冲击地压的机理和理论是实现冲击地压监测预警和有效防治的前提和基础。国际上最早研究冲击地压发生机理始于1915年,提出了一系列冲击地压发生理论。从“强度理论”、“刚度理论”、“能量理论”、“冲击倾向性理论”到后来的“三准则”理论、“变形系统失稳理论”、“三因素”理论、“冲击启动”理论、冲击地压扰动响应失稳理论、冲击地压扩容理论和强度弱化减冲理论等。此外,随着数学、力学、数值计算与试验研究等方法以及多学科的交叉应用,冲击地压发生的微细观机理研究也取得了大量的研究成果。这些理论都从不同角度在一定程度上揭示了冲击地压发生的基本原理与条件,对于认识煤矿冲击地压发生机理起到了重要的推动作用。但是,作为世界级难题,冲击地压具有复杂性,目前还没有给出一个描述冲击地压基础性、根本性问题的理论公式。
为此，潘一山教授在《煤炭学 》2021年第3期撰文“煤矿冲击地压发生理论公式”，并以此为题在“深部岩体力学与开采理论”专题发布会对相关成果进行了详解。
视频回放
创新点
（1）基于冲击地压发生的扰动响应失稳理论，建立了巷道冲击地压发生的力学分析模型，包括几何模型、边界条件与煤体本构，提出了冲击地压发生准则，给出了冲击启动临界指标及其理论公式，对我国近30座冲击地压矿井的临界载荷、临界采深和支护防冲能力等进行了计算或验算。
（2）临界载荷是表征巷道在特定地应力环境中受扰发生冲击地压难易程度的最重要指标之一，也是冲击地压防治理论中应力控制论的理论基础。基于临界载荷理论公式，提出了冲击危险性评价理论公式、冲击地压发生的矿井临界采度界定理论公式、支护作用影响冲击地压发生理论公式和防冲支护设计的安全系数方法。
（3）提出了冲击倾向性与冲击危险性的理论关系。研究表明，临界载荷、冲击能指数和单轴抗压强度三个参量间具有明确的理论关系；表征冲击倾向性的理论指标为冲击能指数和单轴抗压强度，表征冲击危险性的理论指标可为实际应力与临界载荷比值。
潘一山，男，1964年5月生，辽宁丹东人，教授，博士生导师，辽宁大学校长，辽宁省“兴辽英才计划”杰出人才，国家“万人计划”领军人才，中国煤炭学会煤矿动力灾害专业委员会主任，中国煤炭工业 防冲击地压专家委员会主任。
研究方向
煤矿冲击地压发生理论、预测与防治技术装备
主要成果
摘 要
冲击地压是煤矿最严重的动力灾害之一,研究冲击地压发生机理的理论公式是实现冲击地压定量防治的第一前提。针对目前尚未有直接明了的冲击地压发生理论公式的现状,通过建立与地应力、煤岩物性、支护强度和工程结构参数直接相联系的巷道冲击地压发生力学分析模型,得到了一套冲击地压发生的理论公式。
首先,系统探究了冲击地压解析分析所涉及的几何模型、边界条件、煤岩体变形破坏本构关系和冲击地压发生的力学判据;其次,结合煤岩体变形破坏的“双线性”本构关系和“三线性”本构关系,分别建立了巷道“ 弹性区、塑性软化区”2分区结构模型与“ 弹性区、塑性软化区、破碎区”3分区结构模型,对巷道围岩展开应力分析,得到了巷道平衡系统方程;最后,由系统方程与冲击地压发生力学判据,得到了冲击地压发生的临界载荷、临界破碎区半径与临界软化区半径指标及其理论计算公式。
采用理论公式定量解答了冲击倾向性与冲击危险性的理论关系、矿井冲击地压发生临界开采深度的理论界定和支护在冲击地压启动过程中的作用及支护安全系数设计方法等科学问题,并对我国近30座冲击地压矿井的冲击启动临界载荷、临界开采深度和支护防冲安全能力进行了计算或验算。
研究结果表明,临界载荷、冲击能指数和单轴抗压强度3个指标参量间具有明确的理论关系;表征冲击倾向性的理论指标为冲击能指数和单轴抗压强度,表征冲击危险性的理论指标为实际应力与临界载荷比值;基于冲击地压发生的临界载荷,可以得到矿井冲击地压发生临界开采深度的理论确定方法;支护强度的提高能够有效提升冲击地压发生的临界载荷。研究成果旨在继承并突破现有定性或统计定量的冲击地压理论,为实现煤矿冲击地压机理及应用的定量化研究奠定基础。
部分图片
多种断面形状煤岩结构简化几何模型
煤岩试件单轴抗压应力-应变曲线
冲击地压巷道“两分区”结构模型[13]
煤岩体两线性本构模型
冲击地压巷道“三分区”结构模型[23]
考虑残余强度的煤岩三线性本构关系
煤矿冲击地压发生的临界采深示意
支护对巷道围岩软化区与破碎区扩展的影响[23]
潘一山,代连朋. 煤矿冲击地压发生理论公式[J]. 煤炭学 ,2021,46(3):789-799.
PAN Yishan,DAI Lianpeng. Theoretical formula of rock burst in coal mines[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(3):789-799.
End
潘一山教授往期精彩文章
潘一山,代连朋,李国臻,等.煤矿冲击地压与冒顶复合灾害研究[J].煤炭学 ,2021,46(1):112-122.
潘一山,齐庆新,王爱文,等.煤矿冲击地压巷道三级支护理论与技术[J].煤炭学 ,2020,45(5):1585-1594.
潘一山,肖永惠,李国臻.巷道防冲液压支架研究及应用[J].煤炭学 ,2020,45(1):90-99.
潘一山.煤矿冲击地压扰动响应失稳理论及应用[J].煤炭学 ,2018,43(8):2091-2098.
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