馬念杰張文龍李軍連小勇任建舉

中國礦業(yè)大學(北京)能源與礦業(yè)學院,北京 100083

沖擊地壓是煤礦井下一種嚴重的動力災害,與巖爆現(xiàn)象[1-2]類似,其發(fā)生經(jīng)常無明顯預兆[3],可預測性較差。 沖擊地壓破壞性較強,嚴重時可致數(shù)百米巷道瞬間破壞甚至完全閉合[4-5],支護結構瞬間失效[6]。 沖擊地壓的發(fā)生經(jīng)常沒有規(guī)律,發(fā)生條件各異,很難統(tǒng)一解釋與預測。 要理清沖擊地壓的發(fā)生機理,首先要明確沖擊地壓機理研究應該揭示或解釋的問題,進而建立沖擊地壓機理的評價指標與方法。 對沖擊地壓機理進行評價,可以指明下一步應該研究的方向。

沖擊地壓歸根結底是一種能量的釋放過程,能量特征是沖擊地壓機理研究的基礎,是沖擊地壓現(xiàn)象的基本特征。 沖擊地壓發(fā)生機理的要素是研究對象和內容時應該說明的問題或遵循的原則。 本文分析了沖擊地壓能量釋放特征與機理要素,建立了沖擊地壓機理的評價體系,對現(xiàn)有沖擊地壓機理進行了分析,明確了蝶型沖擊機理對評價體系的契合程度,并對沖擊地壓機理的后續(xù)研究方向進行了展望。

1 沖擊地壓機理研究現(xiàn)狀

近70年來,國內外眾多學者對沖擊地壓的發(fā)生提出了各自的機理(或理論、原理),從各個角度進行了詮釋,主要理論包括剛度理論(剛度為沖擊地壓發(fā)生的條件[7])、強度理論(強度決定了煤巖體的破壞[8])、能量理論(外界給予系統(tǒng)的能量超過破壞所需能量[9])、沖擊傾向性理論(沖擊傾向性是沖擊地壓發(fā)生內在因素[10])、“三準則”理論(在“強度理論”“能量理論”和“沖擊傾向性理論”基礎上提出的約束準則[11])、失穩(wěn)理論(系統(tǒng)處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)臨界點時,外界微小擾動即會導致瞬間失穩(wěn)[12])、“三因素”理論(內在因素、力源因素、結構因素[13])、動靜載原理(動載與靜載的共同作用[14])、沖擊啟動理論(沖擊分為啟動、傳遞、顯現(xiàn)三個階段[15])、蝶型理論(圍巖塑性區(qū)的蝶形突變[16-17])等。 學者們取得豐碩研究成果的同時,也存在一些問題,主要是:

(1) 沖擊地壓機理作為世界性難題,當前研究對其發(fā)生的根本原因尚未理清,仍然不能全面系統(tǒng)地揭示沖擊地壓災害機理,還需要進一步深入研究。

(2) 學者們對于沖擊地壓機理各執(zhí)己見,說法不一,缺乏統(tǒng)一的評價指標與體系。 當前機理研究的量化評價工作迫在眉睫,只有明確了沖擊地壓機理研究的要素與指標,后期機理的研究才有章可循。

2 沖擊地壓能量釋放特征

對于沖擊地壓而言,煤巖體的突然瞬時破壞歸根結底是能量驅動下一種狀態(tài)的改變,因此從能量特征的角度對其進行研究會比較真實地反映其破壞規(guī)律[18-19]。 本文分析認為,沖擊地壓的能量釋放具備突然性、瞬間性、集中性3 個基本特征。

2.1 能量釋放突然性

沖擊地壓的“能量釋放突然性”表示其能量釋放前,經(jīng)常無明顯征兆突然就發(fā)生了。 例如,2014年發(fā)生在陜西省高家堡煤礦的“11.13”沖擊地壓事故,發(fā)生前未發(fā)現(xiàn)任何前兆;同年陜西省孟村礦的“6.5”沖擊地壓事故,也未發(fā)現(xiàn)任何前兆,微震系統(tǒng)也未監(jiān)測到明顯的震動事件[20]。

沖擊地壓的發(fā)生是一種突變的過程(與突變理論類似),沖擊地壓發(fā)生前參與沖擊地壓的工程巖體處于平衡狀態(tài),但如果該平衡狀態(tài)的控制變量(可能為巷道所處應力狀態(tài)、觸發(fā)應力、支護條件、水、采動影響等)位于臨界點附近,那么控制變量的微小改變就可以導致巷道及圍巖經(jīng)歷不平衡狀態(tài)(巷道破壞、煤體拋出、支護破壞、煤塵等),達到另一個平衡狀態(tài)(沖擊地壓結束的狀態(tài))。 不平衡狀態(tài)的破壞速度及程度,取決于臨界點前后狀態(tài)變量的變化速率及變化總量。

蝶型沖擊地壓機理認為,巷道塑性區(qū)(以最大半徑Rmax表征)在某受力狀態(tài)前后存在突然擴展現(xiàn)象。 本文以某巖石(φ=20,E/λ=2;φ為內摩擦角,E為彈性模量,λ為降模量)為基礎,繪制了最小主應力p3恒等于20 MPa 條件下,Rmax隨最大主應力p1的不斷增大的相應變化曲線(圖1)。 從圖中可以看出,當p1=58.6 MPa(最大主應力與最小主應力的比值為2.93)時,塑性區(qū)的半徑突然增大了10 倍以上,表明在該力學狀態(tài)前后,塑性區(qū)狀態(tài)變量發(fā)生了突變,揭示了沖擊地壓“能量釋放突然性”的特征。

圖1 蝶型沖擊機理揭示的塑性區(qū)半徑變化曲線Fig.1 Plastic zone radius curve revealed by butterfly rock burst mechanism

2.2 能量釋放瞬間性

沖擊地壓的發(fā)生一定需要系統(tǒng)前期不斷積累能量或進行能量的轉變,當積累或轉變的能量達到一定的臨界點時,在一定的觸發(fā)條件下就會發(fā)生大范圍的動力破壞現(xiàn)象,這就是量變到質變的過程。而量變到質變的發(fā)展過程是需要時間的,因此沖擊地壓的能量釋放過程一定與時間指標相關聯(lián)[21],而且從現(xiàn)場事故來看,這種量變到質變的發(fā)展過程是瞬間的,沖擊地壓通常持續(xù)零點幾秒至十幾秒。

對于臨界系統(tǒng)而言,如果對其施加一定的外力(給予一定的能量)是“瞬間”給予的,對于系統(tǒng)的破壞也將可能是瞬間的,造成的破壞會更大;但如果是“緩慢”給予的,那么結果可能完全不同,系統(tǒng)或許根本不會破壞或破壞很小。 這同樣說明破壞的程度與力的施加時長有直接關系。 沖擊地壓是系統(tǒng)能量的一種“瞬時”釋放,這個“瞬時”為極短的時間,才會導致強烈的動力災害。

沖擊地壓會在某一個時間節(jié)點停止,而不是持續(xù)進行,即系統(tǒng)由平衡狀態(tài)轉向不平衡狀態(tài),又從不平衡狀態(tài)轉向平衡狀態(tài)的過程是短暫的,而且轉向后期平衡狀態(tài)后,短時間內不會再形成沖擊地壓。 這表明一次沖擊地壓事故會在較短的時間內結束或停止,持續(xù)時間很短。

蝶型沖擊機理采用塑性區(qū)幾何尺寸與觸發(fā)應力波到達時間的比值指標,來表征該時間范圍內煤巖體塑性區(qū)擴展的快慢程度,作為評判瞬間程度的指標。 由于應力波在煤巖體中的傳播速度較快,以P波為例,其在煤體中傳播速度通常大于2 000 m/s,相比巷道圍巖的尺寸而言,可以認為觸發(fā)應力導致的塑性區(qū)擴展基本是同步的,即認為部分圍巖在各個方向的單元體從彈性狀態(tài)轉為塑性狀態(tài)的過程是瞬間完成的,從而導致彈性應變能的釋放是瞬間的。

2.3 能量釋放集中性

在所有的井工開采煤礦災害中,沖擊地壓災害的破壞性是排在前列的,其破壞性主要體現(xiàn)在:動輒幾十上百米甚至上千米的巷道嚴重損毀、支護系統(tǒng)瞬間失效(錨桿錨索瞬時破斷等)、設備沖毀、人員傷亡、煤體拋出(幾噸到幾百噸)、沖擊波等。2014年4月8日發(fā)生在華亭煤礦的沖擊地壓,造成1 000 m 巷道瞬間底鼓量超過1.5 m[22]。 從現(xiàn)場來看,沖擊地壓能量的釋放是集中的。 這里需要指出,“能量釋放集中性”包含兩方面含義:(1)明確能量釋放的方式;(2)能量計算應該做到定量化。

本研究將地震領域中的“相關區(qū)域”概念引入到?jīng)_擊地壓領域中,認為“沖擊地壓震源既包括產(chǎn)生破裂失穩(wěn)且消耗能量的破裂體,也包括參與巖體破裂和地層震動能量供給的‘相關區(qū)域’地層,相關區(qū)域尺度能夠達到破裂體的幾倍到幾十倍”。圖2 顯示了破裂體(半徑為r)與相關區(qū)域(半徑為R)之間的關系,將“相關區(qū)域”定義為釋能體或應力相關區(qū)。 “相關區(qū)域”概念直接擴大了沖擊地壓的研究范圍,即沖擊地壓的研究不僅要研究巷道附近的圍巖,而且要研究幾倍到幾十倍于巷道圍巖的區(qū)域,這些區(qū)域為沖擊地壓的發(fā)生提供了能量來源。 事實上沖擊地壓釋放能量遠大于破裂體蘊含的能量。 這里需要研究“相關區(qū)域”到底多大,具體集中釋放了多少能量,如何定量化計算。

圖2 破裂體與相關區(qū)域關系Fig.2 Diagram of relationship between fracture body and related area

蝶型沖擊機理建立了簡單的力學模型,利用4個模型兩兩相減的方式計算得到了力學狀態(tài)改變過程釋放的能量值,該過程消除了模型大小的影響。 蝶型沖擊機理對能量釋放的量化計算體現(xiàn)了其集中程度。 但需指出的是,蝶型沖擊機理并未指出釋放能量的具體地點(能量釋放的起點),其僅按照創(chuàng)新性計算方法得到了釋放能量值,至于動力破壞從何處首先發(fā)起,還應結合具體地質條件綜合確定。

3 沖擊地壓機理要素

所謂機理,是指事物變化的理由和道理,機理首先要明確說明事物變化的理由(原因),提出明確的形成要素;其次要說明事物變化的道理,即事物自始至終是怎么變化的,要體現(xiàn)過程和結果。 要特別說明的一點是,機理與機制不同,機制是指各要素之間的結構關系和運行方式,機理是大于機制的;機理與理論也是不同的,機理是理論形成的基礎,首先弄清楚機理,才能形成完整的理論,即理論>機理>機制。

沖擊地壓機理是眾多機理研究中的一種,應該明確機理研究的要素,提出應該遵循的基本原則。

3.1 形成要素

著名的“因果”[23]關系是哲學的重要研究內容之一,最早起源于古希臘亞里士多德的“四因說”,其中的“動力因”指出,機理應該明確解釋事物或現(xiàn)象為什么開始運動,又為什么停止。 “因果”是變化過程和原因的具體描述,一種現(xiàn)象通常由一個或多個原因引發(fā)的。 沖擊地壓機理只有理清形成要素,才能真正算得上是“機理”。

另外,沖擊地壓機理揭示應盡量以方程式推導為基礎,做到形成要素的具體化。

3.2 關鍵要素

系統(tǒng)論認為,關鍵要素指的是導致一個結果發(fā)生、變化、發(fā)展不可替代的要素[24],即事物的結果中,關鍵要素較其他要素而言,起到了至關重要的作用,關鍵要素以外的要素起到的僅僅是催化或助力的作用。

要明確什么是沖擊地壓發(fā)生的關鍵因素,可以從沖擊地壓能量的主要來源進行分析。 本研究將所述沖擊地壓機理分為兩類:①沖擊關鍵因素為“系統(tǒng)”外的能量,即沖擊地壓發(fā)生的關鍵要素為外部的震動干擾、頂板破斷動能、動載影響等,這些因素決定了是否發(fā)生沖擊事故;②沖擊關鍵因素為“系統(tǒng)”本身的能量,即沖擊地壓發(fā)生的關鍵因素產(chǎn)生于系統(tǒng)本身,其力學狀態(tài)起決定性作用,外部干擾僅僅是誘導因素。 因此,要想確定關鍵因素,就需要確定沖擊地壓事故發(fā)生時,何種條件是必須參與的,何種條件不是必須參與的。 對于不必須的條件而言,有的沖擊地壓事故并沒有該條件的參與就發(fā)生了,那么其肯定不是關鍵因素。

因此,對于機理研究而言,應該在具體化形成要素的基礎上,確定哪個或哪些要素是關鍵要素,指明結果的發(fā)生是何種關鍵要素導致的。

3.3 假設條件

著名的“奧克姆剃刀”原理[25](又稱簡單性原理),是科學界常用的一個準則,它認為假設條件越少,機理揭示程度越高。 具體表述為:如果多個理論同時都能解釋某一現(xiàn)象,對于現(xiàn)象最簡單的解釋往往比復雜的解釋更正確。 因此,在揭示沖擊地壓機理時,應該盡量以最少的假設條件作為前提條件展開研究。 然而對于科學研究而言,要想進行普遍性規(guī)律與機理的研究,很難綜合考慮所有因素與條件,必然要將某些條件理想化或者進行一些簡化。 表1 中列出了主要沖擊地壓機理的假設條件。假設條件的多少并不決定機理的科學性,但假設條件更少的機理更正確。

表1 沖擊地壓機理的假設條件Tab.1 Hypothesis of evaluation mechanism

蝶型沖擊地壓機理建立了簡單的力學模型,通過嚴格的數(shù)學力學公式進行推導,來揭示沖擊地壓發(fā)生機理。 它得出的結果適用于不同準則條件、不同巷道形狀、不同層狀圍巖條件等,而其假設條件只有介質的連續(xù)變形。

3.4 普遍規(guī)律性

“普遍性”是事物或規(guī)律的重要評判指標。 哲學認為,馬克思主義真理具有普遍性[26],能夠揭示普遍規(guī)律。 辯證唯物主義認為,辯證法是現(xiàn)實世界中一切運動、一切生命、一切事物的推動原則,具有最高普遍性。 規(guī)律、理論等的適用性問題上,能否揭示普遍規(guī)律,直接決定了規(guī)律或理論有沒有找到最根本的問題。 找到根本性問題,所有看似復雜的問題就只是根本問題的不同表現(xiàn)而已。

沖擊地壓機理屬于工程科學問題,很難做到馬克思主義真理和辯證法的“普遍性”程度,但應盡量尋求事物發(fā)生或改變的本質,去揭示各種情況下沖擊地壓發(fā)生的本質共性。 或者說,去研究或發(fā)現(xiàn)特定條件下的機理或規(guī)律,是為了更好地揭示事物發(fā)生或改變的本質問題,但要做到根本防治沖擊地壓,還是要研究“普遍性”機理。 近些年,許多學者在沖擊地壓機理研究上做了大量工作,有的“普遍性”較強,有的只是揭示了特定條件下的發(fā)生機理,這些工作都為沖擊地壓機理的研究做出了貢獻。

4 沖擊地壓機理評價體系

以前述指標和要素為基礎,建立的沖擊地壓機理評價指標體系(簡稱“3+4”指標體系),如圖3所示。

圖3 沖擊地壓機理評價指標體系Fig.3 Evaluation index system of rock burst mechanism

體系劃分為目標層、主準則層、次準則層。 目標層為沖擊地壓機理評價結果,主準則層為沖擊地壓能量釋放的特征指標和沖擊地壓機理的要素指標。沖擊地壓能量釋放的特征指標主準則層劃分為三個次準則層,分別為能量釋放突然性、能量釋放瞬間性、能量釋放集中性。 沖擊地壓機理的要素指標主準則層包括四個次準則層,分別為具體化的形成要素、明確的關鍵要素、最少的假設條件和盡量揭示普遍規(guī)律。 體系的評價分為四個等級,分別為優(yōu)秀、良好、合格、較差。

4.1 評價指標權重的確定

本文提出的沖擊地壓機理指標權重計算采用層次分析法。 體系包含兩個主準則層指標,當體系中只有兩個指標時,直接確定各自權重即可。 兩個主準則層指標重要程度相當,因此確定主準則層權重u1和u2均取值0.5。

次準則層均采用層次分析法進行計算,次準則層標度值采用經(jīng)典的1 ～9 級標度方法[27]進行取值。

沖擊地壓能量釋放的特征指標有3 個次準則層:瞬間性指標是最重要的指標,體現(xiàn)了沖擊地壓與普通冒頂事故的區(qū)別;集中性是第二指標,體現(xiàn)了沖擊地壓能量釋放的集中程度;突然性為第三指標,體現(xiàn)了狀態(tài)變量在發(fā)生突變時無明顯宏觀征兆。 基于以上原則,結合專家評判結果,得到3 個指標的兩兩比較矩陣結果(式1)。

沖擊地壓機理的要素指標中,關鍵要素最為重要,只有明確了關鍵要素,沖擊地壓的監(jiān)測與防治才能抓住重點;形成要素為第二重要的指標,體現(xiàn)了導致沖擊地壓發(fā)生的具體條件;普遍規(guī)律性是機理研究的一項原則,重要程度在上述兩項指標之后;假設條件是機理研究時的前提,機理研究時很難做到完全沒有假設條件,因此其重要性排在最后。 基于以上原則,結合專家打分結果,得到的4 個指標的兩兩比較矩陣結果見式(2)。

將矩陣A1和A2進行歸一化處理后,計算得到特征指標次準則層的權重向量W1=(u11,u12,u13)=(0.16,0.54,0.30);要素指標次準則層的權重向量W2=(u21,u22,u23,u24)=(0.20,0.60,0.08,0.12)。

綜上,得到的各準則層權重計算結果見表2。

表2 準則層權重計算結果Tab.2 Weight calculation results of criterion layer

對各準則層權重進行一致性檢驗,計算得到W1和W2權重向量的最大特征根λmax分別為3.01 和4.06,UR值分別為0.005 和0.02,均小于0.1。 通過一致性檢驗表明,目前確定的準則層權重計算結果合理。

4.2 綜合評價結果與評價等級

對各準則層進行打分(結果為vij),結合權重結果即可得到?jīng)_擊地壓機理的綜合評價結果R(式3)。 每個準則層按[0 ～1]范圍進行打分。 對于能量釋放突然性、瞬間性指標,按照揭示程度取[0 ～1];對于具體化的形成要素、明確的關鍵要素指標,能夠體現(xiàn)指標的,即為1,不能體現(xiàn)指標的,直接取0;對于能量釋放集中性指標,能夠體現(xiàn)集中釋放的,取0.5,能夠量化計算的,根據(jù)量化的程度取0.6 ～1;對于相對性指標,如最少的假設條件指標,可采用以1 為基礎,每增加一個假設條件降低0.2 的方法;對于模糊性指標,如盡量揭示普遍規(guī)律指標,如果僅從某一特例揭示機理,取0.2 ～0.4,而從一定角度出發(fā),研究確定普適性機理的,可根據(jù)揭示程度取值為0.8 ～1。

得到?jīng)_擊地壓機理的綜合評價結果R后,根據(jù)結果可進行分類評價,具體評價等級劃分區(qū)間見表3。

表3 評價等級取值區(qū)間Tab.3 Value range of evaluation grade

5 應用案例

基于以上指標評價結果,通過建立的評價體系對本文所述主要沖擊地壓機理進行了分析。 結果顯示,早期的剛度理論、強度理論、能量理論、沖擊傾向性理論、“三準則”理論均提出了明確的形成要素,但部分機理對于3 個能量特征指標揭示程度較差,沒有體現(xiàn)明確的關鍵要素。 近期的失穩(wěn)理論、“三因素”理論、動靜載原理、沖擊啟動理論也明確了機理的形成要素,揭示了普遍規(guī)律,但部分機理對能量釋放突然性指標體現(xiàn)程度不足,對能量釋放集中性指標的研究尚停留在定性程度,并未達到定量化。

按照建立的評價方法對蝶型沖擊地壓機理進行了評價:

蝶型沖擊地壓機理中,前態(tài)塑性區(qū)的形成通常無特異宏觀表現(xiàn),導致在沖擊地壓事故發(fā)生前無明顯征兆可循,基本體現(xiàn)了沖擊地壓的突然性,但不排除巷道周邊塑性區(qū)形成前兆的可能性,故v11取值0.8;圍巖塑性區(qū)在某一主應力比值前后出現(xiàn)的瞬時突變現(xiàn)象一定程度上體現(xiàn)了沖擊地壓的瞬時性[28-29],但由于時間長度并未絕對表達,故v12取值0.8;蝶型沖擊機理以“4 個模型”[30-32]計算得到了沖擊地壓能量的來源及釋放具體量值,對沖擊地壓的量化研究起到了一定作用,但并未完全體現(xiàn)其集中釋放性,尤其在具體顯現(xiàn)地點方面,因此v13取值0.8。

蝶型沖擊地壓機理中,明確指出沖擊地壓的形成要素為基本條件、前態(tài)塑性區(qū)、觸發(fā)應力,其中基本條件為“已有采掘空間”和“強度關系(p1>單軸抗壓強度σc)”,故v21取值為1;蝶型沖擊地壓機理論證了沖擊地壓發(fā)生的關鍵要素為前態(tài)塑性區(qū)、觸發(fā)應力或二者組合,并明確了前態(tài)塑性區(qū)對于沖擊地壓事故的重要影響,故v22取值為1;蝶型沖擊地壓機理的假設條件僅有一個:介質的連續(xù)變形,故v23取值為0.8;蝶型沖擊地壓機理從塑性區(qū)和能量的角度出發(fā),研究的是普適性機理,力求揭示不同條件下的本質共性問題,雖然達不到哲學等的“普遍性”程度,但其研究方法和研究原則在工程領域的機理研究中,已經(jīng)較大程度地達到了揭示普遍規(guī)律的目標,故v24取值為0.8。

綜上,按照式(3)的計算方法,蝶型沖擊地壓機理的綜合評價結果為0.88,達到了優(yōu)秀級別。

6 結論與展望

本文提出了沖擊地壓機理研究應該體現(xiàn)的指標,初步建立了煤礦沖擊地壓機理的評價方法,主要研究成果如下:

(1) 建立了沖擊地壓機理“3+4”評價指標體系,主準則層包含“沖擊地壓能量釋放的特征指標”和“沖擊地壓機理的要素指標”。

(2) 在沖擊地壓機理評價指標體系基礎上,依據(jù)層次分析法計算了各指標的權重值,得到了綜合評價結果的計算方法,并進行了結果分級。 按照建立的沖擊地壓機理評價指標體系對蝶型沖擊地壓機理進行了評價,結果為“優(yōu)秀”。

沖擊地壓歸根結底是力學問題,首先應從力學角度出發(fā),建立最簡單的模型,以嚴謹?shù)牧W推導為研究方法,才能尋求到真正的科學真相,才能得到更科學合理的沖擊地壓機理。