關于組合煤巖試件沖擊傾向性國家標準的討論

杜學領

（貴州理工學院 礦業工程學院，貴州 貴陽550003）

沖擊地壓礦井分布于我國不同地區，且具有瞬時突發、非線性演化、顯著災害特性。因其易誘發嚴重的災害后果，既吸引眾多學者研究沖擊地壓問題，但同時也存在沖擊地壓機理眾說紛紜、災害防治成本高、工程解危技術進入瓶頸期等問題，如盡管沖擊地壓問題已被研究幾十年，但在目前的解危技術中，依然以“降壓”技術為主，這些技術包括對頂板的水壓致裂、鉆孔爆破等，對煤層的鉆孔泄壓、松動爆破、注水軟化等，以及開設卸壓槽等，如何高效防治沖擊地壓，依然是懸而未決的難題[1-4]。2018年7 月，國家煤礦安監局出臺《防治煤礦沖擊地壓細則》[5]，但不幸的是幾個月后即發生致21 人死亡的“10·20”山東能源龍鄆煤業沖擊地壓事故[6]，約1 年后山東省在全國率先出臺關于沖擊地壓防治的省級規章《山東省煤礦沖擊地壓防治辦法》[7]。但在2019年，全國又發生了致9 死12 傷的“6·9”吉林龍家堡煤礦沖擊地壓事故[8]、致7 人死亡的河北開灤唐山礦“8·2”沖擊地壓事故[9]，足見沖擊地壓防治的復雜性和艱巨性。《沖擊地壓測定、監測與防治方法》國家標準是防治沖擊地壓的重要依據，該標準包含14個部分，分別對煤巖體的沖擊傾向性鑒定、沖擊地壓監測及解危技術等方面進行了規范[10]。2020 年，該標準體系14 個子項中將有9 個部分進入實施階段，為此針對標準體系中“第3 部分：煤巖組合試件沖擊傾向性分類及指數測定方法”（以下簡稱“標準3”）展開調研[11]，結合已有研究，撰文展開討論。

1 “標準3”中剩余能量指數評價概述

1.1 “標準3”中剩余能量指數評價方法概述

根據“標準3”，煤巖組合試件的沖擊傾向性由剩余能量指數進行界定，該指數主要通過以下過程獲得[11]：①制備煤巖高度比為1∶1 的標準試樣，采用白乳膠粘合，并在底部有水的干燥器內對試樣進行24 h 不接觸水的濕度養護；②對組合體試樣進行循環加卸載試驗，初期采用1 kN/s 的載荷控制加載條件，循環單位為5 kN，最后1 次卸載載荷應不低于預估單軸抗壓強度的70%，后期采用速度為0.000 5 mm/s 的位移控制加載方式加載至試樣完全破壞；③根據滿足要求的試驗結果，計算不同卸載應力值所對應的彈性能密度，根據最優擬合曲線確定峰值彈性能密度，剩余能量指數為峰值彈性能密度與峰后破壞能密度的比值，該指數不低于1 時，被認為具有沖擊傾向性；該指數不低于2 時，被認為具有強沖擊傾向性。

1.2 剩余能量指數研究背景及評價

在中國知網“文獻”當中采用“剩余能量指數”作為精確檢索詞頻進行“全文”檢索，僅獲得88 篇文獻（統計截止時間為2019 年12 月18 日，下同）。其中唐禮忠等較早的提出剩余能量指數并用于巖爆傾向性的評價當中，但與“標準3”的計算方法不同，唐禮忠等認為巖石峰后穩定破壞所需的能量耗散為剩余能量，剩余能量指數為巖石在峰前儲存的彈性應變能和剩余能量的差值與剩余能量之比，其認為剩余能量指數大于0 是巖爆的必要條件，指數越大，巖石動力失穩風險越高，但其并未并給出基于剩余能量指數的巖爆傾向性分級標準[12]。從計算方法而言，唐禮忠等的方法比“標準3”多減去1 個1，除文字表述有所差異外，二者的基本原理是類似的，均利用單軸加卸載試驗中的峰前彈性能和峰后破壞能作為主要計算和評價依據。

截止撰文時，共有74 篇文獻引用了唐禮忠等的研究，對前述88 篇文獻及引用唐禮忠等研究的74篇文獻進一步分析可知，這些文獻除一般性引言、綜述引用外，對唐禮忠等的研究有進一步深入探究的主要分為以下幾類：①新的沖擊傾向性評價指標的提出，如進一步考慮了動態破壞時間、彈性應變能等，提出諸如剩余能量釋放速度、巖爆損傷能量指數、盈余能量、有效沖擊能量速度指數、盈余能指數變化率等[13-18]；②采用實驗手段驗證相關研究，如張志鎮等采用花崗巖作為實驗材料，認為有效沖擊能指數和剩余能量指數在表征沖擊傾向性方面要優于彈性能指數、沖擊能指數和剛度比，但在其研究中并未對剩余能量指數有明確的強弱分級評價[19]，蘇承東、肖福坤等采用煤作為研究對象，相關的沖擊傾向性研究則表明：煤本身具有一定離散性，造成剩余能量指數、動態破壞時間的有效性仍然有待于進一步驗證[20-22]。

剩余能量指數及相關研究確實可以從能量角度更加全面地反映巖石破壞前后的能量關系，但將該指標用于煤巖組合試件的沖擊傾向性評價卻存在以下問題：①如潘岳等所指出的，剩余能量法本身未考慮試驗機的能量釋放問題，各參數的計算精準度可能受到試驗機影響，進而影響實驗結果的準確性[23]；②巖石變形破壞過程中，除彈性能、塑性變形能、損傷能之外，還存在摩擦熱能、輻射能等[24]，如何評價這些能量以及各能量在不同巖體之間的量化轉換關系，依然是非常復雜的問題，特別是對于組合體試樣而言，不同的巖性組合、不同的加載方式，有可能能量的轉化規律并不相同；③“標準3”中剩余能量指數的評價標準，本質上是認為只要峰值彈性能密度不低于峰后破壞能密度，組合體試件即具有沖擊傾向性，但實際上峰值彈性能密度不低于峰后破壞能密度的情況也大量存在，卻不一定發生沖擊地壓或巖爆，該標準無法解釋這種矛盾性；④從前述調研情況來看，基于剩余能量指數的實驗研究不僅數量有限，而且較多的研究針對的是單體試樣。即便對前述研究進行歸一化處理，也會發現前述不同研究中的定量化分級標準也并不相同，如文獻[13、15-18]的分級標準并不相同，在此背景下“標準3”如何確定的分級標準，也是未知數。由此觀之，“標準3”中的分級標準有過于寬泛和不夠精準之嫌，過于寬泛就有庸判、懶判之嫌，不夠精準就有誤判之疑，二者均不是成為國家標準的特質。

2 煤巖組合試件實驗研究評述

在中國知網“文獻”當中，無論是采用“煤巖組合”還是采用“組合煤巖”作為精確檢索詞頻，進行“篇名”檢索，獲得的文獻均不超過21 篇；進行“主題”檢索，獲得的文獻均不超過150 篇；即便進行“全文”檢索，獲得的文獻均不超過480 篇；若在“全文”檢索的基礎上增加檢索詞頻“沖擊”（忽略“沖擊地壓”與“沖擊礦壓”在表述上所引起的差異），則獲得的文獻數量會進一步降低。以上事實說明，煤巖組合的研究數量還相對較少。

以下結合通過“篇名”、“主題”檢索獲得的文獻進一步予以說明。通過該檢索方式，經人工檢驗去除不同檢索方式獲得的重復文獻、與學位論文內容相同的文獻、單純的數值模擬文獻、研究內容與組合煤巖沖擊傾向性關系不緊密的文獻（如煤巖動靜加載組合、煤系地層煤巖組合、自動化煤巖識別、煤巖組合動載沖擊）等，并結合剩余文獻中的研究內容進一步擴充相關的核心研究文獻，獲得有效文獻不超過60 篇，其中還包含僅有組合體實驗但并未涉及沖擊傾向性的文獻、通過單體來評價組合體的文獻等。特別值得注意的是，在這些公開發表的文獻中，較為嚴格的按照“標準3”的規定進行煤巖組合試件沖擊傾向性評價的研究僅有文獻[25]，嚴格按照“標準3”并采用剩余能量指數作為主要評價指標評價煤巖組合試件沖擊傾向性的中文文獻尚未見報道，其他文獻在試件尺寸、煤巖高度比、組合體數量、煤巖接觸面處理方式、加載方式、評價指標等方面與“標準3”有所區別，這說明“標準3”所提出的實驗方法是未經大量實驗檢驗的。煤巖組合體研究中的典型案例見表1[25-51]。由表1 可以看出，僅接觸面處理方式及組合形式方面，目前的眾多研究與“標準3”就存在較大區別。

對于煤巖組合試件沖擊傾向性的實驗研究，較早的研究以李紀青、趙毅鑫、陸菜平等為開端[26，52-53]，其中陸菜平開展了大量的實驗研究并獲得全國百篇優秀博士論文獎。但縱觀10 多年的煤巖組合實驗研究，目前依然無法避免的是煤巖體的天然離散特性，以至于盡管上述文獻中的研究獲得一定進展，但不同實驗中卻存在相互矛盾或難以達成共識的結論：①單軸抗壓強度方面，較多的研究中組合體的單軸抗壓強度較純煤試樣有所提高且低于純巖石的強度，支持這一結論的研究包括文獻[26-28，33，41，54]，但文獻[42]則出現組合體的強度要低于純煤的強度，文獻[55]的分級加卸載試驗出現類似的結果，而文獻[25]則認為組合體的強度增幅有限，文獻[45-46]則認為組合體的強度還與組合的位置、組合體的面積等有關，文獻[48]采用類巖體的研究認為煤巖系統強度和沖擊傾向性由煤層決定，靜載時僅有堅硬頂底板條件并不是誘發沖擊地壓的必要條件；②煤巖比例變化的影響，較多的研究認為對于一定高度的組合試樣，試樣中巖石的高度越大，組合體的強度越大，支持這一結論的研究包括文獻[41，47，56-58]，但應注意到，由于較薄的煤樣難以加工成型，目前的煤巖組合比例還無法體現導致沖擊地壓形成的巨厚堅硬巖層條件，對于巨厚堅硬頂板條件下煤層相對巖層而言較薄的情況是否存在臨界效應甚至是相反的結論，還有待于進一步深入研究；③沖擊傾向性的影響，一般認為組合體試樣沖擊傾向性要高于純煤試樣，且隨著巖石高度、強度的增加，沖擊傾向性有增強的趨勢，支持這一結論的研究包括文獻[26-27，29，31，56，59]，但文獻[44，46]則認為組合體硬度差別越大，沖擊效應越顯著，組合體中軟弱巖層是沖擊地壓防治的“能量關鍵層”，文獻[51]使用類巖體的研究則表明組合體的沖擊傾向性要低于單體煤和單體巖石；④加載速率的影響，有研究認為低加載速度存在臨界效應，使得煤巖組合體的沖擊傾向性隨加載率的增加在臨界加載率附近出現明顯突變[40]，使用類巖體研究松散組合體特性的研究也支持了這一結論[49]，但文獻[32]則認為隨著加載速率增加，單軸抗壓強度會增大，文獻[54]則認為彈性模量的變化并不是單向增加的；⑤注水消沖的效果方面，注水被認可具有消沖或降低沖擊危險性的效果[60]，但文獻[61]則認為盡管注水具有消沖效果，但并未改變煤層的沖擊傾向性類別；⑥組合體中的巖石破壞方面，有的組合體中巖石出現明顯的破壞，如出現貫通的裂紋乃至巖石破碎成大塊，有的組合體中巖石則保持完整，但幾乎可以認為：當組合體中的巖石出現破壞的時候，通常能獲得較高的強度參數[25-61]。對于組合體中的巖石破壞問題，盡管前述研究也從能量積聚、突變等視角作出過一些解釋，但對于實驗而言，煤巖組合中巖體部分破壞的程度、破壞的時機以及破壞后對煤體的影響都會影響到組合體的整體表現，如何科學、合理地評價實驗結果，目前還沒有形成共識。

表1 煤巖組合體研究中的典型案例Table 1 Typical cases in the study of coal-rock combination

值得注意的是，文獻[20]在通過循環加卸載測定單體煤樣的彈性能量指數時，明確介紹了單體煤樣本身強度的離散性以及由此造成循環加卸載操作時無法按照要求在預估強度75%～85%處進行精確卸載。由于煤本身屬于工程軟巖，在煤巖組合的測試實驗中，文獻[37，40，47]也表達過試樣加工方面存在的困難。由于煤本身具有一定離散性，特別是真實地層中煤的賦存是起伏甚至是斷續的，當人為地通過波速等手段檢定性質類似的試樣時，已經潛在的排除了一些離散性。但這種人工選擇與地層真實情況并不契合，也不能真實的反映地質賦存的全貌。“標準3”中給出了循環加卸載的明確數量要求，加載速率是否會影響評價結果、指定的加卸載方式能否適用于大部分組合煤巖，這些問題仍需要用更多的實驗來驗證，而目前是缺少這樣的大量實驗數據支撐的。此外，盡管文獻[33-37]對錢家營礦的煤巖體進行了若干實驗，其中文獻[34]直接指出所測試煤巖組合體相對單體煤而言提高了沖擊傾向性，另根據文獻[33]循環加卸載的測試數據可知，3 個試樣的峰值強度分別為33.3、31.99、17.26 MPa，盡管試樣1 與試樣2 強度差別不大，但3 個試樣的應力應變曲線卻有較大差別，若根據“標準3”的剩余能量指數進行沖擊傾向性評價，則可認為試樣1、試樣3 具有沖擊傾向性，由此導致組合體的總體沖擊傾向性有可能被判定為具有沖擊傾向性。但根據文獻[2，62]對中國沖擊地壓礦井的統計，錢家營礦自投產以來的30 余年來并未見沖擊地壓報道，而同屬開灤集團的唐山礦、趙各莊礦則為受沖擊地壓影響的礦井。這從反面說明，按照“標準3”循環加卸載的方法，有可能將非沖擊地壓礦井誤判為具有沖擊危險的礦井。造成這一問題的原因，很大程度上和現有的煤巖組合體沖擊傾向性的評價指標有關。對組合體的沖擊傾向性評價，大部分研究沿用了單體煤或巖石的評價指標進行對比分析，極少的研究從組合煤巖本身提出新的指標，即便有新的指標提出（如文獻[63]提出的煤巖組合沖擊能速度指數），由于測試方法的差異，大量驗證的工作還未完成。因組合體中巖石極有可能參與到組合體的變形破壞當中，沿用單體的指標就極有可能出現沖擊傾向性增大的情況。從這一點而言，“標準3”所確立的分級標準，也需要進一步結合試驗、實踐進行精確化定量分級。目前的煤巖組合體實驗研究數據，并不能對“標準3”的分級標準形成有力支撐。

3 “標準3”中沖擊傾向性評價中存在的問題

3.1 試樣采集的問題

“標準3”中的試樣采集部分規定巖樣主要采集于直接頂或基本頂巖層，并援引了GB/T 23561.1—2009 中第5 章和第6 章的規定[11]，但后者規定“如采樣目的為測定巖層沖擊傾向性，應在煤層頂板或底板30 m 以內的巖層中，分別取不同巖性、單層厚度大于2 m 的各分層為1 組，采各分層的巖樣”[64]，由此造成2 個問題：①巖樣限定在頂底板30 m 以內，無法反映超出此距離的厚且堅硬的巖層影響，如近年來被大量研究的義馬礦區巨厚礫巖[65-67]，類似地質賦存條件的礦井也有可能受此影響而造成評價片面；②煤系地層為層狀分布，一般還具有一定傾角、起伏，當采集不同巖層的巖樣時，僅僅通過“標準3”的頂板-煤二體組合測試有可能出現結論不一致的情況，此時對測試數據如何解讀目前還沒有統一且合理的規定，這就容易造成實驗測試千人千面。即試樣采集中存在無法反映煤系地層賦存全貌及測試離散性大等問題。

3.2 試件組合方式問題

“標準3”中規定煤巖高度比為1∶1，且采用白乳膠進行黏結[11]。煤巖組合體與單體相比的優勢之一是反映真實層狀地層的厚度分布特性，并由此來反映煤層與巖層的相互作用機制。天然的地層厚度分布千差萬別，沖擊地壓也可能發生于薄、中、厚各種煤層厚度條件之下[1-2]。當人為地限定煤巖高度比之后，就無法反映出層狀地層厚度分布差異這一特性，使得組合體的測定失去了現實依據。另一方面，“標準3”中為何確定組合高度比為1∶1，也是需要論證的。此外，由前述的表1 可知，目前煤巖組合體的實驗研究中對于煤巖接觸面的處理包括直接接觸、白乳膠、AB 強力膠、云石膠、改性丙烯酸酯膠、材料制備過程中自然形成等多種方式，目前的研究聚焦于煤巖體特性，對于接觸面粘結方式對實驗結果的影響評價尚未廣泛開展，“標準3”中為何選擇白乳膠、白乳膠對實驗結果造成哪些影響、為何不選擇其他方式等問題，還有待于進一步探討論證。特別是對于軟弱巖體，黏結方式有可能會顯著的影響到組合體的變形形態。

3.3 剩余能量指數測定問題

“標準3”中對剩余能量指數的測定采用循環加卸載的方式[11]，由于指定了加卸載路徑，該方式與單體煤樣沖擊傾向性鑒定中同樣采用加卸載方式測定的彈性能量指數還有所不同[68]。除1.2 部分所述的問題外，由于煤為多孔介質，當采用循環加卸載時，有可能造成煤的原生孔隙被壓密閉合而導致組合體整體強度、彈性模量的增高，前述的研究中也有一些實驗支持這一結論。加之組合體中巖石有可能參與到組合體的變形破壞過程中，就有可能因巖石的參與而造成加載曲線在峰后表現出脆性跌落的特點，由此造成剩余能量指數計算中峰后破壞能密度的降低，以至于剩余能量指數偏大、沖擊傾向性評價偏強。盡管前述研究中也對組合體破壞進行了一定解釋，但由于實驗的離散性，目前這些解釋還很難放之四海而皆準，其主要原因就在于煤巖本身具有離散性，組合之后會進一步放大這種離散性。采用組合體進行剩余能量指數測定時，非常有可能出現的結果是被認定為具有弱或強的沖擊傾向性，而這種結論放在沒有沖擊地壓的礦井是不合適的，如錢家營礦。對于利用組合體剩余能量指數進行評價時誤判的情況以及非沖擊地壓礦井是否能獲得反向結論，目前還缺少數據支撐。而如前所述，現有的“標準3”中依據剩余能量指數所進行的沖擊傾向性分級標準，顯然是缺少精確定量化分級依據的，同時對弱沖擊傾向性的評價也有過于寬泛之嫌。“標準3”中如何考量加載速率的影響，由于煤本身較軟弱，是否能實現指定的加卸載試驗，也仍需進一步觀察。

3.4 組合體的問題

現有的研究及“標準3”中，對組合體都進行了很大程度的簡化，如“標準3”中僅有頂板-煤的二體組合，但真實的地層中，還可能包含偽頂、夾矸甚至是近距離多煤層等條件，現有的組合體研究放在力學性能研究方面無可厚非，但是否適用于表征工程煤巖體的沖擊傾向性，其準確程度還很難界定。如工程中會存在離層、支護等，偽頂、夾矸也會參與到煤系地層的能量演化當中，這種復雜的機制目前在實踐中還沒有取得革命性突破，以至于沖擊地壓問題依然非常棘手。而組合體中巖石的參與程度及其對應力應變曲線的影響、對剩余能量指數判定的影響，還需進一步精準評價。當組合體中的巖體不發生宏觀破壞時，其僅僅是力的傳遞介質嗎？此時組合體中的煤又是否受到尺寸效應的影響？巖體中能量耗散及其數量關系為何？對于同一組實驗中巖體不同參與程度又該如何評價？這些問題在不同的實驗器材、實驗條件、實驗樣品下，都有可能出現差異。

4 結 語

采用文獻回溯法，重點分析了與“標準3”相關的中文文獻。調研發現，目前煤巖組合體沖擊傾向性實驗研究的數量相對較少，基于“標準3”所提出的剩余能量指數法評價煤巖組合體沖擊傾向性尚不具備大量實驗數據支撐條件，且“標準3”在試樣采集、試件組合方式、剩余能量指數測定等方面還存在一些問題需要破解，使得現有的“標準3”中關于沖擊傾向性的分級標準有過于寬泛和不夠精準之嫌。有鑒于此，認為關于煤巖組合體的研究還有必要進一步深入開展，而近期推出“標準3”則為時尚早。因筆者水平有限，加之調研中的文獻以中文文獻為主，受研究方法所限未充分考慮專著及外文文獻等情況，在調研內容上存在疏漏在所難免。僅就上述問題作出探討，愿共同探討促進中國沖擊地壓的精準防控和沖擊傾向性的科學評價。