研究和评价中。1983年李信在论文“煤矿冲击地压的初步研究”中在国内首次把文献[9]列为参考文献之一，把称之为煤层冲击倾向指标。1983年抚顺矿务局、阜新矿业学院冲击地压研究组撰写“抚顺煤矿冲击地压统计分析和数值分析”论文，把称之为冲击危险性能量指标。1989年华安增在论文“岩石冲击及能量释放”在国内首次把文献[11]列为参考文献之一。在应用或运用对煤的冲击倾向性进行研究或评估时，对其有很多中文称谓，见表2。对于造成这种情况的原因，可能是在各自行业的不同习惯称呼所致。对各种中英文名称及符号，引用时科学的做法要尊重并使用原始文献的初始名称或英文直译名，避免出现替换名称众多以及曲解原文本意的情况。在实际研究工作中，利用单轴压缩试验对进行计算时，对煤样形状、尺寸、峰值(极限)强度(荷载)卸载水平和冲击倾向性分类标准也存在很多差异，统计情况见表3，由表3可知，尽管煤样形状、尺寸、卸载水平区间存在众多差异，但是共同点都在峰值强度80%水平左右进行卸载，然后完成试验计算，因此卸载水平为80%是关键点。

表2 指数WET的中文称谓

纳入煤炭工业部部标准和国标历程及修订过程概述如下：1987年煤炭科学研究院北京开采研究所王淑坤起草的中华人民共和国煤炭工业部部标准《煤层冲击倾向指标测定方法》MT 174—1987中首次将指数纳入煤层冲击倾向性判定指数之一(另外一种是动态破坏时间)，该标准中称作“弹性能量指数”。1994年齐庆新和刘天泉认为我国煤岩冲击倾向指标包括弹性能量指数、冲击能量指数和动态破坏时间。2000年王淑坤、齐庆新、康立军等依托中波科技合作项目“煤层冲击倾向性的研究”成果，对上述煤炭部标准MT 174—1987进行修订，起草了“MT/T 174—2000煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法”，该标准中修改了弹性能量指数测定方法，采用48～55 mm，高径比为1.5～2.2的圆柱体试样。当试验现场没有条件加工成圆柱体试样时，可加工成50 mm×50 mm×50 mm或50 mm×50 mm×100 mm的方形柱体试样。首先选用3个试样测得单轴抗压强度取平均值作为卸载点强度的参考值，之后的加载方式和加载速度同1987年的标准，的计算方法和分级规定未改变。2010年齐庆新等对2000年国标进行进一步修订，起草了国标“GB/T 25217.2—2010冲击地压测定、监测与防治方法”(即现行标准)，其中“第2部分：煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法”对的测定进行了更细致的描述。与前两个国标版本的改动之处在于规定的标准试样统一为直径为50 mm、高径比为2的圆柱体试样。

表3 指数WET的单轴压缩试验情况和冲击倾向性分类标准

的计算原理和过程比较简单，因此应用比较广泛，不但用于煤的冲击倾向性评估中，也经常被用于岩石的岩爆倾向性判别中。但是本身也存在以下问题：① 只反映了煤样受压达到极限强度之前积蓄弹性能的能力，看不到破坏时耗能过程，揭示冲击倾向本质不完全。②所得结果为无量纲的比值，只能反映煤样峰值强度80%左右水平处弹性应变能和耗散应变能的相对大小，未能反映每个煤样峰前整体阶段弹性应变能与耗散应变能的比例关系。③ 在各论文和国标中，煤样形状和尺寸存在众多差异，分别有圆柱体、长方体和立方体，这种差异对计算结果的影响没有详细考察。④ 由于煤性质的差异性，即使对同一种煤，不同煤样的峰值强度也可能存在很多差异，实际试验时卸载水平有时很难保证处于峰值强度80%左右区间内。⑤ 如前所述，峰值强度80%左右区间卸载是单轴压缩试验中关键点，但是为何在这一区间卸载缺少理论依据或证明。

3.2 冲击能量指数KE

为了更全面地评价煤体的冲击能力，探索那些既能反映蓄能过程，又能反映(破坏)耗能过程的力学指标，是煤层冲击倾向鉴定的主要发展方向之一。煤的应力-应变全过程曲线包含有关冲击倾向的丰富信息，直观和全面地反映了从蓄能到耗能的全部过程，对于揭示冲击倾向的物理本质及分析其他冲击倾向指标，具有较为重要的意义。1985年朱之芳在研究冲击地压问题时，针对煤的单轴压缩全应力应变曲线，通过划分峰值强度前曲线和峰值强度后曲线积分得到的能量类别，用峰值强度前曲线积分得到的应变能与峰值强度后曲线积分得到的应变能比值提出了能量冲击性指标。并结合所测得110条全程应力应变曲线计算结果，给出了分类标准：当<1时，无冲击地压危险存在；当=1～2时，有冲击地压危险存在；当>2，有严重冲击地压危险存在。该指标的物理意义在于当煤样内贮藏的能量超过试样在峰值强度后所能承受的能量，即是促成冲击地压产生的动能，该指标不仅考虑了峰前阶段，而且还考虑了峰后阶段，因此在理论上更加具有说服力。

在参考文献[16]研究结果基础上，1987年王淑坤针对煤加载过程中的单轴压缩全应力应变曲线得到的力学参量进行分析，并提出用峰值前后曲线下的面积比反映煤的冲击倾向性，比值称之为冲击能量指数，并在考虑II型曲线的情况下，给出了分类标准：当<1.5时，无冲击倾向；当1.5≤<5时，冲击倾向中等；当煤峰后曲线形状为II型曲线或≥5，冲击倾向强烈。在2000年制定的“MT/T 174—2000，煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法”中规定采用冲击能量指数作为煤的冲击倾向性指数之一，国标GB/T 25217.2—2010中建议该指标通过电液伺服试验机以0.5×10～1×10mm/s应变速率进行加载来获得煤样的全应力应变曲线。冲击能量指数的计算示意如图1所示，分级标准和文献[43]一致，计算公式为

(5)

(6)

其中，为峰值前总输入能，其值为峰前曲线与坐标轴围成的面积；为峰值后破坏应变能，其值为峰后曲线与坐标轴围成的面积。2010年国标 GB/T 25217.2—2010继续采用该指数作为煤的冲击倾向性判据之一，试验和计算过程未作修改。

相对于的计算原理和表征形式，冲击能量指数考虑了煤样破坏的峰后阶段，全程考虑了受力，更加全面。但是冲击能量指数存在以下问题：①冲击能量指数所得结果为无量纲的比值，只能反映峰前总应变能和峰后总应变能的相对大小。② 煤样峰前阶段存在能量消耗，利用峰前面积和峰后面积之比计算没有扣除峰前阶段的耗散应变能。

3.3 动态破坏时间DT

KIDYBINSKI 1981年在论文中利用边长50 mm立方体煤样进行单轴压缩试验时(加载率1 MPa/s)，分析了煤样3种代表性的峰值应力跌落时间，最短的(10～20)ms，最长的达5 s。动态破坏时间中文专业术语最早见于李玉生在1985年“冲击地压机理及其初步应用”一文，认为动态破坏时间是煤样从峰值强度开始破坏到结束的瞬态延续时间。文中对3类煤样的典型破坏过程曲线及相应的破坏时间进行了分析，对强冲型煤样(加载率0.16～50 MPa/s)破坏时间为毫秒量级，弱冲击型煤样破坏时间为10 ms量级，无冲击型煤样破坏时间为100 ms量级。文中认为破坏时间可以反映能量变换的全过程，对冲击倾向敏感、易于分级以及在一定范围内不受加载速度、试样强度和压力机能力的影响，且试验系统较为简单，易于采用先进的测试系统等一系列特点，实用性较强。1986年张万斌等将煤样的动态破坏时间(Dynamic failure time，)用于衡量冲击倾向的程度，认为破坏过程时间长短是能量积聚与耗散动态特征的综合反映。文中选用直径 50 mm、高径比为1的圆柱体试样尺寸，对我国和波兰冲击地压情况不同的11个煤层、共1 070个煤样进行试验，给出了的具体分类标准。

1987年动态破坏时间和被列入煤炭工业部部标准，标准中建议选用的试样规格同之前在中论述的一致。煤样以0.5～ 1.0 MPa/s的加载速度直到破坏，并根据时间加载曲线确定其动态破坏时间。考虑到煤样力学性能具有不均质性和差异性，即使是取自同煤层的煤样力学性能会有差异，动态破坏时间曲线也会有较大差异，因此该标准在附录中根据煤破坏中存在的突然脆性破坏、台阶式下降、水平式平台台阶式下降、多台阶式倾斜下降4种的典型曲线形态给出了各自动态破坏时间的确定形式。考虑到和动态破坏时间的测定都需要从现场取大块煤样，再加工成标准试样。为了能更方便的运用在现场试验中，王淑坤在1994年提出了用点荷载法测定煤的动态破坏时间，并通过试验验证了使用点荷载法在测定不规则煤样动态破坏时间的可行性。该方法适用于不能加工成标准煤样的煤层冲击倾向性判别，且同标准煤样的分级标准一致。但该方法的缺点在于测得的动态破坏时间离散程度大，因此文中也建议在使用点荷载测动态破坏时间的时候，煤样数量不得少于50块，且尺寸为50 mm×50 mm×50 mm为宜。 2000年修订的MT/T 174—2000《煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法》和2010年国标 GB/T 25217.2—2010《冲击地压测定、监测与防治方法》第2部分：煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法中对动态破化时间的测定方法保持一致，仅在试样尺寸大小的选择上随每一版标准规定的尺寸作了调整。

3.4 单轴抗压强度σc

1999年窦林名等在“冲击矿压及其防治”一文中，给出了煤的与单轴抗压强度之间的关系式，认为“煤的冲击倾向性随单轴抗压强度的增加而增大”；将煤层划分为弱冲击倾向性(<16 MPa)强冲击倾向性(≥16 MPa)。2010年国标GB/T 25217.2—2010《冲击地压测定、监测与防治方法》第2部分：煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法中将单轴抗压强度正式列入煤的冲击倾向性的判别指数中，并给出了具体的分级标准。测试方法为：每组不少于3个标准煤样(直径为50 mm、高径比为2的圆柱体试样)，以0.5～1.0 MPa/s的速度对试样加载直到试样破坏，记录下单轴抗压强度，计算每组的平均抗压强度，示意如图1所示。2011年齐庆新等在论文“煤岩冲击倾向性研究”中，基于20多年来在煤岩物理力学性质与冲击倾向性等方面的大量试验数据，对单轴抗压强度等与冲击倾向性的关系进行了系统全面地分析，提出将煤的单轴抗压强度作为评价煤层冲击倾向性的新指数，修正后的煤岩冲击倾向性指数及分类标准纳入国标GB/T 25217.2—2010。

单轴抗压强度能够反映出煤样的极限承载能力，单轴抗压强度越高，煤样在破坏前承载能力越强，外力做功下内部积蓄的能量越多，在达到峰值强度后破坏时转化释放的动能也越大。但是，该指数也存在一定不足：① 煤作为一种均质性较差，且内部富含孔隙以及结构面的复杂地质材料，有些煤样在单轴压缩作用下，往往在峰值荷载前存在多个峰值，呈现间歇性破坏。对于峰值载荷前出现间歇性破坏的煤样，若仅以峰值强度(单轴抗压强度)为依据评价此类应力-应变曲线所对应的煤样冲击倾向性，其科学性及准确性有待商榷。② 单轴抗压强度仅反映了煤样峰前阶段加载情况，没有考虑峰后破坏阶段，无法反映煤样的全程受力过程。③ 即使在相同加载速率下，同一种煤的单轴抗压强度有时差异性也较大，而且受到加载速率的影响，并不是定值。④ 单轴抗压强度所得结果为MPa，是压强的单位，主要反映煤样最大承载能力情况。

3.5 刚度冲击性指数KCF

1985年朱之芳在专著《刚性试验机》中提出了刚度冲击性能指数，即用煤强度极限前的刚度与强度极限后塑性阶段的刚度绝对值之比来表征煤的冲击倾向性。该指数计算公式为

(7)

其中，为试样在弹性阶段的刚度；||为试样在塑性阶段的刚度绝对值。计算示意如图2所示，其中，为假设卸荷模量等于弹性模量条件下的峰值应力时刻对应的塑性应变。

图2 以弹性模量来计算峰值弹性应变能的计算假设Fig.2 Calculation hypothesis of peak elasticstrain energy by elastic modulus

3.6 模量指数Kλ

1999年潘一山在博士论文《冲击地压发生和破坏过程研究》中提出峰后软化模量概念，并给出模量指数的定义，即用煤样应力应变曲线峰值后软化模量与峰值前的弹性模量的比值为模量指数，即煤样试样在应力应变曲线中峰后斜率的绝对值与峰前斜率之比。该指数的计算示意图如图2所示，计算公式为

(8)

式中，，分别为峰值后软化模量与峰值前的弹性模量。

2019年代树红等对模量指数在煤的冲击倾向性判据中应用进行了研究，认为软化模量是决定模量指数大小的关键因素，即影响冲击地压发生的根本内因是煤在应力应变曲线峰值后的应变软化性质。

3.7 冲击能量速度指数WST

2010年潘一山在“煤层冲击倾向性与危险性评价指标研究”一文中，认为煤样破坏过程中单位时间内释放的剩余能表征了单位时间内弹性能转化成动能的多少，这也同时反映出煤的冲击倾向性的程度。而且不仅需要考虑能量因素，也应该考虑时间效应，提出了冲击能量速度指数及其分类标准，将其定义为冲击能指数与动态破坏时间的比值，该指数的示意图如图1所示，计算公式为

(9)

该指数的物理意义表征了单位时间里煤试样压缩过程中能量积聚与释放之比，反映了煤试样压缩破坏过程中能量的冲击释放能力。冲击能量速度指数越大，冲击能力越强。文中建议冲击能量速度指数需要进行大量试验与工程实例的检验，来更好地指导工程实践。

3.8 修正冲击能指数W′CP

1993年金立平等在“煤层冲击倾向性试验研究及模糊综合评判”一文中，认为煤在破坏前因塑性变形而消耗的能量，因而该指数偏于保守。煤体破坏前积聚的能量包括塑性应变能和弹性应变能，但在冲击地压发生过程中塑性应变能不能释放出来，对冲击地压的发生不起作用，因此对原有的冲击能指数进行修正，扣除了总输入应变能中的塑性应变能，提出了修正冲击能指数′，该指数的示意如图3所示，其计算公式为

(10)

图3 计算峰值弹性应变能的计算假设Fig.3 Calculation hypothesis of peak elastic strain energy

修正该指数的重心聚焦于如何准确获得峰值点处的弹性应变能，文中提出了2种方案：

(1)第1种方案。由于峰值点处的卸载曲线是未知的，所以峰值点处的弹性应变能不能直接获得，但联想到的计算过程，发现它们之间的计算过程存在相似性，最大的区别在于的计算时的最大载荷是80%～90%的峰值强度，于是近似认为峰值点处的弹性应变能与耗散应变能的比值约等于：

(11)

通过式(11)得到峰值点处的弹性应变能与耗散应变能之比后，结合冲击能量指数的计算式(5)以及式(10)联立可求得修正冲击能指数计算公式为

(12)

(2)第2种方案。试验研究表明,煤材料的卸载弹性模量和加载过程中线弹性阶段的弹性模量比较接近。据此可根据一个试样的应力应变全过程曲线，从峰值应力点直接作出峰值点的假设卸载路径，使卸荷模量等于弹性模量，再计算假设得出的峰值弹性应变能。计算示意如图2所示，计算公式为

(13)

对于两种计算假设得出的′值，分别给出了同样的分级标准。

3.9 剩余能量释放速度指数WT

2009年张绪言等综合考虑煤破坏时剩余的能量及动态破坏时间因素 ，定义了剩余能量释放速度指数：用煤样单轴压缩曲线峰值前积聚的弹性能减去峰值后损耗的能量得到的剩余能量与动态破坏时间的比值。计算公式为

(14)

如何计算峰值点处的弹性应变能同样也是计算指数的关键，文中提到“采用 MTS伺服试验机对煤弹性能量指数测试分析时，发现弹性能量指数测试试验中就包含了计算剩余能量释放速度指数所需要的全部参数”。如果采用文献[18]第1种计算方法，剩余能量释放速度指数可以通过下面公式计算：

(15)

3.10 有效冲击能量速度指数WDT

2014年李宝富等在“千秋煤矿2号煤层冲击倾向性判别指标研究”一文中，提出用煤样单轴压缩曲线峰值前积聚的弹性能减去峰值后损耗的能量得到的剩余能量，然后与动态破坏时间的比值为有效冲击能量速度指数。对于计算峰值点的弹性应变能做出新的假设，将煤样单轴压缩全程应力-应变曲线进行合理的简化和假设：① 将加载曲线简化为直线；② 煤样在峰值前弹塑性段卸载曲线简化为与原来塑性应变和相等的直线，且从点和峰值点点的卸载曲线和斜率相等，简化示意如图4所示。

图4 峰前曲线简化为直线计算峰值弹性应变能的假设Fig.4 Calculation hypothesis of peak elastic strain energyby simplifying pre-peak curves to line

由于通过峰前实际卸载曲线可以获得卸载点零处的应变即，通过式(16)得到的假设值：

(16)

进而通过△的面积得到假设的峰值点弹性应变能：

(17)

有效冲击能量速度指数的计算公式为

(18)

3.11 峰值能量冲击指数A′CF

2018年宫凤强等在岩石加载过程中发现了线性储能规律。这一规律在岩石抗拉、剪切、断裂试验、二维压缩和三维压缩试验中均存在，对煤和混凝土单轴压缩试验也适用，属于固体材料的固有材料属性规律。线性储能规律的定义为材料内部弹性应变能与输入应变能(外界作功)之间存在线性关系，即

(19)

基于线性储能规律，可以计算出煤样在峰值强度点的弹性应变能。

(20)

(21)

3.12 峰值应变能存储指数

(22)

3.13 峰值弹性应变能指数PESp

基于线性储能规律，2020年笔者等提出了峰值弹性应变能指数，它表征了煤或岩在峰值处的储存弹性应变能的大小，峰值弹性应变能指数PES可通过3.11节中介绍的线性储能规律计算。

3.14 剩余弹性能指数CEF

考虑煤样受力的峰前和峰后全过程，从能量输入、储存、消耗、剩余释放的角度以得到绝对能量密度值的思路，2021年笔者等基于煤的线性储能规律，建立了煤的冲击倾向性判别新指数——剩余弹性能指数，计算公式为

(23)

其中，为峰后破坏能。该指数单位为能量密度，乘以试样体积，可以直接计算煤样破坏过程释放能量，体现冲击倾向性的大小，因此剩余弹性能指数属于煤的冲击倾向性直接指数，可以直接和冲击释放能量建立联系。峰值弹性应变能如图5所示。

图5 峰值弹性应变能示意Fig.5 Diagram of peak elastic strain energy

3.15 有效弹性能释放速率指数KET

2021年卢志国等在“基于非线性储能与释放特征的煤冲击倾向性指标”一文中，提出用煤样单轴压缩曲线峰值前积聚的弹性能减去峰值后损耗的能量得到的剩余能量，然后与动态破坏时间的比值称之为有效弹性能释放速率指数。针对获取峰值弹性应变能这一问题，文中通过对煤样的单轴多次循环加卸载实验，发现弹性应变能与轴向应力的平方存在较好的线性关系，可以用下式表达：

(24)

通过式(24)，可以计算峰值点的弹性应变能：

(25)

有效弹性能释放速率指数计算公式为

(26)

上述16种冲击性倾向性指数的参数说明和分类标准在表4中进行了汇总。对于16种煤的冲击性倾向性指数，根据前面的分析和表4可知，只有峰值弹性应变能和剩余弹性能指数单位为能量密度，消除了煤样体积差异带来的影响，可以直接衡量煤样释放动能数值的大小，属于煤的冲击倾向性直接指数；对于剩余能量释放速度指数和有效冲击能量速度指数，其数值乘以煤样动态破坏时间，也可作为煤的冲击倾向性直接指数。第4节针对上述16种冲击倾向性指数，利用5种煤的试验结果进行验证和系统论证。

表4 煤的冲击倾向性指数分类标准

续表

4 煤的冲击倾向性试验

4.1 煤样制备、试验方案和目的

对于煤的冲击倾向性指数研究，不论是国标GB/T 25217.2—2010还是其他指数，均采用单轴压缩试验进行研究。本次试验中选用来自乌东煤矿、塔子沟煤矿、玉井煤矿、赵固煤矿、东滩煤矿的煤块制做成标准尺寸为50 mm×100 mm的煤样(弱黏煤，贫瘦煤，无烟煤和两种气煤，分别命名为C-A，C-B，C-C，C-D和C-E)。综合考虑16种冲击性倾向性指数的试验及计算方法，对煤样进行单轴压缩试验和一次循环加卸载单轴压缩试验，考察煤样加载过程中的应力、弹性模量、应变能等各项参数。试验均在INSTRON 1346电液伺服刚性试验机上进行，试验过程中采用了高速摄像仪记录煤样破坏时的过程，进行对比来验证煤的冲击倾向性指数的准确性和可靠性，实验测试系统如图6所示。前期试验结果见文献[22]。通过得到的试验曲线计算表4中16种煤的冲击倾向性指数结果。

图6 INSTRON 1346电液伺服刚性试验机和高速摄像仪Fig.6 INSTRON 1346 electro-hydraulic servo stiffnesstesting machine and high-speed camera

4.2 试验步骤和结果

试验完成后，得到了5种煤的单轴应力应变曲线，如图7所示。通过试验曲线和数据，可以获得5种煤的单轴抗压强度、动态破坏时间、弹性模量等其他力学参数，见表5。同时，5种煤在加卸载试验中各卸载应力水平处的应变能参数汇总见表6。

从5种煤的应力应变曲线可知，贫瘦煤的峰后应力-应变曲线最完整，具有明显的塑性，而其他的4种煤没有完整的峰后曲线，在达到峰值强度后应力急剧下降，说明脆性较强。弱黏煤、2种气煤和无烟煤在峰前都存在间歇性破坏，弱粘煤和无烟煤峰后曲线出现间歇、台阶式下降或多峰值现象。单轴循环加卸载试验中，在任何一种应力水平下卸载，卸载曲线都没有回到原点，产生了永久应变，说明煤样在加载过程中存在能量耗散。此外，煤样经过卸载后二次加载，二次加载曲线经过卸载点附近继续沿着初始加载曲线方向发展，说明煤具有记忆效应，一次循环加卸载过程不影响煤样的全受力过程。5种煤(C-A，C-B，C-C，C-D和C-E)的平均单轴抗压强度分别为9.13，11.45，20.99，22.88，18.45 MPa。可以看出，2种气煤和无烟煤的单轴抗压强度远远高于弱黏煤和贫瘦煤。

4.3 煤峰前加载过程中的线性储能和耗能规律

(27)

(28)

其中，为压缩耗能系数。跟相比，相差数量级，因此在一定情况下可以忽略不计。

图7 5种煤单轴压缩试验曲线(常规试验和一次循环加卸载试验)[22]Fig.7 Uniaxial compression test curves of five kinds of coal(Conventional test and single cycle loading and unloading test)[22]

表5 5种煤的基本物理和力学参数

续表

4.4 线性储能规律的应用

根据线性储能规律，将峰值处的输入应变能代入式(27)，可以准确获得峰值处弹性应变能。获得峰值处弹性应变能之后，代入4种冲击倾向性指数PES，′,和中计算，对，′,′，，也可以应用计算。然后根据各自的分类标准，获得30个煤样的冲击倾向性分类结果。

表6 5种煤样在不同卸载应力水平下的应变能参数

续表

5 基于试验现象的煤样冲击倾向性判据

对煤样做完试验后，根据16种冲击倾向性指数计算公式和类别判别标准，可以对每个煤样的冲击倾向性作出判断。但是如引言中所述，目前缺少根据单轴压缩试验后煤样的破坏过程及状态制定的煤样冲击倾向性判据，导致对16种冲击倾向性指数判别结果缺少统一的衡量标准。实际上，不论是煤矿现场的冲击地压和煤样室内冲击都是煤的破坏现象，根据煤样破坏现象和试验结果确定煤样的冲击倾向性类别是研究的初心问题和根本问题。因此，根据煤在单轴压缩状态下发生冲击破坏的过程和破坏后的状态，制定基于试验现象的煤样冲击倾向性判据非常有必要，进而可以对上述16种冲击倾向性指数的判别结果进行统一衡量。

5.1 煤冲击倾向性的统一衡量标准分析

与煤矿现场发生的冲击地压现象类似，室内试验中的具有冲击倾向性的煤样破坏同样伴随着煤屑碎片弹射和飞出。煤的冲击倾向性与破坏碎片的动能密切相关，衡量煤样冲击倾向性程度的理想方案是获取每块煤碎片的质量和速度，并利用动能公式精确计算其数值。然而，在煤样实际破坏过程中，在很短的时间内(毫秒量级)，有大量碎片向不同方向喷射，如图9所示，高速摄像机记录的C-E-6气煤试样的破坏过程。可以看出，煤样在毫秒量级的时间内爆裂，大量的碎片及煤粉沿煤样周围全方位四射飞出。目前的测试手段很难精确追踪到每一块碎片的运动轨迹，试验完成后收集和称重每个碎片及碎屑也很难实现，因此不能利用动能公式准确计算出煤样破坏时释放的动能，测量煤冲击倾向性的理想方案在目前测试技术条件下无法实现。

5.2 煤样冲击倾向性的定性分析

试验测试过程中直接观察煤样破坏过程中喷射出碎片和碎屑时，抛射的碎片及碎屑分布在INSTRON 1346试验机设备压头和试验台上，其碎片分布范围不同。如图10所示，煤样破坏时，通过观察高速摄像仪记录的破坏瞬间过程(毫秒量级)和破坏后碎片散布范围，破坏过程时间越短、破坏瞬间越剧烈，喷出碎片及碎屑越多、距离越远、范围越广，可以直观认定煤样的冲击倾向性更强(C-E-6煤样，强冲击倾向性)；与之相反的，煤样破坏时释放出的能量少，则煤的碎片速度低、飞出的距离近(C-B-2煤样，无冲击倾向性)。这是基于能量的最朴素科学认识。因此试验完成弹射碎片的分布范围在一定程度上可以反映煤的冲击倾向程度。下面结合高速摄像仪记录的破坏瞬间过程照片和破坏后碎片散布范围，借鉴文献[21]中介绍的远场弹射质量比，实现对煤样冲击倾向性的定性判别。

图8 5种煤的线性储能与耗能规律Fig.8 Linear energy storage and dissipation laws of five kinds of coals

图9 气煤C-E-6试样破坏过程Fig.9 Destruction process of gas coal C-E-6 specimen

如图10所示，以INSTRON 1346试验机为准，以设备压头的范围划分为两个场，设备压头以内是近场，设备压头以外的试验台范围是近场。所谓远场弹射质量比(Far field ejection mass ratio，标记为)，是远场内的质量除以远场内的质量和近场内的质量之和，即掉落在设备压头外的煤片质量与脱离煤样质量的比值：

(29)

关于利用远场弹射质量比衡量煤样冲击倾向性的合理性，举2种代表性情况进行说明：① 当煤碎屑全部掉落在近场范围内，远场弹射质量比=0，表明煤样无冲击倾向性；② 当煤碎屑全部掉落在远场范围内，远场弹射质量比=1，表明煤样有强冲击倾向性。上述2种代表性情况属于极端情况，对实际煤样而言，综合参考高速摄像机记录和煤样破坏后状态，本文中分别以=0.1和0.7作为无、弱、强冲击倾向性的划分区间。

进行远场弹射质量比测定时，注意事项如下：① 试验前对母体煤样进行称重；② 试验结束时，根据煤样破坏过程和破坏后状态，确定煤样母体剩余部分，该部分质量直接决定的准确性，这是决定准确性的一个关键因素；③ 试验过程后期，由于垫块重力作用，可能使破坏后的煤样进一步被垫块压塌，导致煤样母体剩余部分的计算不准确，尤其是对具有强冲击倾向的煤样要格外注意；④ 试验后，每个煤样称重前，对远场范围的煤样质量务必清理干净称重，这是决定准确性的另一个关键因素；⑤ 在对远场质量、进场质量和煤样母体剩余称重后，分别单独装袋保存，以便于后面检查核对。

图10 INSTRON 1346试验机近场和远场划分示意Fig.10 Schematic diagram of the near-field and far-fielddivision of the INSTRON 1346 experimental machine

图11是具有不同冲击倾向性程度的煤样破坏过程和状态。① 无冲击倾向性。代表性煤样C-B-2，煤种属于贫瘦煤，煤样破坏后完整程度高，只有少数颗粒掉落，碎片主要分布在设备压头上，煤样破坏过程中没有声音，=14.72 kJ/m，=0，破坏模式以剪切破坏为主。② 弱冲击倾向性。代表性煤样C-A-1，煤种属于弱黏煤，整体破碎成大块，大部分碎片落在设备压头上，少量掉落在试验台上，煤碎片沿着斜向下方掉落，速度较低，碎片主要分布在设备压头上，煤样破坏过程中有轻微声响，=26.80 kJ/m，=0.62，破坏模式以剪切破坏为主。③ 强冲击倾向性。代表性煤样C-E-6，煤种属于气煤，煤样破坏过程中发生严重的碎屑喷射，煤碎片沿着水平和斜向下方掉落，速度很快，大部分碎屑位于试验机平台上，爆裂声大，=144.47 kJ/m，=0.84，破坏模式以剪切破坏为主，伴随张拉破坏。

图11 煤样破坏过程和状态Fig.11 Failure process and state of coal specimens

5.3 基于试验现象的煤样冲击倾向性定性判据

借助高速摄像纪录，根据煤样在单轴压缩状态的发生冲击破坏的过程和破坏后的试验现象，测定远场弹射质量比，采取定性分析方法，从煤样破裂及运动特征、声学特征、煤碎片分布特征和远场弹射质量比4个方面，通过分析煤样的实际破坏过程(由高速摄像机记录)和破坏特征，将煤的冲击倾向性划分为无、弱、强3个等级，提出基于试验现象的煤样冲击倾向性定性判据及分类标准()，可以作为评价冲击倾向性指数所得结果的统一标准(表7)。

根据分类标准，30个煤样的详细分类结果见表8。由表8可知，贫瘦煤没有冲击倾向性，弱黏煤表现出弱冲击倾向性，而无烟煤和两种气煤都均有强冲击倾向性(气煤C-E-3煤样除外，具有弱冲击倾向性)。需要注意的是，基于试验现象的煤样冲击倾向性定性判据，综合考虑多种因素对煤样冲击倾向性的分类标准，分类标准受试验设备条件的影响，尤其是远场弹射质量比是针对INSTRON 1346试验机的装置情况设定。因此，利用基于试验现象的室内试验煤冲击倾向性定性判别标准()对煤样的实际冲击倾向性进行判定时，在4项评判因素中，远场弹射质量比可以对煤样碎片通过称重进行量化处理，是关键指标；其余煤样破裂及运动特征、声学特征、煤碎片分布特征都属于定性指标，可以作为参考，相关特征表述用语还有待深入探讨。

表7 基于试验现象的室内试验煤冲击倾向性定性判别标准

表8 5种煤的室内试验冲击倾向性定性判别

续表

6 冲击倾向性指数判别结果对比

利用5种煤单轴压缩试验的应力应变曲线和获得的力学、能量参数，可以分别计算16种冲击倾向性指数的具体结果，进而根据各自的分类标准评判具体的冲击倾向性类别。

6.1 国标2010版中煤的冲击倾向性指数判别结果对比

表9 5种煤的冲击倾向性指数计算结果

表10 5种煤判别结果对比

对比分析时，以基于试验现象的煤样冲击倾向性判据的判别结果为统一衡量标准。在表10判别分类结果中，以“—”表示该指数的判别结果与的判别结果相同，“↑”表示该指数的冲击倾向性程度判别结果高于的判别结果，“↓”表示该指数的冲击倾向性程度判别结果低于的判别结果。同时，上述3种情况分别对应3种系数：误判率、高判率和低判率，依次表示该指数的冲击倾向性程度判别结果与的判别结果不一致的比例。

(5)气煤C-E试样：除煤样C-E-3为弱冲击倾向性外，其他5个煤样均为强冲击倾向性。指数判定煤样C-E-5和C-E-6为强冲击倾向性，除此之外，只有指数和的判别结果完全和气煤的实际破坏状态一致，误判率为0。对于指数，其判别结果全部为弱冲击倾向性，误判率及低判率为83%。其他3个指数，和′，对C-E-3均判别为强冲击倾向性，而和′还把C-E-1判别为弱冲击倾向性。

图12 比值型判据所得结果误判实例Fig.12 Examples of misjudgment of resultsobtained by ratio-based criterion

图13给出了利用国标2010版中4种冲击倾向性指数对煤样冲击倾向性的定量结果与基于远场弹射质量比的定性判别结果对照(图13中绿、橙、红阴影的区域分别表示无冲击倾向、弱冲击倾向和强冲击倾向区)。从图13可以直观的看到，对于冲击能量指数、动态破坏时间和单轴抗压强度等3种指数，其判别结果和远场弹射质量比判别结果不能完全对应。对于单轴抗压强度，误判主要发生在无冲击倾向性的煤样中，对于弱冲击倾向性和强冲击倾向性煤样，准确率很高；对于冲击能量指数，在各种冲击倾向性程度的煤样中，误判都会发生，尤其针对无冲击倾向性和弱冲击倾向性煤样，误判率都为100%；对于动态破坏时间，误判主要发生在强冲击倾向性煤样中。相比之下，剩余弹性能指数的判别结果和远场弹射质量比的判别结果完全一致，从而实现了煤样冲击倾向性定量判别结果与定性判别结果的互相印证及统一，两者均符合煤样冲击破坏是弹性应变能动态释放的最朴素认识。此外，计算指数的煤样数量只有9个，不能和其他3种指数同等比较，其误判率且为低判率是11.1%。

6.2 其他煤的冲击倾向性指数判别结果对比

除6.1节对比的7种冲击倾向性指数，还有另外9种指数，对其判别结果也进行对比分析(其中指数′有2种计算方法，所得结果以′和′区分，冲击倾向性指数计算结果见表11，冲击倾向性类别结果见表12)。

图13 煤样冲击倾向性的定量与定性判别结果对照Fig.13 Comparison of quantitative and qualitative discrimination results of bursting liability of coal specimens

表11 5种煤的冲击倾向性指数计算结果(其他指数)

表12 5种煤判别结果对比(其他指数)

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6.3 国标2010版综合评判结果对比

国标2010版规定当弹性能指数、冲击能量指数、动态破坏时间、单轴抗压强度四个指数的判定结果发生矛盾时，采用模糊综合评判方法，并对照附录中给出的冲击倾向性综合评判结果表，确定煤样冲击倾向性类别。根据国标2010版规定，利用模糊综合评价方法来综合判定30个煤样的冲击倾向性，将其结果与剩余弹性能指数判别结果、定性判别结果进行对比，见表13。从表13中可以看出，采用模糊综合评价法不但要测定4个指数，而且对于比例占到1/3的煤样较难进行综合判定，需要对每个测试值与对应指标所在类别临近界定值进行比较评判才能进一步综合判断其冲击倾向性。

结合6.1和6.2节的分析，可知剩余弹性能指数具有科学性与良好的适用性，可以用于煤的冲击倾向性判定中。

表13 模糊综合评价方法(国标2010版方法)

7 冲击地压机理的认识

为了更加明确煤的冲击倾向性在冲击地压机理中所起的具体作用，本节对冲击地压的机理进行详细分析。冲击地压原来在自然界并不存在，完全是由于人类进行深部矿产资源开采等工程建设时诱发产生的，属于最典型的深部工程地质灾害。“没有深部煤矿开采，就没有冲击地压”，进一步从力学问题考虑，深部的确切含义实际上是指高地应力(包括高地应力环境或高地应力集中，统称高地应力)，即“没有高地应力煤层开采，则没有冲击地压”。既然冲击地压是由开采活动诱发产生的，因此冲击地压的预防和控制也必须从开采活动的角度治理。

由于冲击地压是高地应力煤层开采中出现的安全生产事故，因此冲击地压机理和“人、煤、环(境)”3项要素密切相关，分别对应“开采”、“煤层”和“应力”3项本质要素，属于特定的系统。本文借鉴钱学森提出的“人-机-环”系统工程学思想，提出冲击地压“人-煤-环”三要素机理，如图14所示。在“人-机-环”三要素中，“人”指工作主体(决策或操作人员)，主要研究人的特性(工作能力、基本素质、体力负荷等)；“机”指人所控制的一切对象(工具、机器、计算机、系统等)，通常人为制造产生，主要研究机器的特性(机器可操作性、可维护性等)；“环”指人、机共处的特定工作条件(如温度、噪声、振动等)，主要研究环境的特性(环境检测、控制、建模等)。在“人-煤-环”三要素中，“人”泛指和开采相关一切人为工程因素，具体分为技术因素和管理因素，主要研究开采方案、冲击地压监测、防治方法与技术及实施过程；“煤”指煤层，即开采的主要对象，属于天然地质体，主要研究煤成分及结构、煤层结构及形态、厚度、倾角等；“环”指地应力环境，主要研究采动区域原始地应力场以及采动后的次应力场变化和响应规律，煤层顶底板岩层性质和结构、断层与褶曲、煤层厚度及坡度、煤层深度都会影响地应力分布环境。针对具体的冲击地压矿井，“煤”和“环”要素紧密联系，具有天然存在性、独一无二性和位置固定性。

冲击地压在“人-煤-环”三要素共同作用下发生，缺一不可。3项要素各自有限定条件，对冲击地压而言，煤层必须是具备一定储能能力的硬煤，应力必须是高应力，开采涉及众多较复杂因素，而且和应力是互馈关系，并随着工作面的推进也会影响煤层情况。例如鹤岗矿区富力煤矿连续发生冲击地压造成严重的人员伤亡和财产损失，其原因在于有冲击地压倾向煤层、矿井垂深400 m、不合理的巷道布置形成半岛应力区造成压力叠加显现；开滦矿区深部冲击地压发生与否的主要控制因素为煤岩体物理力学性质、构造应力、开采深度和开采工艺及技术条件。

冲击地压“人-煤-环”三要素机理中，3项要素两两组合，在缺乏第3个要素作用下，不会发生冲击地压。例如“煤层+开采”两要素组合，当高地应力要素具备时，煤层成为冲击地压高危区域(例如抚顺胜利矿和龙凤矿、老虎台矿都随着开采深度的增加，冲击地压次数、频度和强度都明显增加；华东平原某矿煤层中褶曲构造的两翼部分，垂直应力与水平应力均属于压应力，破断岩层自重与滑移挤压作用，使得巨型岩体在顺煤层方向有力的作用与移动趋势，两翼区域内地应力集中程度相对较高，易聚集较高能量，褶曲构造区域是冲击地压高危区域)。在高地应力条件下，甚至即使浅部煤层，也可能发生冲击地压(例如1933年抚顺胜利矿开采到地表以下200公尺(m)遭遇了冲击地压；个别煤矿在开采深100～155 m的条件下也发生冲击地压)。但是缺乏高地应力要素，即使是深部开采也不一定会发生冲击地压(例如煤矿深部原先发生冲击地压的煤层，经过钻孔卸压、顶板水压致裂等防治措施后，改变煤层内高应力状态，不再发生冲击地压)。

图14 冲击地压“人-煤-环”三要素机理Fig.14 “Human-Coal-Environment” threeelements mechanism of coal burst

图14中，在缺乏“应力”要素条件下，“煤层+开采”两要素组合用白色表示冲击地压不会发生(例如露天煤层开采)。“应力”要素是冲击地压发生的必要条件之一。再如“煤层+应力”两要素组合，缺乏开采要素，即使是地应力再大，深部煤层在开采前始终处于3向平衡状态，不可能发生冲击地压；而且即使开采进行后，也不是所有的开采活动都会引发冲击地压，只有特定的开采方式条件下，冲击地压才会显现(例如抚顺龙凤矿“冲击地压多发生在回采工作面，尤其多集中于新采区的头幅工作面里，而且一般发生在工作面打眼、爆破、落煤等工序进行期间，特别是放炮以后…大量发生在工作面推进前方的支承压力带附近”；新疆铁厂沟煤矿在放松动夹矸炮时诱发工作面发生冲击地压，工作面距地表仅155 m)。研究冲击地压发生机理的关键问题，在于在煤层和应力环境等灰箱条件下能否揭示诱发冲击地压的开采方式，即什么样的“人”的要素诱发了冲击地压。进一步辩证的看待该问题，如果能够科学的揭示什么样的“人”的要素诱发了冲击地压，那么同时也为通过调整“人”的要素——即调整开采方式，避免诱发冲击地压提供了理论依据和可行性(例如老虎台矿实践证明，综放开采适合于冲击地压煤层开采...在采煤工作面布置上采取了避开大的地质构造带布置采煤工作面...回采顺序上在时间和空间上分散安排不在同一区域同一时间同时回采避免采场之间的采动应力互相叠加、扰动造成冲击地压危险，进而大大降低了发生冲击地压的可能性...放慢工作面推进速度对防止冲击地压有较好的效果)。图14中，在缺乏“开采”要素条件下，“煤层+应力”两要素组合用白色表示冲击地压不会发生(例如深部煤层矿床)。“开采”要素是冲击地压发生的必要条件之一。需要注意的是，“应力+开采”两要素组合条件下，如果缺乏“煤层”要素，首先是缺乏先决条件，则整个开采活动无法启动，这也说明了“煤层”要素是其他两个要素的基础和关键，是冲击地压发生的必要条件。图14中，在缺乏“煤层”要素条件下，“应力+开采”两要素组合用灰色表示不存在该组合。只有具备“煤层”要素而且达到一定的条件，包括硬煤及煤层结构合适，才有可能诱发冲击地压(例如抚顺胜利矿冲击地压发生在中硬质煤处最多，硬质煤处较少...若在强大压力下发生冲击地压的强度也较大)；在软煤条件下，理论上不可能发生冲击地压(例如抚顺胜利矿软质煤一般不发生冲击地压...软质煤可压缩性大，具有可塑性，易被压出，缓和了地压强度，不致发生冲击...)。“煤”要素也是开展煤的冲击倾向性指数研究的理论基础和依据。有关文献中对煤矿冲击地压的实录分析资料为“人-煤-环”三要素机理提供了佐证。例如，在“煤矿冲击地压的初步研究”一文中“天池煤矿冲击地压灾害的能量来源于煤层的弹性应变能，煤层的弹性特性乃是天池煤矿冲击地压发生的基础条件”对应“煤-煤层”要素；“天池煤矿的顶底板岩石抗压强度为1 000～1 400 kg/cm...具有弹性且坚硬不易冒落...在煤层上形成很高的采掘支承压力”对应“环境-应力”要素；“顶底板岩石突然卸压而使其储存的弹性应变能以震动形式突然释放，加重了冲击地压灾害”对应“人-开采”要素。再如义马煤田冲击地压灾害极为严重，主要矿井在强冲击倾向性、高地应力环境及F16 逆冲断层区域水平构造应力分布极不均匀容易产生应力集中、上覆巨厚坚硬砾岩顶板的复杂地质赋存环境共同作用下，工作面开采过程中极易发生应力集中，造成冲击动力失稳。

冲击地压“人-煤-环”三要素机理中各要素之间存在的辩证关系为冲击地压防控提供了理论基础和依据。各种防控方法和措施都可以围绕三要素展开，只要消除其中一个要素就可以阻止冲击地压的发生。在三要素中，煤层和应力是客观存在的要素，只有“人”是主观因素。“人”的要素在冲击地压机理中具有辩证关系，既是冲击地压的诱发因素，也是防治冲击地压的主导因素。因此，要发挥人的主观因素，科学认识煤层和应力客观因素以及客观规律，在此基础上通过采取具体措施或调整开采活动，达到防控冲击地压的目的。大量实践证明，深部煤层中可以采取措施改变煤层性质，例如对煤体预注水、预打大直径深孔、开槽等，采用深孔爆破增加煤体中的裂隙，使煤体变得更 “软”，都可以达到防止、减缓冲击地压的目的。上述措施实际上是通过调整“人-煤-环”系统中的“煤”参数信息防治冲击地压。

在明确冲击地压“人-煤-环”三要素机理中各要素相互关系基础上，需要深入认识各要素在“黑箱-灰箱-白箱”系统辨识理论中的特点。冲击地压原先在自然界并不存在，是开采到深部(高应力)煤层中出现的一种动力破坏现象。冲击地压刚出现时，在人们的认知范围内属于“黑箱”，随着人们对冲击地压研究程度的深入和认知水平的提高，目前冲击地压已逐渐成为“灰箱”。此外，在三要素中，“煤”和“环境”属于自然因素，是信息极不完全或极不确定的系统，因此就人们的认知广度和深度以及获取的信息量而言，2者都是“灰箱”；“人”属于人为因素，从行为上说是信息相对完全或相对确定的系统，因此是“白箱”。但是“人”的行为会引发“煤”和“环境”的变化，即“白箱”的行为会引发2个“灰箱”信息的变化(主要表现为煤层采动区域和采动应力场的动态变化，例如富力煤矿不合理的巷道布置造成压力叠加显现是造成冲击地压的根本原因)，引发2个灰箱系统更多的不确定性。针对实际煤矿开采，防治冲击地压的关键问题和难点是在煤层和应力环境等双灰箱条件下能否找到合理的开采方式(包含技术因素和管理因素)，这是目前冲击地压问题的困难和关键问题所在。

8 煤和岩石的属性认识

如前言中所述，冲击地压主要发生在深部煤层中，岩爆主要发生在深部硬质围岩中，煤和岩石分别是冲击地压与岩爆发生的介质对象。因此，研究冲击地压和岩爆的机理，以及煤和岩石的冲击倾向性指数，必须科学认识煤和岩石的力学属性和材料属性。

8.1 力学属性差异

图15为利用INSTRON液压伺服刚性材料试验机进行试验得到的5种代表性岩石和本文5种煤的单轴压缩应力应变曲线，通过试验曲线可以考察岩石或煤的强度特征，还可以了解试样的峰后变形特征。图16为14种岩石和本文5种煤的峰值弹性应变能平均值，该值可以反映岩石或煤的极限(最大)储存弹性应变能的能力。图17为14种岩石和本文5种煤的剩余弹性能指数平均值，该值可以反映岩石或煤的到达峰值强度后破坏时释放动能的能力。

图15 岩石和煤的单轴压缩应力应变曲线Fig.15 Uniaxial compressive stress-straincurves of rock and coal

图16 岩石和煤的峰值弹性应变能Fig.16 Peak elastic strain energy of rock and coal

在图15～17中，对于黄锈石、汉白玉、大理岩和贫瘦煤，可以根据试验结果直接认定没有岩爆倾向性或无冲击倾向性。根据高速摄像纪录和试样破坏后的特征，综合远场弹射质量比和剩余弹性能指数的判别结果，采用定性和定量相结合的方法，判定黑砂岩具有轻岩爆倾向性，黄砂岩、青砂岩、红花岗岩和红砂岩具有中岩爆倾向性，青山麻、灰岩、板岩、黄花岗岩、岳阳麻和细花岗岩具有强岩爆倾向性。本文中的弱黏煤具有弱冲击倾向性，无烟煤和2种气煤具有强冲击倾向性。

图17 岩石和煤的剩余弹性能指数Fig.17 Residual elastic energy index of rock and coal

从图15可以看出，所有岩石的单轴压缩强度和弹模都远远大于煤的单轴压缩强度和弹性模量，而煤的峰值应变普遍大于岩石的峰值应变。对于平均单轴压缩强度分别为75.04和67.66 MPa的黄锈石和汉白玉而言，均没有任何岩爆倾向性。而对于具有弱冲击倾向性的弱黏煤平均单轴压缩强度为9.13 MPa，具有强冲击倾向性的无烟煤和2种气煤平均单轴抗压强度分别为22.88，21.00和18.45 MPa。在图16中，岩石的峰值弹性应变能普遍大于煤的峰值弹性应变能，说明同等体积的岩石储能能力普遍比煤大许多。没有岩爆倾向性的黄锈石、汉白玉和大理岩的峰值弹性应变能均值分别为104.5，87.5和38.2 kJ/m，而具有弱冲击倾向性的弱黏煤峰值弹性应变能均值为22.6 kJ/m。图17为岩石和煤的剩余弹性能指数统计。轻岩爆倾向性以上的岩石剩余弹性能指数都在100 kJ/m以上，而强冲击倾向性的煤剩余弹性能指数都在100 kJ/m以下。

对上述结果进行分析可知，即使在同一台刚性试验机上对岩石和煤进行单轴压缩试验，在强度、弹性模量和储能特征等方面，各种岩石和各种煤各自之间可以互相对比(即岩石和煤分开，各自互相比较)，而且规律性比较明显。但是岩石和煤之间却缺少可对比性。如果利用衡量岩爆倾向性的岩石强度和储能规律，来衡量煤的冲击倾向性，其结果会与实际情况完全不符。例如，岩石单轴抗压强度和岩爆倾向性之间有相对较好的对应关系，单轴抗压强度越大则岩爆倾向性越强。而且单轴压缩强度小于60 MPa(GB T50218—2014工程岩体分级标准中，60 MPa为较坚硬岩区间上限)的岩石没有岩爆倾向性(图16中黄锈石和汉白玉大于60 MPa也没有任何岩爆倾向性)。对于煤而言，其单轴压缩强度普遍小于30 MPa(GB T50218—2014工程岩体分级标准中，30 MPa为较坚硬岩区间下限或者较软岩的区间上限)。如果借助岩石单轴压缩强度与岩爆倾向性的对应关系，判别煤的冲击倾向性，则所有的煤都不具备冲击倾向性，这一判别结果显然不符合事实。同理，利用剩余弹性能指数统一衡量标准来判别岩石和煤的岩爆或冲击倾向性时，也会出现不符合事实的情况。利用岩石剩余弹性能指数划分标准来判别岩石岩爆倾向性时，剩余弹性能指数小于50 kJ/m时为无岩爆倾向性。而煤剩余弹性能指数划分标准为大于30 kJ/m为强冲击倾向性。可以看出，从释放能量的角度，不能用同一剩余弹性能指数划分标准衡量岩石和煤的爆裂及冲击倾向性。

发明刚性试验机的目的是为了得到脆性材料的完整峰后应力应变曲线。在图16中，岩石和煤的单轴压缩试验都是在同一台INSTRON液压伺服刚性材料试验机进行测试。不论是岩石还是煤，如果分开各自进行比较，都会表现出一定的规律性，即随着弹性模量及强度的增大，试样峰后应力应变曲线逐渐由完整变得不完整。但是，如果把岩石和煤放在一起比较，很显然，黄锈石和汉白玉的弹性模量远远大于弱黏煤、无烟煤和气煤，在单轴压缩试验中都可以得到完整的应力应变曲线，而弱黏煤、无烟煤和气煤的弹性模量远小于黄锈石和汉白玉，却得到不到完整的应力应变曲线。图18，19为有严重冲击地压的某矿二号层煤样注水前后的(单轴压缩)应力应变曲线，从图18，19可以看出，未注水煤样峰后应力应变曲线不完整，而注水后的应力应变曲线相对比较完整。因此，从材料刚度的角度考虑，岩石和煤不能放在一起统一比较，只能分开各自比较。

图18 注水和未注水煤样应力应变曲线对比[43]Fig.18 Comparison of stress-strain curves ofinjected and non injected coal samples[43]

图19 煤样应力应变全程曲线[43]Fig.19 Stress-strain curves of coal samples[43]

8.2 材料属性差异

在8.1节中主要分析了煤和岩石在强度特征、储能能力和释能特性方面的差异，可以看出者在力学性质上存在本质差异。两者力学性质的本质差异根本原因来源于材料属性上的本质差异。

煤是植物遗体先后经过复杂生物化学作用和物理化学作用而转变成的沉积有机物组合体。在物质构成上，煤主要由碳、氢、氧、氮和硫等5种主要元素及少量矿物混合而成，属于固体可燃有机岩。岩石是组成地壳的主要物质之一，是构成地球岩石圈的主要成分。不论是火成岩(岩浆岩)、沉积岩和变质岩，在物质构成上，主要由一种或几种矿物和天然玻璃组成，属于固体不可燃无机岩。

另一方面，在煤和岩石的结构上，煤结构特征主要指其组成成分的形态、大小、厚度、植物组织残迹，以及它们之间的相互关系所表现出来的特征。岩石结构主要体现在矿物颗粒的大小、结晶程度、矿物的形状以及它们之间的相互关系所表现出来的特征。

煤和岩石的物质组成及结构特征决定了两者存在材料本质属性差异，材料本质差异直接决定了力学性质上的差异，具体包括强度特征、储能能力、释能特性、弹脆性、渗透性及瓦斯流动性等。因此，即使在名称上把煤称之为“煤岩”，在力学属性和材料属性也必须认识到煤和岩石属于两种不同的天然地质介质。冲击地压的发生介质主要是煤层，但是顶底板都是岩层，因此对于冲击地压机理和防治，不但要研究煤和岩石的力学和能量特征，更要重视“煤-岩组合力学”的研究。

虽然冲击地压和岩爆同属于深部(高地应力)工程地质灾害现象。但是冲击地压是深部固体可燃有机岩的动力破坏现象，岩爆则是深部固体不可燃无机岩的动力破坏现象。如果把冲击地压看作是岩爆的一种，必须要科学的区分其定义，不能笼统的用岩爆定义冲击地压：冲击地压可以称之为煤岩岩爆或者有机岩岩爆；隧道及煤矿岩巷岩爆称之为硬岩岩爆或者无机岩岩爆。为了更加深入的阐明冲击地压和岩爆的发生机理，在具体研究时，应把冲击地压和岩爆并列对待，均看作是深部(高地应力)工程地质灾害现象。在阐明两者机理的基础上，再考虑合并的可能。

9 煤冲击倾向性指数研究中的关键科学问题

研究煤的冲击倾向性指数目的是为了评估煤破坏时的冲击动能，为冲击地压机理、监测、预防和控制提供基础性的依据。综合前面8节的分析，目前煤冲击倾向性指数研究中存在的关键科学问题如下：

(1)试样形状的影响没有进行充分考虑。弹性能量指数(应变能存储指数)测试的原始文献采用立方体煤样，后来普遍采用圆柱体煤样进行试验(也有部分采用立方体煤样)。虽然煤样形状不同，但是所采用的冲击倾向性类别划分准则相同，煤样形状改变带来的影响目前还没得到充分考察。

(2)弹性能量指数(应变能存储指数)成立的有效性缺少理论证明。测试过程中，关键步骤是加载到煤样峰值强度80%～90%处进行卸载。为何在这一区间内卸载缺少理论依据，目前还未看到针对煤单轴压缩试验提供理论依据的证明论文。

(3)对煤的冲击倾向性直接指数的研究不够深入。冲击地压本质上是动能的释放过程，具有冲击倾向性的煤样破坏也是弹性应变能的动态释放过程。但是目前大多数指数都属于煤的冲击倾向性间接指数，无法直接衡量煤样冲击破坏时释放的动能。

(4)如何精确的测量煤样破坏时释放的动能是衡量冲击倾向性程度的最终目标和最科学标准。限于目前的测试手段，暂时还无法精确测量煤样破坏时释放的动能，今后应重点发展精确测量方法。

(5)研究煤的冲击倾向性不但为冲击地压发生机理服务，还应该为煤层的有效支护提供理论依据。在精确获取煤的冲击倾向性直接指数的基础上，可以根据煤层现场情况估算发生冲击地压时释放出的动能，从而为支护选型提供理论支撑。

(6)现有研究手段均采用单轴压缩试验，没有考虑深部煤样的应力环境及应力路径的影响。单轴压缩试验只能测试煤样的材料冲击倾向性，仅考虑了三要素机理中“煤”要素的影响，无法考虑“应力”要素和“开采”要素。在以后的研究工作中，应进行煤样三轴压缩卸载试验，基于能量储耗规律研究应力环境及应力路径对煤样冲击倾向性的影响，反映深部高应力煤层开采过程，以此促进冲击地压发生机理的研究。

10 结 论

(1)系统梳理了煤的冲击倾向性相关专业术语提出情况，有助于理清对煤的冲击性科学认识过程。系统梳理过程中提供了启示，在科学研究中当专业概念、术语提出后，应给出相应的定义，以此明确概念和术语的具体内涵、外延及其边界条件，便于准确理解。

(2)明确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，有助于把握煤的冲击倾向性指数的研究本质。鉴于煤样破坏时释放出动能，因此能够以能量参数直接衡量煤样释放动能的指数，定义为煤的冲击倾向性直接指数；不能够以能量参数直接衡量煤样释放动能的指数，定义为煤的冲击倾向性间接指数。

(4)提出了基于试验现象的煤的冲击倾向性定性判据及分类标准(其中远场弹射质量比是关键指标，属于能体现煤样弹性应变能释放相对大小的指标)，并辅助以高速摄像机记录和煤样破坏后状态，以客观衡量标准统一验证了16种煤的冲击倾向性指数的判别结果准确率。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。

(5)首次实现了煤的冲击倾向性定量判据和定性判据在判别结果上的相互验证和统一。剩余弹性能指数属于煤的冲击倾向性定量判别指数，而基于试验现象的判别属于煤的冲击倾向性定量判别。两种判据判别结果之所以相互统一，根本原因在于两者均以煤样破坏释放弹性应变能为基础，拥有共同的内在本质。另外，依据剩余弹性能指数可以对煤破坏后释放出的动能进行定量评估，进一步为煤层防冲支护系统的设计提供科学依据，这也是未来研究的重点。

(6)系统论证了剩余弹性能指数在评价煤样冲击倾向性方面的科学性和适用性。剩余弹性能指数属于煤的冲击倾向性直接指数。该指数以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。

(7)本文的对比结果主要基于5个煤矿的煤样试验曲线和数据进行，虽然能够反映一定的对比情况，但是后期应加大不同地区煤矿煤样的同类试验，进一步检验剩余弹性能指数的准确性和适用性。本文的研究基于现有的煤样试验方法和条件下，目的是对煤的冲击倾向性指数方法本身进行探讨。针对煤样试验方法和条件中存在的问题，不在本文探讨范畴之列。

(8)冲击倾向性直接指数是煤的冲击倾向性未来的研究方向。剩余弹性能指数只是煤的冲击倾向性直接指数中的一种，在今后的研究工作中，还需要进一步研究和发展更加科学、精确的冲击倾向性直接指数。

(9)系统提出了冲击地压“人-煤-环”三要素机理，揭示各要素之间的相互关系和逻辑关系。3个要素各自有自己的限定范围，都在限定范围内相互组合才可能诱发冲击地压，同属于冲击地压发生的必要条件。以储能和释能为特征的煤样冲击倾向性，反映“煤”要素信息，是冲击地压发生的先决条件。

(10)煤、岩石分别属于固体可燃有机岩和固体不可燃无机岩，在物质组成和结构方面的材料性质本质差异决定了两者在力学性质上的差异。地质介质上的差异决定了煤的冲击倾向性和岩石的岩爆倾向性存在很大不同，对冲击地压和岩爆的深入研究应区别对待，而且不能笼统的用岩爆定义冲击地压。煤层中的冲击地压可以称之为煤岩岩爆或者有机岩岩爆；隧道及矿山岩巷岩爆称之为硬岩岩爆或者无机岩岩爆；两者在发生机理上存在各自特点。

各位审稿专家在对本文审稿过程中提出了很多宝贵意见。很多审稿意见十分中肯，促使作者对煤的冲击倾向性和冲击地压发生机理进行了更加深入的思考和分析，也使得论文内容更加趋于完善，非常感谢各位审稿专家对本文的认真审阅。笔者特向各位审稿专家致以诚挚的感谢和敬意！