煤（岩）体压应力型冲击地压发生全过程机理研究

Compressive stress rockburst is a phenomenon of strength failure and instability with energy release caused by external disturbance. The general experience is four processes including deformation, fracture separation and flyrock and collapse. The rockburst is one of the common disasters in mining engineering. Field data acquisition and analysis, experimental study, mathematical model study was carried out to study on the mechanism of the whole process of rock burst. The modified triaxial pressure chamber was used to conduct experiment with different vertical normal stress for simulation of coal (rock) body stress in mining face. The deformation, quality and distance of flyrocks, collapse area and vibration acceleration spectrum are measured as the state variables. Record the corresponding time, fracture spacing and length, stress level as the three variables. The calculation method for the energy release rate of four processes was put forward. The criterion of fracture based on strength theory is established, and the flyrock criterion based on energy theory, the collapse criterion based on instability theory. The mathematical model of rockburst is established by the calculation methods and criterions considering the three variables and state variables based on the strength-energy-instability theory. The research results can provide the basis for the research, prevention and control of rock burst.

压应力型冲击地压是煤（岩）体受外界扰动引起的强度破坏和动力失稳现象并伴随着能量释放，一般经历变形、破裂分离、抛射和坍塌四个过程，是矿业工程普遍存在的灾害之一。项目采用现场冲击地压数据获取与分析、实验数据关系研究和建立数学模型等手段对压应力型冲击地压发生全过程进行机理研究。利用改装的三轴压力室选取不同垂直正应力进行实验，模拟开采面煤（岩）体受压破坏过程。测定一侧解除围压后试件产生变形、抛射飞石质量和距离、坍塌范围及振动加速度谱等作为状态变量。记录对应时间、裂隙间距及长度、应力水平作为三要素。提出四个过程的能量释放率计算方法；建立基于强度和损伤的煤（岩）体破裂分离判据、能量理论的煤（岩）体抛射判据、失稳理论的煤（岩）体坍塌判据；以三要素和状态变量整合四个过程的发生判据和能量释放率计算方法建立基于强度-能量-失稳的冲击地压发生全过程数学模型。研究可为冲击地压的机理探索、预防与治理工作提供依据。

冲击地压普遍发生于矿业工程和地下工程中，造成严重经济损失、人员伤亡及恶劣的社会影响，是社会和政府重点关注的工业灾害之一。项目主要研究内容为现场冲击地压事故及其数据研究、实验数据关系研究、冲击地压发生全过程数学模型研究。取得的重要结果分为三个方面。①基于颗粒流理论和现场数据的冲击地压数值模拟，重要结果：冲击地压破坏过程是岩体系统为了保持自身能量平衡而向系统之外释放能量的过程；冲击地压过程可能经历岩体凸出变形、可产生裂隙的大变形、伴随裂隙产生的机械振动、岩体破碎飞石、广义变形集中区岩体失稳；冲击地压过程与众多因素、条件、事件和逻辑关联相关，只通过力学和矿业相关理论难以解决。②空间故障网络基础理论研究，用以解决冲击地压全过程演化的描述和研究，重要结果：空间故障网络与系统故障演化过程的基本概念和方法；空间故障网络的事件重要性分析；空间故障网络的故障模式分析等。该理论将实际问题抽象为数学问题，并提供研究途径和方法。③基于空间故障网络的冲击地压全过程研究，重要结果：冲击地压演化过程分为如下三个阶段：岩体表面凸出变形、岩体卸载面附近产生裂隙；经历上述过程后表面岩体分离产生飞石，形成新的岩体自由面；循环上述过程直到形成大范围岩体松动，最终导致巷道破坏。得到了冲击地压过程中各事件发生概率的计算方法、各事件的重要性及逻辑关系、演化条件概率、发生演化的可能性（判据）等重要信息。总体上，研究的初始阶段使用基于离散元的颗粒流和现场数据进行冲击地压研究。但随着研究的深入，发现实验室和现场过程差别很大，现场的影响因素和未知条件对冲击地压过程影响很大。提出空间故障网络理论对冲击地压过程进行研究，建立了基础理论和方法。最终使用空间故障网络理论才实现冲击地压全过程的描述和研究，该理论是原创理论，适合于类似灾害的演化机理和过程研究。