张帅、来兴平等：采动围岩能量系统协同演化与韧性调控减冲评估体系构建研究

有关承载围岩多参数响应理论与试验研究已取得一些重要成果，许多学者对承载围岩的物理力学特性、损伤演化模型、能量表征方法及原位改性对围岩多参数的响应特征等展开了研究并指导了工程实践，然而改性调控减冲机理是实现冲击地压科学防治和开展防治效果评价的基础。煤岩材料的强度高低决定了其储能多少，强度和变形非线性协同变化，能量转换又体现在变形过程中，“强度-变形-能量”三者之间如何关联？如何因地制宜地开展改性调控，形成智能开采新局面？ 目前未见有关学者开展关联指标，沟通起三者的内在联系并指导冲击地压改性调控。

考虑到强度表征抵抗塑性变形和断裂的能力，而韧性反映断裂前吸收能量的能力。因此，聚焦围岩能量自主转化需求，在复刻裂纹扩展全过程的基础上开展改性调控，来兴平教授团队基于传统的承载围岩能量演化过程，提出将韧性理念引入到冲击地压防治研究领域。从其致灾机制方面，结合围岩应力-应变曲线，探究在改性措施下的承载围岩能量协同高效转化方式并构建韧性调控评价模型。构建的“四因素”能量调控评估模型和韧性调控体系，可有效实现围岩能量的可控转化，为韧性型冲击地压防治工程提供理论依据与技术支撑。

采动围岩能量系统协同演化与韧性调控减冲评估体系构建研究

张 帅 来兴平 曹建涛 辛 畅 张 文

（西安科技大学能源与矿业工程学院；教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室）

摘 要：目前以能量转换为理论基础的冲击地压形成机理被众多学者所广泛接受，通过研究不同改性调控措施能量演化全过程响应规律，可为针对性研究调控减冲机理，进而提出适配调控方法提供有效途径。首先构建室内试验与现场围岩跨尺度关联全过程能量演化理论基础。其次，结合现场常用的注水软化与钻孔卸压防治方法，遵循工程简化逻辑并过渡到实验室层面，揭示调控联动响应机制。最后，考虑煤岩自身能量演化规律与能量调控系统的协同性，引入韧性理念建立能量调控减冲新方法，并结合案例分析。研究结果表明：①承载试样应力应变曲线与能量演化曲线具有显著共性特征，均经历了初始压实、弹性变形、塑性变形、屈服破坏和破坏后期5个阶段；且注水卸压和钻孔卸压均能显著影响试样力学参数，自然状态和饱水状态试样相较于完全干燥状态试样，注水平均峰值强度分别降低28.7%和34.4%，平均峰值应变分别降低了21.5%和19.0%；小孔径和大孔径试样相较于自然完整状态试样，钻孔平均峰值强度分别降低13.1%和24.8%，平均峰值应变分别减小了5.0%和增大了226.1%。②研究表明，采动围岩能量系统可视为以荷载（应力）与结构（应变）为协同变量的整体系统，其在采动过程中的演化遵循能量守恒规律，深部煤岩体失稳灾变实质上是系统能量演化失衡的结果。③明确了冲击地压灾变过程的阶段性特征，并针对不同调控措施的能量响应差异，提出了自适应能量调控策略。构建的“四因素”能量调控评估模型和韧性调控体系，可有效实现围岩能量的可控转化，为韧性型冲击地压防治工程提供理论依据与技术支撑。

关键词：采动围岩 能量系统 协同演化 韧性调控 减灾评估

围岩能量演化共性特征

采动影响会打破深部煤岩体初始状态的能量平衡。即开挖后形成了具有临空面性质的空间，导致其承载结构发生变化，相应地随即同步产生荷载的转移。而在荷载转移路径中，初始完整结构会通过形成非连续损伤结构的方式，从而不断优化承载结构，拟借助于荷载转移和结构优化这2种方式，对采动煤岩体能量系统做出响应，最终来达到采动煤岩体能量系统相对平衡状态，否则会通过冲击地压显现与否（能量释放迅速对应冲击地压显现、能量释放缓慢对应冲击地压不显现）的方式来对能量状态进行综合调控。

深部采动煤岩体能量失稳灾变过程

典型试验结果

综合不同含水率条件下的能量演化曲线可以看出，能量特征随应力应变曲线的不同阶段（包括压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段）表现出显著的阶段性变化规律。不同含水状态对能量演化特征产生了明显影响：在干燥状态下，试样的耗散能量密度在经历下降拐点后呈现缓慢上升的趋势，表明其破坏过程中能量释放较为渐进；而在自然含水状态与饱水状态下，耗散能量密度在明显下降之后则迅速回升。

（a）干燥状态下试样能量密度曲线

（b）饱水状态下试样能量密度曲线

不同含水状态试样单轴条件下应力、应变与能量密度的关系

通过分析能量演化曲线，可以发现，随着应力应变曲线不同阶段的推进（包括压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段），不同孔径条件下试样的能量成分表现出相应的变化规律：在小孔径状态下，试样的弹性能量密度曲线明显高于总应变能曲线，在自然和大孔径状态下，弹性能量密度曲线则低于总应变能曲线。

（a）小孔径状态下试样能量密度曲线

（b）大孔径状态下试样能量密度曲线

不同钻孔状态试样单轴条件下应力、应变与能量密度的关系

改性能量调控机制

“先释放+后弱化”注水软化改性能量调控机制。饱水状态与干燥状态相比，试样在单轴压缩试验中的应力应变曲线整体呈现左移和压缩的趋势。这一现象的原因在于水分子渗入裂隙中，削弱了颗粒之间的凝聚力，从而导致试样软化，进而降低了峰值强度和弹性模量，表现为力学性能的整体减弱。但由于坚硬岩层的特殊性质，其依然保持脆性破坏特征，因此峰值应变与含水率之间存在负相关关系。然而，试样脆性降低的同时，也减少了屈服破坏阶段的比例，这增加了现场工程预测的难度和风险。

“先释放+后引导”钻孔卸压改性能量调控机制。在小孔径、大孔径与未钻孔的完整试样相比，钻孔明显降低了孔洞试样的峰值强度和峰值应变。从应力应变曲线的峰前阶段来看，孔洞试样在峰前储存的弹性能量较少，这与冲击地压治理中的卸压（释放能量）策略相一致。然而，钻孔过程人为地形成了弱面，降低了材料的储能阈值，同时由于试样的脆性特征，导致峰后破坏能量急剧减少，从而加剧了破坏的剧烈程度。在特定条件下，这种现象可能促使能量快速释放，从而表现为冲击地压的发生，这与冲击地压治理的初衷并不完全一致。

韧性冲击评估模型

围岩能量调控全过程涉及载荷与变形协同演变，即调控过程性策略与能量调控结论具有较好的对应性，亟需开展能量调控联动表征指标，建立起调控策略与调控效果的联系，直接反映出调控响应机制。结合逆向分析的方法，设计了基于能量调控的冲击地压改性能量调控策略：

（1）峰值前期的低鲁棒性由能量储存系数反映；

（2）峰前峰后的高适应性体现为能量转化系数的提升；

（3）峰值后期的中等恢复性可由能量吸收系数表征；

（4）承载曲线的全阶段性由结构修正系数刻画。

将综合调控理念引入到冲击地压领域分析过程中，有助于在冲击地压链式致灾机制的基础上，明确综合调控贯穿冲击地压形成的全过程，也为工程视角冲击地压预警与防治提供了强有力的理论依据。最终，明确在利用复杂冲击地压致灾系统自适应能力的基础上，准确拾取孕灾信号，及时对冲击地压能量演化全过程进行调控。因此，在更精准地预测前提下，及时采用卸压调控措施，充分利用冲击地压系统自适应能量耗散方式，提高自适应能量阈值，从而避免能量的快速释放显现。

结 论

（1）承载试样的应力应变曲线与能量演化曲线表现出显著的共性特征，均经历了初始压密、弹性变形、塑性变形、屈服破坏以及破坏后期等阶段。注水卸压和钻孔卸压处理均能显著影响试样的力学参数。当试样分别为完全干燥状态、自然状态和饱水状态，相较于完全干燥状态的试样，平均峰值强度分别降低了28.7%和34.4%；平均峰值应变分别降低了21.5%和19.0%；平均弹性模量分别降低了53.7%和67.9%。此外，当试样孔洞直径分别为自然状态、小孔径和大孔径时，相较于自然完整状态的试样，平均峰值强度分别降低了13.1%和24.8%；平均峰值应变分别减小了5.0%和增大了226.1%；平均弹性模量分别降低了35.5%和46.5%。

（2）采动影响会打破深部煤岩体初始状态的能量平衡。即开挖后形成了具有临空面性质的空间，导致其承载结构发生变化，相应地随即同步产生荷载的转移。而在荷载转移路径过程中，初始完整结构会通过形成非连续损伤结构的方式，从而不断优化承载结构，拟借助于荷载转移和结构优化这两种方式，对采动煤岩体能量系统做出响应，最终来达到采动煤岩体能量系统相对平衡状态，否则会通过冲击地压显现与否的方式来对能量状态进行综合调控。

（3）对比分析了不同能量调控措施下系统各阶段的差异性，进一步解释了“先释放+后弱化”注水软化措施能量调控机制、“先释放+后引导”孔洞卸压措施能量调控机制。将韧性调控理念引入到冲击地压领域分析过程中，有助于在冲击地压链式致灾机制的基础上，明确综合调控贯穿冲击地压形成的全过程，也为工程视角冲击地压预警与防治提供了强有力的理论依据。

（4）需要注意的是，按照上述理念，承载煤岩体作为一个能量系统整体，其自身具有韧性阈值，一般以其屈服强度为临界值。现场改性调控措施往往是起到更好的发挥韧性作用的效果，据此将能量的发展路径合理控制在可控范围内。

引用格式

张帅,来兴平,曹建涛,等.采动围岩能量系统协同演化与韧性调控减冲评估体系构建研究[J/OL].金属矿山,1-13[2025-06-06].http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1055.TD.20250605.1402.002.html.

作者简介

张 帅

讲师，博士后，合作导师来兴平教授。主要从事冲击地压韧性防控与深地智能岩石力学相关领域的研究。获评西安科技大学2023年度校级优秀博士学位论文，先后主持或参与国家自然科学基金面上项目，陕西省“三秦博创”人才支持项目，陕西省博士后科研项目，教育部重点实验室开放课题以及国家能源集团等企业委托横向课题多项。近年来，以第一作者或者通讯作者身份，发表SCI/EI索引论文共11篇，获中国煤炭工业协会、陕西省教育厅优秀成果、中国安全生产协会等省部级奖励共6项。

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

供稿：曾文旭

编排：戴颖熠

审核：王小兵

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