煤礦動(dòng)力災(zāi)害廣義“三因素”機(jī)理探討

李海濤,齊慶新,趙善坤,李宏艷,舒龍勇,陳理強(qiáng)

(1.煤炭科學(xué)研究總院 深部開采與沖擊地壓防治研究院,北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ，北京 100013;3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013;4.山東科技大學(xué)，山東 泰安 271019)

0 引 言

煤礦深部開采及其帶來的挑戰(zhàn)已成為無法回避的新常態(tài)。其中，沖擊地壓、煤與瓦斯突出以其復(fù)雜的形成機(jī)制和劇烈的破壞特征，成為威脅煤礦安全生產(chǎn)最為主要的動(dòng)力災(zāi)害形式[1]。自1738年英國南史塔福煤田首次發(fā)生沖擊地壓、1834年法國魯阿雷煤田首次發(fā)生煤與瓦斯突出以來，包括我國在內(nèi)的多個(gè)主要采煤國家，在煤礦動(dòng)力災(zāi)害(指沖擊地壓、煤與瓦斯突出)防控方面持續(xù)投入了大量資源，而機(jī)理研究作為有效防控的根本前提，更是各國學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)，配合著措施執(zhí)行裝備的強(qiáng)化[2-3]，動(dòng)力災(zāi)害防控實(shí)踐取得了令人矚目的成就。

但煤、巖介質(zhì)具有極為復(fù)雜的天然構(gòu)造和賦存狀態(tài)，而采掘活動(dòng)又在此基礎(chǔ)上增加了人工結(jié)構(gòu)(井巷、采空區(qū)及其空間組合等)和動(dòng)態(tài)特征，同時(shí)，煤巖系統(tǒng)作為統(tǒng)一整體，發(fā)生在其內(nèi)部的任何具體現(xiàn)象，天然受到系統(tǒng)內(nèi)多種因素的綜合影響。由此，使得目前在動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性評估/評價(jià)、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、防控措施設(shè)計(jì)等方面，仍存在經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)、現(xiàn)場針對性弱的短板。而構(gòu)建邏輯清晰且具有較好兼容性的動(dòng)力災(zāi)害認(rèn)知體系則是解決上述問題的前提。由于氣體參與下突出的破壞特征與沖擊地壓存在明顯差異，實(shí)際研究中更多將2種災(zāi)害區(qū)別對待，但從力學(xué)角度而言，2種災(zāi)害均發(fā)生在由開采形成的“礦體-圍巖”系統(tǒng)之中，其宏觀尺度的基本力學(xué)模型并未因破壞特征不同而有所區(qū)別[4-5]，即使進(jìn)入細(xì)觀尺度，2種災(zāi)害的研究也都圍繞裂隙的發(fā)育展開，而不論是卸荷加載還是氣體壓力，其在災(zāi)害中的基本作用均體現(xiàn)為介質(zhì)變形和裂隙發(fā)育[6-7]。由此，在求同存異的原則下，將此2種災(zāi)害的研究成果進(jìn)行二次梳理，以獲得抽象程度更高、更接近于本質(zhì)的動(dòng)力災(zāi)害認(rèn)知將具備合理性和可行性。

為此，需將“礦體-圍巖”系統(tǒng)具體化：首先，必然需要考慮介質(zhì)的物理力學(xué)等固有屬性；其次，礦體、圍巖在工程尺度以塊體組合的形式存在，進(jìn)而涉及結(jié)構(gòu)問題；最后，原巖應(yīng)力和開采活動(dòng)將為具體力學(xué)行為的發(fā)生提供動(dòng)力。而類似概念，在齊慶新[8]提出的沖擊地壓“三因素”理論中已經(jīng)有所闡述，即內(nèi)在因素(煤巖的沖擊傾向性)、結(jié)構(gòu)因素(具有軟弱結(jié)構(gòu)面和易于引起突變滑動(dòng)的層狀界面)和力源因素(高度的應(yīng)力集中或高變形能的貯存與外部的動(dòng)態(tài)擾動(dòng))，三者的相互作用是導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生最為主要的原因。該理論將沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理明確到了具體的要素和邏輯上，對于防控工作具有切實(shí)的指導(dǎo)作用。而煤與瓦斯突出中的“綜合作用假說”，也提出了包括地應(yīng)力、瓦斯和煤的物理力學(xué)性質(zhì)在內(nèi)的“三要素”概念。但上述理論均面向單一災(zāi)害，導(dǎo)致各自概念的兼容性有限，但鑒于上述概念較好的可擴(kuò)展性，有必要在煤礦動(dòng)力災(zāi)害泛化研究的視角下實(shí)現(xiàn)上述認(rèn)知的統(tǒng)一。

基于此，筆者在不拘泥于沖擊地壓和煤與瓦斯突出概念的前提下，從介質(zhì)屬性、荷載應(yīng)力、裂隙發(fā)育、變形破壞等更為一般化的概念出發(fā)，以分析煤巖物理力學(xué)行為本源的方式，對煤礦動(dòng)力災(zāi)害形成機(jī)理進(jìn)行了更為泛化的探討，在符合已有共識的前提下，提出了煤礦動(dòng)力災(zāi)害廣義“三因素”機(jī)理，明確了其內(nèi)涵邏輯、力學(xué)模型等基本要素，并給出了其潛在應(yīng)用場景和未來研究方向，為最終形成具有切實(shí)指導(dǎo)作用的煤礦動(dòng)力災(zāi)害防控端理論體系做出了有益的探索。

1 煤礦動(dòng)力災(zāi)害孕育及發(fā)生的基本邏輯

為實(shí)現(xiàn)回歸本源的目的，相關(guān)結(jié)論應(yīng)具有盡可能少的前置條件以強(qiáng)化其普適性，因此，首先采用常識性推理的方法對煤礦動(dòng)力災(zāi)害的基本邏輯進(jìn)行梳理。對于煤礦動(dòng)力災(zāi)害，其最為關(guān)鍵的特征即突發(fā)性和破壞性。其中，突發(fā)性是其動(dòng)力特征的描述，暗示著狀態(tài)突變機(jī)制的存在；而破壞性則來自大量煤巖介質(zhì)的高速拋出，是稱其為“災(zāi)害”的依據(jù)。以此為線索反推：大量介質(zhì)高速拋出時(shí)的主要能量形式為動(dòng)能，該部分動(dòng)能顯然來自拋出前的勢能轉(zhuǎn)化，而轉(zhuǎn)化效率則以彈性勢能(彈性變形能)為最。因此，動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生勢必以大量的彈性能有效積聚為前提，該結(jié)論在行業(yè)內(nèi)具有廣泛的共識。

以大量彈性能有效積聚為切入點(diǎn)，為達(dá)到該狀態(tài)，需遵守以下常識性邏輯：①必然存在持續(xù)的能量補(bǔ)給源頭；②必然需要依賴于介質(zhì)的某些屬性以保證主體能量形式為彈性變形能；③必然存在某種制約機(jī)制以保證彈性能積聚至失穩(wěn)致災(zāi)的量級；④制約機(jī)制必然會在特定條件下突然失效，形成大量彈性能以劇烈釋放。

為更加直觀地解釋上述邏輯，可將其歸納為“氣球”模型：以持續(xù)注入氣體使氣球爆炸為目的，“持續(xù)注入氣體”對應(yīng)邏輯過程①；整個(gè)過程“氣球”應(yīng)保持足夠彈性，對應(yīng)邏輯過程②；注入過程中需要卡緊注氣入口，且不能有過度的“氣體泄漏”，對應(yīng)邏輯過程③制約機(jī)制的存在，以及彈性能積累速度應(yīng)大于能量耗散速度的前提；當(dāng)“氣體”注入量達(dá)到“氣球”極限，或者在未達(dá)到極限之前外部出現(xiàn)“針刺”等行為，則氣球爆炸，對應(yīng)邏輯過程④達(dá)到制約機(jī)制自身極限或出現(xiàn)外部擾動(dòng)，破壞了平衡狀態(tài)導(dǎo)致彈性能大量急劇釋放，形成災(zāi)害，其流程如圖1所示。

圖1 動(dòng)力災(zāi)害泛化研究基本邏輯Fig.1 Basic logic of dynamic disaster generalization

2 持續(xù)能量源的形式及作用機(jī)制

對沖擊地壓而言，能量源形式可以是較大的埋深、懸臂的頂板、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)形成的構(gòu)造等，總體以造成煤巖介質(zhì)發(fā)生變形為特征；而對于煤與瓦斯突出，在上述形式的基礎(chǔ)上，不斷解吸的瓦斯也能夠在特定條件下形成彈性變形能積聚，為突出時(shí)的煤體拋出提供動(dòng)力。除上述相對穩(wěn)定的能量源形式外，還存在礦震、爆破、回采擾動(dòng)等偶發(fā)性的能量源，同樣能夠造成短時(shí)間的能量狀態(tài)變化，但是否能夠致災(zāi)，一般還需依賴于穩(wěn)定能量源作用下彈性能積聚的量級[9]。

對上述能量源形式的作用機(jī)制，可依據(jù)開采階段進(jìn)行分析，多數(shù)能量源形式在開采前即存在，但由于原巖應(yīng)力狀態(tài)下煤巖系統(tǒng)總體處于平衡狀態(tài)，因此，采前各能量源并未使介質(zhì)產(chǎn)生額外變形，開采卸荷前介質(zhì)處于三向應(yīng)力狀態(tài)，線彈性條件下以主應(yīng)力表示的單元體三向受力條件存儲能量E3為

(1)

式中：σ1、σ2、σ3為最大、中間、最小主應(yīng)力；μ、E分別為煤巖泊松比、彈性模量。

對于初始卸荷，應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為雙向或單向，其能量狀態(tài)也將相應(yīng)隨之跌落為E2或E1，根據(jù)最小余能量原理[10]，該部分躍遷產(chǎn)生的盈余彈性能E3-E2或E3-E1將大部分轉(zhuǎn)化為塊體動(dòng)能，一定程度可解釋卸荷后煤巖的彈射以及含瓦斯煤層在揭煤石門處最易發(fā)生突出的現(xiàn)象。但現(xiàn)實(shí)條件下，并非每次卸荷都會造成塊體拋出，因此，強(qiáng)調(diào)其對于煤巖的破壞作用可能更為確切。

與初始的快速卸荷不同，開采過程中的卸荷對于煤巖體的作用將更具持續(xù)性，可抽象為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的卸圍壓過程，對應(yīng)研究表明，隨圍壓降低，其破壞形式也將由剪切破壞逐步向張拉劈裂過渡，其原因在于，三軸條件下的介質(zhì)屈服主要服從摩爾-庫侖準(zhǔn)則，其形式為

σ1=[(1+sinφ)/(1-sinφ)]σ3+σc

(2)

式中：φ為煤體內(nèi)摩擦角；σc為煤體單軸抗壓強(qiáng)度。

而單軸條件下最小主應(yīng)力σ3=0，其屈服僅需要滿足σ1>σc即可，由于-10,顯然三軸條件下的屈服強(qiáng)度大于單軸條件，也由此解釋了同軸壓相似材料在低圍壓條件下強(qiáng)度更低的現(xiàn)象。由此，結(jié)合“礦體-圍巖”模型(圖2)。

圖2 “礦體-圍巖”相互作用系統(tǒng)模型Fig.2 “Orebody-surrounding rock” model

模型外部應(yīng)力環(huán)境由上覆巖層、周邊地質(zhì)構(gòu)造等多種因素提供，為方便闡述，將應(yīng)力分別投影至垂直和水平2個(gè)方向。煤炭開采將會導(dǎo)致局部承載實(shí)體減少，并由此引發(fā)局部應(yīng)力重分布，以鄰空實(shí)體煤為研究對象：失去部分承載實(shí)體的垂直方向荷載將更多的作用于鄰空實(shí)體煤，由此產(chǎn)生頂板沉降和支承壓力，二者均等效于豎向加載，靠近鄰空面的煤體由于圍壓較低，更容易出現(xiàn)破壞，由外而內(nèi)形成破碎區(qū)、裂隙區(qū)和彈性區(qū)，在煤壁深處開始出現(xiàn)彈性能積聚；失去部分承載實(shí)體制約的水平方向荷載，其促進(jìn)鄰空局部煤體向空區(qū)移動(dòng)的趨勢將增強(qiáng)，但由于同期豎向支承壓力的提升，使得該區(qū)域煤巖接觸面剪應(yīng)力亦出現(xiàn)增加，進(jìn)而能夠與上述水平荷載的作用形成一定平衡，若由于某種原因該平衡喪失，則會引發(fā)黏滑；層狀賦存的底板也將會由于水平荷載的作用產(chǎn)生向空區(qū)鼓出的趨勢。此外，在上述卸荷引發(fā)的等效加載作用下，煤體內(nèi)原生裂隙將出現(xiàn)張開閉合、發(fā)育貫通等行為，對于含瓦斯煤層，上述行為將直接影響瓦斯壓力水平，而較高瓦斯壓力的形成與煤體屬性和制約機(jī)制均有關(guān)聯(lián)，將在下文進(jìn)行闡述。

除上述持續(xù)穩(wěn)定的能量源形式外，還會由于天然礦震、人工爆破以及開采擾動(dòng)等形成偶發(fā)性能量源，該類能量源往往以應(yīng)力波的形式通過實(shí)體介質(zhì)進(jìn)行傳播，其作用模式以能量狀態(tài)擾動(dòng)為主，而是否能夠致災(zāi)，則更主要的取決于穩(wěn)定能量源所形成的彈性能積聚量級，雖作用時(shí)間短，但其在準(zhǔn)臨界狀態(tài)下誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害的作用不容忽視。

綜上所述，持續(xù)能量源依靠卸荷后的等效加載作用，能夠?yàn)榻橘|(zhì)變形、裂隙發(fā)育、瓦斯解吸等基本行為的發(fā)生提供動(dòng)力，但顯然并不能由此即保證形成的能量形式為彈性能，進(jìn)而引出彈性能積聚對于介質(zhì)屬性的依賴。

3 彈性能存儲的介質(zhì)屬性條件及其影響機(jī)制

首先，需明確介質(zhì)屬性的研究尺度，否則在嚴(yán)格意義上所有問題都將是基本粒子的結(jié)構(gòu)問題。目前對于動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理研究的尺度下限為細(xì)觀尺度，主要關(guān)注在光學(xué)或常規(guī)電子顯微鏡下可見的材料細(xì)微結(jié)構(gòu)[11]，其尺寸大致處于10-4～1 mm量級，大于該量級則作為結(jié)構(gòu)問題，小于該量級則進(jìn)入微觀原子級別，對于工程界還尚未顯示出該尺度下的研究必要。因此，在動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理研究中，介質(zhì)屬性包括：物質(zhì)類別(物理?xiàng)l件下無法改變)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征(孔隙率、滲透率等)及其力學(xué)行為(單軸抗壓強(qiáng)度、彈性能指數(shù)等)。即所謂煤巖屬性是人為對于細(xì)觀特征及其影響下力學(xué)行為的總結(jié)，這與介質(zhì)宏觀力學(xué)行為取決于細(xì)觀特征演化的常識是相符的。

其次，彈性能積聚需要以具體的物質(zhì)載體，可為固體也可為氣體。對于沖擊地壓，其彈性變形能載體主要相對完整煤巖等固體，在持續(xù)力源的作用下，煤巖介質(zhì)將出現(xiàn)變形、裂隙貫通及破壞，進(jìn)而要求介質(zhì)具有較大強(qiáng)度，使其在承載過程中保持較好的完整性，該類屬性主要通過沖擊傾向性指標(biāo)進(jìn)行描述；對于煤與瓦斯突出，除固體介質(zhì)外，其彈性變形能還能夠以氣體為載體，該特征要求所涉及煤巖體具有較高的瓦斯含量，且能夠充分解吸為游離態(tài)瓦斯進(jìn)而形成承壓狀態(tài)，該類煤體的強(qiáng)度往往因瓦斯的存在而普遍較低，在荷載作用下易出現(xiàn)豐富的裂隙發(fā)育，通常以滲透率、瓦斯含量、孔隙壓力等指標(biāo)描述。

3.1 彈性能存儲于固體

當(dāng)彈性能存儲于固體時(shí)，介質(zhì)屬性的作用機(jī)制可通過簡化的細(xì)觀含裂隙線彈性模型闡述，如圖3所示。

圖3 細(xì)觀線彈性模型Fig.3 Meso linear elastic model

其中，物質(zhì)類別通過模型實(shí)體部分表征，其在純物理?xiàng)l件下無法改變，主要參數(shù)為彈性模量E、泊松比μ、單元模型長度L以及受載條件下產(chǎn)生的均勻應(yīng)變ε，細(xì)觀結(jié)構(gòu)則以簡化為豎向發(fā)育的裂隙代表，其主要參數(shù)包括裂隙發(fā)育速度vc，模型上下端面受軸向勻速v位移加載。

模型尚未受裂隙切割時(shí)的承載面積為A0，由此，模型強(qiáng)度P可表示為

P=EεA0

(3)

受載過程中開始發(fā)育的裂隙將模型切割有N個(gè)子承載面，第i個(gè)子承載面長度為Ai。裂隙的發(fā)育將會改變介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)，其弱化效果可表示為

σc,i=σ0(1-Di)，σc,i≤σcσc,i=0，σc,i>σc

(4)

式中：σ0為初始強(qiáng)度；σc,i為第i個(gè)子承載面的強(qiáng)度；Di為與第i個(gè)子承載面相關(guān)的損傷因子,σc為單軸抗壓強(qiáng)度。

最先達(dá)到抗壓強(qiáng)度的細(xì)觀結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞，若達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)的子承載面有n個(gè)，則模型總體的強(qiáng)度可表示為

(5)

由于裂隙長度對于介質(zhì)強(qiáng)度的弱化作用十分復(fù)雜，此處作定性處理損傷因子Di，Di可表示為

Di=ξvc，it/L

(6)

式中：ξ為與裂隙特征有關(guān)的調(diào)整系數(shù)；vc，i為第i個(gè)子承載面兩側(cè)裂隙的平均發(fā)育速度，將其作為常量處理；t為加載時(shí)間。

若采用恒定速率v的位移加載，加載時(shí)間t則模型應(yīng)變ε為

ε=vt/L

(7)

則模型強(qiáng)度P可表示為

(8)

由此，進(jìn)一步產(chǎn)生ΔU的位移，外部荷載做功增量ΔW為

ΔW=PΔU=PvΔt

(9)

裂隙的能量損耗與其形態(tài)、密度等具有直接的關(guān)系，其量化關(guān)系十分復(fù)雜，為此，已有研究將其定性處理為裂隙總長度C的函數(shù)，產(chǎn)生ΔU位移期間，裂隙總長度增加ΔC，其能量損耗的增量[12]可表示為

(10)

由式(10)可知，裂隙發(fā)育引起的能量耗散，與裂隙總長度亦即裂隙發(fā)育時(shí)間相關(guān)，已有研究表明，較快的加載速率下試件將會表現(xiàn)出更強(qiáng)的脆性以及更大的強(qiáng)度，即快速加載條件下意味著更少的能量耗散，結(jié)合上式，裂隙發(fā)育時(shí)間t將是關(guān)鍵因素，而較快加載速率對應(yīng)著不充分的裂隙發(fā)育時(shí)間，以此也解釋了工作面推進(jìn)速度對于沖擊危險(xiǎn)性的關(guān)鍵影響。

由此，若不考慮模型與外界的能量交換，則可獲得在產(chǎn)生增量位移ΔU期間，綜合了實(shí)體介質(zhì)屬性以及細(xì)觀裂隙發(fā)育的彈性能增量ΔWe表達(dá)式為

ΔWe=ΔW-ΔWc=

(11)

由式(11)可以看出，即使實(shí)體部分為最簡單的線彈性材料，也會由于細(xì)觀結(jié)構(gòu)(裂隙)的存在，使得彈性能的積聚狀態(tài)趨于復(fù)雜，而要解釋上述復(fù)雜性，則應(yīng)從細(xì)觀結(jié)構(gòu)入手，并考慮加載條件這一最初動(dòng)力。為此，將累積位移U和增量位移ΔU作為常量處理，則加載時(shí)間t及其增量Δt可表示為

(12)

則式(11)可表達(dá)為

(13)

以加載速率v為變量，則可進(jìn)一步形式化為

(14)

由此，得到彈性能增量與加載速率的關(guān)系表達(dá)式，其物理意義為加載速率提升造成更多的彈性能積聚。但模型子承載面具有承載上限，加載速率的提升，在積聚更多彈性能的同時(shí)，也會造成更多子承載面的破斷，進(jìn)而喪失儲能能力。由此，加載速率增大，在抑制裂隙發(fā)育，促進(jìn)彈性能積聚的同時(shí)，也會由于子承載面更快達(dá)到破斷極限，出現(xiàn)不利于儲能的情況，即單一參量的線性增加，能夠造成2種截然不同的結(jié)果，這就是造成復(fù)雜性的根源所在，如圖4所示。

圖4 裂隙發(fā)育與承載結(jié)構(gòu)協(xié)同作用示意Fig.4 Schematic of synergistic effect between crack development and bearing structure

綜上所述，涵蓋物質(zhì)類別及細(xì)觀結(jié)構(gòu)影響的介質(zhì)屬性，對于彈性能積聚的影響具有顯著的非線性機(jī)制，更為重要的是，對于天然煤巖介質(zhì)的力學(xué)屬性描述，必須給出對應(yīng)的力學(xué)環(huán)境或限定標(biāo)準(zhǔn)加載條件，孤立的屬性指標(biāo)將不具備實(shí)際意義。

3.2 彈性能存儲于氣體

在煤與瓦斯突出領(lǐng)域，存儲于氣體且能夠做功的能量更多被稱為“瓦斯膨脹能”，其定義為煤體暴露面附近煤體質(zhì)點(diǎn)受地應(yīng)力作用破壞后大裂隙內(nèi)以及由小裂隙(孔隙)最先釋放到大裂隙中的瓦斯在向外界環(huán)境膨脹過程中轉(zhuǎn)化出來的能量。地應(yīng)力越大、煤體強(qiáng)度越低、瓦斯壓力越大，初始瓦斯膨脹能就越大，發(fā)生突出的可能性就越大[13]。其做功形式與彈性能壓縮后的回彈轉(zhuǎn)化具有相似性，為保證闡述的統(tǒng)一性，將其作為存儲于氣體中的彈性能描述。

根據(jù)已有研究，雖然氣體壓力及其含量并不是造成突出啟動(dòng)的主要因素，但其對于維持突出過程的連續(xù)性，以及不斷實(shí)現(xiàn)煤體的粉碎和拋出具有至關(guān)重要的作用[14]。其中，啟動(dòng)初期的煤體粉碎及拋出主要依靠啟動(dòng)前已經(jīng)存儲于氣體中彈性能的膨脹做功，依據(jù)是否將突出考慮為絕熱過程，該部分能量Wq可分別表示為[15]

(15)

(16)

式中：Mq為瓦斯氣體質(zhì)量；Uq為瓦斯氣體分子量；T1為膨脹后的瓦斯(絕對)溫度；CV為瓦斯氣的定容分子熱容量；P1、P2為膨脹前后的瓦斯壓力；γ=CP/CV(瓦斯氣的定壓分子熱容/定容分子熱容)；R為普適氣體恒量，其值約為8.314 J/(mol·K)；T2為瓦斯溫度。

由式(15)可知，考慮熱交換與否，瓦斯壓力對于該部分能量都具有直接影響。而在突出發(fā)動(dòng)以后，正是由于煤壁深處具有較高瓦斯壓力的煤體暴露，與孔洞中常態(tài)氣壓形成較大的壓力梯度，才使得處于吸附狀態(tài)的瓦斯解吸為游離態(tài)，進(jìn)而為煤體的破碎和拋出提供新的動(dòng)力，維持突出過程。顯然，具有較高瓦斯含量是實(shí)現(xiàn)上述過程的前提之一。

但與固體相比，氣體具有天然的流動(dòng)性，欲使解吸后的瓦斯形成壓力，還需要將其限制在有限空間內(nèi)[15]，基于上述線彈性模型(圖3)，細(xì)觀尺度形成該空間的主體仍為裂隙及實(shí)體介質(zhì)，但在限制氣體流動(dòng)時(shí)，其相關(guān)特性將被概括為滲透率指標(biāo)，符合前文關(guān)于介質(zhì)屬性的分析。在不考慮基質(zhì)損傷效應(yīng)的前提下，滲透率k與應(yīng)力及瓦斯壓力[17]的關(guān)系為

(17)

式中：k0為初始滲透率；M為約束軸向模量；σ0為初始地應(yīng)力；σ為地應(yīng)力；β為有效應(yīng)力系數(shù)；p0為初始瓦斯壓力；p為煤層瓦斯壓力；K為煤體體積模量；φf0為骨架熱膨脹系數(shù)；T為煤層溫度；εmax為煤體極限吸附膨脹變形量；pL為Langmuir壓力常數(shù)。

由式(17)知，影響滲透率的主控因素仍為外部荷載σ，荷載通過改變裂隙發(fā)育狀態(tài)的方式對滲透率形成控制，而較低的滲透率則能夠?qū)⒂坞x瓦斯限制在有限空間內(nèi)形成瓦斯壓力p，進(jìn)而對于滲透率形成反作用。由此也導(dǎo)致了介質(zhì)屬性影響下儲能過程的復(fù)雜性。

由上述分析可知，無論彈性能存儲于固體還是氣體，介質(zhì)屬性對于能量存儲產(chǎn)生影響的機(jī)制均受細(xì)觀裂隙及實(shí)體變形的影響，驗(yàn)證了上文關(guān)于介質(zhì)屬性的分析，而產(chǎn)生影響的根本動(dòng)力又均來自外部荷載，則驗(yàn)證了持續(xù)力源作為最根本條件的分析。

4 制約機(jī)制的形式及作用

上述研究同時(shí)表明在具備持續(xù)能量源和存儲彈性能介質(zhì)屬性的前提下，巖體已能夠開始積聚彈性能，但為使其積聚至致災(zāi)量級，還需要有類似于低滲透率的制約機(jī)制，以保證“更多”彈性能的積聚。滲透率隸屬于細(xì)觀尺度，筆者雖將其歸納在了介質(zhì)屬性范疇，但根據(jù)分形思想，各種尺度下煤巖裂紋分岔具有普遍自相似性，因此，在肉眼可見的宏觀尺度同樣應(yīng)當(dāng)存在類似的依附于結(jié)構(gòu)特征的制約機(jī)制。

以此視角對已有成果進(jìn)行二次認(rèn)知可發(fā)現(xiàn)，形成額外彈性能積聚的制約機(jī)制可依托于結(jié)構(gòu)面，也可依托于實(shí)體介質(zhì)的空間組合。前者主要通過制約滑動(dòng)趨勢形成額外彈性能積聚，代表性的要素為能夠發(fā)生黏滑的結(jié)構(gòu)面[18]，如可活化的斷層、夾持作用下的煤巖接觸面等；后者主要通過將大量彈性能制約在有限空間內(nèi)而產(chǎn)生作用，而有限空間又可分為介質(zhì)自身實(shí)體所占空間，如開采形成的孤島工作面、懸而不斷的堅(jiān)硬頂板(第2.1節(jié)側(cè)重常規(guī)加載，此處則側(cè)重超長懸臂結(jié)構(gòu)帶來的更多能量積聚)等，以及結(jié)構(gòu)包裹的密閉空間，如煤與瓦斯突出中層裂形成的球殼后方空間[19]。此外，還有1種更為普遍的形式，即結(jié)構(gòu)面與塊體的組合，具體可描述為萌生于介質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)格及其切割而成的空間塊體組合，該形式也是造成煤巖力學(xué)行為高度離散等復(fù)雜特征的主要誘因。

對于結(jié)構(gòu)面和塊體組合各自的研究已相對豐富，但2者組合對于彈性能積聚的影響，則由于介質(zhì)內(nèi)生結(jié)構(gòu)觀測手段有限以及結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)特征極為復(fù)雜，相關(guān)研究仍處于探索階段。巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)指出，結(jié)構(gòu)是控制巖體力學(xué)行為的根本[20]，筆者認(rèn)同該觀點(diǎn)，并認(rèn)為內(nèi)生結(jié)構(gòu)面空間分布模式是該形式下影響彈性能積聚的關(guān)鍵所在。為驗(yàn)證這一判斷，開展常規(guī)試樣與特殊結(jié)構(gòu)面模式試樣的對比力學(xué)試驗(yàn)，其中，前者基于常規(guī)試樣進(jìn)行正常力學(xué)加載，后者則包括：基于顆粒流軟件僅考慮裂隙發(fā)育的數(shù)值模擬和基于含傾斜貫穿分界面試樣的力學(xué)試驗(yàn)。

為保證與前述力學(xué)模型分析的一致性，同樣采用位移加載控制，并以此為試驗(yàn)變量之一，擴(kuò)充分析依據(jù)。其中，常規(guī)試驗(yàn)組試樣取自同一原煤以盡可能保證試樣行為具有可比性；數(shù)值模型加入不同屬性單元以反映非均勻性；含傾斜貫穿分界面試樣來自天然夾矸煤塊。加載速率及各自應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，各條件下單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表1。

表1 各加載條件下模型單軸抗壓強(qiáng)度Table 1 Uniaxial compressive strength of model under different loading conditions

根據(jù)研究，單軸抗壓強(qiáng)度與能量存儲狀態(tài)具有良好的相關(guān)性[21]，為此，以單軸抗壓強(qiáng)度為分析指標(biāo)。由圖5a可知，當(dāng)加載速率逐漸增大時(shí)，對于常規(guī)煤樣，其強(qiáng)度表現(xiàn)出了先增加后減小的非線性趨勢，而單純考慮裂隙發(fā)育的顆粒流模擬結(jié)果則表現(xiàn)出強(qiáng)度隨加載速率線性增加的結(jié)果，如圖5b所示。結(jié)合前文分析，較快的加載速率將抑制裂隙發(fā)育，由此可解釋常規(guī)煤樣強(qiáng)度隨加載速率增加的上升段和純裂隙發(fā)育影響下的強(qiáng)度線性上升，但也由此表明僅考慮裂隙發(fā)育將與實(shí)際不符。注意到常規(guī)煤樣加載過程中出現(xiàn)了顯著的應(yīng)力調(diào)整，且存在調(diào)整過程中強(qiáng)度上升的現(xiàn)象，依據(jù)前文基本力學(xué)模型，調(diào)整中的下降段顯然來自子承載單元的破斷，但上升段則表明破斷后形成的新結(jié)構(gòu)仍可能具有一定承載能力，如圖6所示。

圖6 破斷后承載機(jī)制示意Fig.6 Schematic of bearing mechanism after fracture

基于上述起源于細(xì)觀的結(jié)構(gòu)模式并推而廣之，隨加載類似結(jié)構(gòu)將逐漸發(fā)育貫通至宏觀尺度的結(jié)構(gòu)面及其切割而成的塊體組合，同樣會出現(xiàn)“破壞-調(diào)整-重新承載-最終破壞”的過程。而上述發(fā)育貫通或天然內(nèi)生總有概率會出現(xiàn)類似于圖5c中傾斜貫穿分界面的內(nèi)生結(jié)構(gòu)面模式，結(jié)果顯示，該條件下單軸抗壓強(qiáng)度隨加載速率增加表現(xiàn)出了顯著的線性下降趨勢，即該內(nèi)生結(jié)構(gòu)面模式直接破壞了彈性能形成有效積聚的條件。

更為一般化的描述為：特定的內(nèi)生結(jié)構(gòu)面模式將能夠?qū)傮w力學(xué)行為及演化趨勢起到控制作用。由此，從不利于彈性能存儲的角度，反證了內(nèi)生結(jié)構(gòu)面模式對于彈性能積聚具有促進(jìn)作用。

而制約機(jī)制在達(dá)到自身極限或準(zhǔn)極限時(shí)出現(xiàn)外部干擾將會失效，進(jìn)而造成已積聚大量彈性能的劇烈釋放，形成動(dòng)力災(zāi)害。由此可獲得更為重要的結(jié)論：以結(jié)構(gòu)為依托的制約機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力災(zāi)害孕育和防控的統(tǒng)一，強(qiáng)化制約機(jī)制即為孕災(zāi)，弱化或消除制約機(jī)制即為防控，結(jié)構(gòu)模式的干預(yù)或控制將是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力災(zāi)害防控的關(guān)鍵切入點(diǎn)。

5 廣義“三因素”機(jī)理及其應(yīng)用

5.1 廣義“三因素”機(jī)理的提出

通過上述分析，可將動(dòng)力災(zāi)害形成的基本邏輯進(jìn)一步概括為明確概念。

1)對于持續(xù)能量源，其產(chǎn)生作用的主要機(jī)制類似于加載，可將其概括為“力源因素”，其定義為依據(jù)某種作用機(jī)制造成介質(zhì)變形、破壞等力學(xué)響應(yīng)，為彈性能積聚提供源頭補(bǔ)給，且具有實(shí)際物質(zhì)基礎(chǔ)的相關(guān)要素，如開采導(dǎo)致的應(yīng)力重分布和集中、堅(jiān)硬頂板破斷形成的擾動(dòng)、解吸后存儲于有限空間的瓦斯壓力等。力源因素是形成動(dòng)力災(zāi)害的根本動(dòng)力，通過應(yīng)力等指標(biāo)對其狀態(tài)的描述則是衡量危險(xiǎn)性的重要依據(jù)。

2)彈性能存儲對介質(zhì)屬性的要求可概括為“物性因素”，其定義為細(xì)觀尺度范圍內(nèi)，能夠在介質(zhì)基本物理特性方面帶來差異的相關(guān)要素，及其影響下特定力學(xué)行為的概括，其中，物質(zhì)類別在物理?xiàng)l件下無法改變，而由細(xì)觀結(jié)構(gòu)決定的相關(guān)屬性則可通過一定手段改變，如加載過程中的滲透率、水浸泡下的介質(zhì)強(qiáng)度等。

3)制約機(jī)制主要依附于結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，故將其概括為“結(jié)構(gòu)因素”，其定義為天然或人為形成，能夠破壞介質(zhì)均勻性、連續(xù)性的要素(面元、塊體)及其組成的空間體系，其在達(dá)到自身極限或準(zhǔn)極限狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)外部擾動(dòng)的情況下將失效并誘發(fā)災(zāi)害，如煤巖內(nèi)的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)格體系、地質(zhì)構(gòu)造、煤柱及井巷空間等。結(jié)構(gòu)因素的人為干預(yù)是調(diào)整應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力災(zāi)害防控的主要途徑。

由此，基于動(dòng)力災(zāi)害基本邏輯提煉出了影響其演化及發(fā)生的3個(gè)關(guān)鍵概念，分別為“力源因素”、“物性因素”以及“結(jié)構(gòu)因素”。其形式類似于沖擊地壓領(lǐng)域的“三因素”理論，但由于相關(guān)研究均基于介質(zhì)屬性、荷載應(yīng)力、裂隙發(fā)育、氣體解吸等一般化概念，因此，相關(guān)結(jié)論并不受制于具體的煤礦動(dòng)力災(zāi)害類型，為作區(qū)別，將上述概念組合稱為廣義“三因素”機(jī)理，其基本邏輯關(guān)系如圖7所示。

圖7 “三因素”邏輯關(guān)系示意Fig.7 Schematic of “Three Factors” logical relationship

在廣義“三因素”機(jī)理中，“物性因素”是最根本的基礎(chǔ)，為后續(xù)一切力學(xué)行為提供底層支撐；“力源因素”是動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的根本動(dòng)力，其狀態(tài)則是評價(jià)危險(xiǎn)性的主要依據(jù)，兼具源頭和結(jié)果的屬性；“結(jié)構(gòu)因素”是孕育和控制動(dòng)力災(zāi)害的關(guān)鍵所在，能夠?yàn)閺椥阅艽罅坑行Хe聚提供制約機(jī)制，而制約機(jī)制失效是動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的直接原因。

需要強(qiáng)調(diào)的是，在具體現(xiàn)象中物性因素顯然全程參與，而結(jié)構(gòu)因素與應(yīng)力因素則具有密切的互饋關(guān)系：應(yīng)力作用下改變結(jié)構(gòu)特征，結(jié)構(gòu)特征改變后應(yīng)力狀態(tài)同步調(diào)整，如此往復(fù)，直至穩(wěn)定或破壞。

5.2 廣義“三因素”的應(yīng)用

廣義“三因素”機(jī)理側(cè)重于動(dòng)力災(zāi)害防控，以形成對于動(dòng)力災(zāi)害防控細(xì)節(jié)的針對性指導(dǎo)為最終目的，在其框架下，針對各要素的干預(yù)可衍生出動(dòng)力災(zāi)害基礎(chǔ)研究、技術(shù)轉(zhuǎn)化和裝備研發(fā)的具體方向。而本文已獲得的結(jié)論則能夠?yàn)榫唧w礦井條件下動(dòng)力災(zāi)害防控的介入和具體措施設(shè)計(jì)提供參考。

5.2.1 物性因素的改變

目前深部開采面臨的一系列難題都是由煤巖屬性的顯著變化引起，如“脆-延”轉(zhuǎn)化、強(qiáng)流變等，而上述特征根植于細(xì)觀尺度下的某種變化，欲改變細(xì)觀結(jié)構(gòu)的相關(guān)特性，采用承壓流體將是實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可靠手段，煤層注水、煤體凍結(jié)等即為最常見的物性改變方法。

以煤層注水為例，其能夠有效弱化煤的強(qiáng)度、彈性模量等，使其破壞趨于平緩，其主要機(jī)理在于水分子對于細(xì)觀接觸面屬性以及裂隙張開度的改變，其實(shí)質(zhì)可描述為水驅(qū)氣的過程[19]，而由此帶來的物性改變，使其在堅(jiān)硬煤層軟化防沖和低滲煤層增透防突中均起到良好效果。注水在實(shí)驗(yàn)室及工程尺度下的干預(yù)效果如圖8所示。

圖8 煤層注水效果示意[22]Fig.8 Schematic of coal seam water injection effect

5.2.2 力源因素的改變

對于改變力源因素，瓦斯抽采防突是顯而易見的操作，此外，依據(jù)上文的加載速率力學(xué)試驗(yàn)，控制工作面推進(jìn)速度對于改變煤體的受載情況也是有效手段，但同樣由于內(nèi)生結(jié)構(gòu)面等因素的影響，工作面推進(jìn)速度對于整體應(yīng)力環(huán)境的影響也相對復(fù)雜，研究表明，沖擊地壓次數(shù)與工作面推進(jìn)速度具有顯著的非線性關(guān)聯(lián)特征，且已通過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證[23]，如圖9所示。此外，干預(yù)力源因素的手段還包括區(qū)域性的采掘布置調(diào)整、開采解放層等，如前文分析，其與結(jié)構(gòu)的作用密不可分。

圖9 沖擊地壓礦井?dāng)?shù)與工作面推進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)關(guān)系[23]Fig.9 Statistical relationship between rock burst times and working face advancing speed

5.2.3 結(jié)構(gòu)因素的改變

結(jié)構(gòu)因素為能量積聚提供制約機(jī)制，是實(shí)現(xiàn)力學(xué)行為控制的關(guān)鍵，同樣，結(jié)構(gòu)作為直接干預(yù)手段，其最終效果將反應(yīng)在應(yīng)力狀態(tài)上，并與力源因素反復(fù)互饋。以頂板水力壓裂為例：通過在堅(jiān)硬頂板預(yù)設(shè)位置人工水力致裂，使其如期斷裂，避免形成過大的懸頂距，完成“頂板-煤體”空間結(jié)構(gòu)的控制，其最終效果將通過應(yīng)力類指標(biāo)表征，如微震(圖10)。

圖10 頂板水力壓裂效果示意[24]Fig.10 Schematic of roof hydraulic fracturing effect

除上述塊體結(jié)構(gòu)外，前述分析中證明了基于介質(zhì)內(nèi)分界面的干預(yù)將更為靈活，但結(jié)構(gòu)面網(wǎng)格與能量積聚的量化關(guān)系仍需在未來的研究中進(jìn)一步深化。

6 結(jié) 論

1)動(dòng)力災(zāi)害形成的基本邏輯包括：必然存在持續(xù)的能量補(bǔ)給源頭，必然需要依賴于介質(zhì)的某些屬性以保證能量形式為彈性變形能，必然存在某種制約機(jī)制以保證彈性能積聚至失穩(wěn)致災(zāi)的量級，且制約機(jī)制必然會在特定條件下失效以形成大量彈性能的突然釋放。

2)能量源分為持續(xù)能量源和偶發(fā)性能量源，前者主要依據(jù)卸荷后的等效加載作用產(chǎn)生影響，是介質(zhì)變形、裂隙發(fā)育、瓦斯解吸等基本行為發(fā)生的根本動(dòng)力，將其歸納為“應(yīng)力因素”。

3)煤巖介質(zhì)屬性包括物質(zhì)類別、細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征及特定力學(xué)行為的概括，而不論彈性能存儲于固體或氣體，實(shí)體介質(zhì)變形與裂隙發(fā)育的相互作用，以及由此形成的介質(zhì)屬性，都是影響能量狀態(tài)的關(guān)鍵，將其歸納為“物性因素”。

4)制約機(jī)制是彈性能積聚至致災(zāi)量級的關(guān)鍵，以結(jié)構(gòu)面和實(shí)體介質(zhì)的空間組合為主要形式，其失效是形成動(dòng)力災(zāi)害的直接原因，由此統(tǒng)一了動(dòng)力災(zāi)害的孕育及防控，是實(shí)現(xiàn)人為干預(yù)的關(guān)鍵途徑，將其歸納為“結(jié)構(gòu)因素?！?/p>

5)提出了廣義“三因素”機(jī)理，并給出了其內(nèi)涵定義以及各因素間的邏輯關(guān)系，指出了其潛在應(yīng)用場景及未來研究方向。