冲击地压机理综述

中国矿业第21卷
据李玉生教授考证，“冲击地压”一词在我国的出现，最早可能始于1959年煤炭工业出版社出版的一本相关俄文专著的中译本[1]。

但他并不认同“冲击地压”一词，认为采用“矿山冲击”更为确切。

而刘听成[2]则认为应当称为“冲击矿压”。

冲击地压还有其他一些称谓，如“岩爆”、“煤爆”、“岩石突出”等。

这些名称在英文里均统称为“rock burst ”或“rock
bump ”。

目前，我国地下矿山，尤其是煤矿，一般仍沿
用“冲击地压”的称谓，而发生在水电岩石硐室、隧道和露天矿山边坡的“冲击地压”则称为“岩爆”。

冲击地压是一种矿山动力现象，通常将其定义为：储存在矿山井巷和采场周围煤岩体变形能的剧烈释放，并伴随煤岩体突然、急剧、猛烈破坏为特征的现象[3]。

简单地讲，就是煤（岩）体的突然破坏现象[4]。

Brown [5]认为冲击地压是矿山诱发地震一种特殊显
现形式。

事实上，伴随冲击地压出现的岩石突然破
裂本身即是一种震源。

另外，发生在较远处的采矿诱发地震，也可能引起采场或巷道周围围岩的突然破坏。

冲击地压发生时，释放的地震能量一般在里氏0.5～5.0级之间[6]，震级在0.5级以上的冲击地压就可能造成井下破坏。

人们观测到的最大矿山地震震级为里氏5.2级，发生在德国南部的Potash 矿区；我国记录到的最大矿震为里氏4.3级，发生在1977年辽宁北票台吉煤矿，1994年在北京门头沟还记录到里氏4.2级的矿震[7]。

但并非所有采矿诱发地震都是冲击地压，一般认为只有对矿山井巷或采场造成较为严重破坏的矿山地震才是冲击地压。

鉴于不同专业背景的学者对冲击地压、矿山地震和岩爆的不同看法，齐庆新、陈尚本等[8]对冲击地压、岩爆和矿震之间的关系进行了详细探讨，指出了其间的区别和联系。

最早有记录的冲击地压发生在1738年英国南史塔福煤田。

但冲击地压真正成为一个研究问题始于20世纪初。

而后，随着人类进入地壳深部采矿和兴建大型岩石工程能力的增加，冲击地压变成全世
冲击地压机理研究综述
王刚1,黄滚2
（1.新疆阿舍勒铜业股份有限公司，新疆哈巴河836700；2.重庆大学资源及环境科学学院，重庆400044)
摘要：对国内外学者提出的各种冲击地压发生机理进行了详细回顾和评述，重点讨论了冲击地压的强度
理论、能量理论、刚度理论、失稳理论，及其他一些基于非线性理论在冲击地压机理研究方面的工作。

在此基础上，提出了冲击地压理论研究的重点和方向。

关键词：
冲击地压；强度理论；能量理论；失稳理论；非线性理论中图分类号：TD324文献标志码：A 文章编号：1004-4051（2012）zk-0400-06
A review on rockburst theories
WANG Gang 1,HUANG Gun 2
(1.Xinjiang Asele Copper Company Limited,Habahe 836700，China ；2.College of Resource and Environmental
Sciences ，Chongqing University ，Chongqing 400044，China)
Abstract:Existing rockburst theories developed by researchers from home and abroad have been detailedly reviewed with an emphasis on these classical theories involving strength theories,energy theories,stiffness theories,instability theories,as well as those based on nonlinear theories.The theoretical research focus on rockburst is finally proposed.
Key words:rockburst ；strength theory ；energy theory ；instability theory ；nonlinear theory
收稿日期：2012-04-07
作者简介：王刚，男，高级工程师，原新疆阿舍勒铜业股份有限公司生产技术部主任，现任吉尔吉斯斯坦奥同克有限责任公司常务副总经理。

E-mail ：wg3030@ 。

第21卷增刊2012年8月
中国矿业CHINA
MINING MAGAZINE Vol.21,zk
August 2012
第21卷
界采矿界和岩石工程界普遍的灾害现象。

我国最早的冲击地压发生在1933年抚顺胜利煤矿。

如今，我国和俄国、波兰、德国、南非、加拿大等20几个国家成为世界上冲击地压危害最严重的国家。

可以预计，随着深部采矿活动的不断加强，将会有更多的矿山将面对日益严重的冲击地压问题。

由于冲击地压的危害，国内外采矿和岩石力学与工程专家对冲击地压发生机理、工程预测和防治进行了大量研究，取得了一些卓有成效的研究成果。

但由于冲击地压问题的复杂性，使得该问题仍然是岩石力学与工程界最具挑战性的世界性工程难题之一。

本文拟对冲击地压机理的国内外研究现状作一较全面的回顾和评述。

在此基础上，探讨我国今后冲击地压理论研究的重点和方向。

1冲击地压机理研究评述
人们在对冲击地压的研究中，都不同程度地涉及到对冲击地压机理的研究。

人们对这一矿山动力现象的认识，已从表面的观察、描述，过渡到对内在物理过程的揭示；从一般理性认识，发展到对本构关系即数学与固体断裂力学论证，进而提出了若干种机理假设[9]。

李玉生[10]认为，冲击地压机理研究的主要目的在于阐明两个问题：①煤岩体破坏的原因和规律；②煤岩体突然破坏的原因和规律。

第一个问题要回答煤岩体为什么会破坏；第二个问题是关于煤岩体破坏的方式。

例如，材料在荷载作用下，可以缓慢地破坏而不会形成剧烈的破坏方式，也可以快速破坏而都对周围环境造成一定的影响。

围绕这两个基本问题的回答，学者们对冲击地压机理的认识也经历了强度理论-能量理论-刚度理论-失稳理论等经典理论由浅入深的发展过程。

在对冲击地压发生机理的认识过程中，南非科学家Cook、Diest、Salamon等在20世纪六、七十年代作了开创性的工作和贡献，他们提出的概念和理论，至今仍是冲击地压理论研究的基础，如能量理论、刚度理论、冲击倾向性、失稳等。

1.1强度理论
从力学的角度看，煤岩体破坏的原因和规律可以归结为煤岩体强度的问题，即只要材料所受的载荷达到其强度极限，则材料就会开始破坏。

基于这一认识，在冲击地压机理研究中，人们很自然从一开始就注意到了强度问题，并逐步发展形成了各种冲击地压强度理论。

这其中典型代表是布霍依诺的夹持煤体理论[10]。

布氏理论认为，煤体处于顶底板夹持之中，夹持特性决定了煤体－围岩系统的力学特性。

产生冲击地压的强度条件是煤体－围岩交界处达到极限平衡条件和煤体本身达到极限平衡条件。

但在实际中，煤(岩)破坏时，并不一定会产生冲击地压，冲击地压还和煤岩体突然破坏有关[11]。

强度理论只回答了材料为什么会破坏的问题。

1.2能量理论和刚度理论
由于采矿是一个逐渐的过程，井下采掘范围的几何形状和尺寸不断扩大。

而冲击地压源于能量的突然释放，因此人们很自然想到用能量的观点去解释冲击地压。

最初认为冲击地压的能量仅来自冲击地压发生时的破碎煤岩体释放的能量，后来进一步认识到采矿活动引起围岩势能的变化也是冲击地压能量的重要来源。

我国20世纪80年代，由抚顺矿务局和阜新矿业学院组成的冲击地压研究组对抚顺龙凤矿发生的冲击地压计算表明[12]，对于震级较大的冲击地压发生时，煤体破碎时所释放的能量仅为总的释放能量的百分之几，这说明震级较大的冲击地压所释放的能量主要来自围岩在发生冲击地压前所储存的弹性能。

Cook[13]最早指出了由于采矿引起围岩势能变化的重要意义，认为岩体势能的改变和冲击地压发生释放能量之间必然存在某种关系。

Cook[14]还根据对南非十五年冲击地压研究的总结，认为随着采掘范围的不断扩大，矿(岩)体发生破坏，引起矿体－围岩系统的力学平衡状态破坏时，若释放的能量大于所消耗的能量，则将产生冲击地压。

Cook等[15]的能量理论主要基于能量平衡的思想，认为岩体开挖前后能量平衡将会发生变化。

开挖后，出现了可供利用的能量。

可供利用能量由两部分组成，一部分来源于开挖后重力或其他外力对围岩所做的功W，另一部分来源于采出的矿岩中储存的应变能U m。

这些能量有两种去向，一部分用于增加围岩的应变能U C；一部分压缩支架，形成支架的弹性能W s。

如果把围岩视为理想弹性体，则U C＋W S就是开挖过程中所耗散的总能量。

显然，耗散的总能量不会大于可供利用的总能量W＋U m，由于开挖前储存在采出部分矿岩中的应变能实际上是不能利用的，所以
W≥U C＋W S（1）通常U m＞0，则
W+U m＞＋U C+W S（2）式（2）表示开挖前后存在富余的能量，如果把这部分富余的能量W r全部转化为释放能量，由式
王刚，等：冲击地压机理研究综述401
中国矿业第21卷
（1）、式（2）可得到：
W r＝（W＋U m）－（U C＋W S）（3）W r≥U m＞0（4）如果释放的能量大于采出矿岩的能量，则将会以波的形式释放一部分，岩体中存在的阻尼将会消耗这部分波动能W K，这样有：
Wr＝U m+W k（5）W k＝W－(U C＋W S）≥0（6）最后的能量平衡方程为：
W K＝W－[(U C-U m）+W S]（7）后来，Salamon[16-18]用弹性理论较为成功地分析了围岩的力学行为，从而为冲击地压的能量分析方法奠定了理论基础。

压力试验机出现以后，最早由Petukhov[19]和后来的Cook[14]及Diest[20]认识到岩石试件在刚度较小的柔性试验机上的动态破坏，可以用来描述冲击地压，从而形成了冲击地压的刚度理论。

该理论认为，如果峰值强度后岩石的刚度大于压力机的刚度，则储存在压力机－岩石系统的能量将大于峰值强度后岩石所做的功，岩石将会发生不可控制的猛烈破坏，即发生冲击地压。

可以看出，刚度理论的思想核心仍是能量理论。

Cook等[15]还将矿柱与围岩的关系比拟为试样与试验机，认为岩样发生爆发性破坏的刚度条件就是冲击地压发生的条件。

能量理论解决了冲击地压发生时能量从那里来的问题，因为能量本身是冲击地压发生的源泉。

基于能量理论，后来发展了很多评估煤岩冲击倾向性的预测方法。

但能量理论没有回答能量为什么会以突然方式的方式释放而不是以缓慢的方式耗散。

1.3变形失稳理论
1979年，Salamon等[21]提出，煤岩进入峰值强度后，进一步增加应变，相对应的应力反而下降，出现应变软化。

根据经典塑性力学的Drucker准则，软化的煤岩是属于非稳定材料，所以发生失稳，据此，提出了以Drucker关于材料稳定性的准则作为煤岩失稳及冲击地压的发生准则。

1983年，Zubelewicz等[22]把冲击地压作为动力非稳定问题，采用Drucker准则对冲击地压进行了数值模拟。

Lippmann[23]认为，煤层与顶底板之间发生瞬时相对滑移是冲击地压发生的原因，并建立了相应的模型。

这些工作使人们开始考虑煤岩失稳引起冲击地压的问题。

煤岩的破裂与其内部裂纹的产生、扩展、集聚有密切的关系。

冲击地压实际上就是煤岩的突然破裂。

1985年，由抚顺矿务局和阜新矿业学院组成的冲击地压研究组[12]从煤(岩)破裂的角度，根据固体介质破裂的理论，讨论了冲击地压发生的机理，认为冲击地压发生的过程本质上是煤(岩)发生破裂的力学过程，是煤(岩)一部分应力接近强度极限，发生变形局部化，微裂隙并合为宏观裂隙，当裂隙扩展失稳即发生冲击地压。

章梦涛教授[11]在此基础上进一步提出：煤(岩)变形进入了峰值强度后出现应变软化现象，冲击地压就是由具有应变软化性质的介质和其余的具有非应变软化性质的介质组成的变形系统平衡状态进入非稳定态后，在外界扰动下的动力失稳过程。

并通过平衡状态非稳定判别准则及动力过程判别准则，建立了冲击地压发生失稳模式的数学模型，采用有限元法求解方法，实现了对冲击地压进行定量研究的问题。

1995年，梁冰、章梦涛[24]根据冲击地压失稳理论的能量准则，用有限元数值计算方法，对开采过程中采区冲击地压的发生情况进行了数值实验预测。

1996年，王来贵等[25]用岩体的振动与断层间的刚体错动的叠加，来解释不连续面冲击地压发生的动力失稳过程。

1997年，齐庆新等[26]在煤岩的摩擦滑动实验基础上，用摩擦滑动中的粘滑失稳现象来解释冲击地压的发生机理，认为冲击地压是煤岩结构体摩擦滑动的粘滑失稳过程。

Dyskin[27]在研究孔洞岩爆机理时，提出单裂纹失稳扩展的二维模型，给出单裂纹不稳定扩展应力判据，分析了岩爆发生前的壁面膨胀。

张晓春、缪协兴等[28-29]在此基础上，结合实际分析了三河尖矿片帮型冲击矿压发生的临界深度，并基于对煤壁附近预存裂纹扩展和贯通以及自由表面作用的分析，研究片帮型冲击矿压的发生机理。

缪协兴、安野等[30]在断裂力学原理基础上，建立了岩（煤）壁中滑移裂纹扩展的冲击地压模型；周晓军、鲜学福[31-32]利用煤岩体发生失稳破坏时的应变软化特征，以粘弹性本构模型和微元统计损伤本构模型，对煤岩体变形失稳的条件进行了研究。

变形失稳理论从断裂力学的观点出发解释冲击地压，对其发生过程的描述具有较为清晰的物理概念。

变形失稳理论[11]和三准则机理模型[10]是具有我国自己特色的冲击地压理论[9]。

由于裂纹的失稳扩展机制的复杂性，从宏观、细观、微观三个层次上研究固体材料的失稳断裂，一直是断裂力学的重点和难点[33]。

人们至今仍不明白材料断裂的物理机制，显然，如果清楚了材料裂纹产生、扩展、汇聚及至断
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裂机制，那么与此相关的一些宏观地球物理现象，如地震、滑坡、冲击地压等将会得到相应的解决。

变形失稳理论初步回答了煤岩突然破坏的问题。

1.4“三准则”、“三因素”机理模型和煤岩的冲击倾向性
李玉生[10]在对强度理论、能量理论和煤的冲击倾向性指标研究的基础上，提出冲击地压机理可用强度准则、能量准则和冲击倾向性准则加以概括，指出强度准则是煤体破坏准则，能量准则和冲击倾向准则是突然破坏准则，只有当三个准则同时满足时，才是产生冲击地压的必要和充分条件。

该机理模型可以对发生的冲击地压进行一些宏观定性的解释，对指导我国冲击地压的预测和治理工作起到了一定作用。

齐庆新[34-35]认为，冲击地压发生的过程是煤岩地层受力的瞬间粘滑过程,是煤岩层满足剪切强度准则以突然滑动并在滑动过程中伴随着动能释放的动力过程。

由此而得到了“三因素”机理模型,即内在因素(煤岩的冲击倾向性)、力源因素(高度的应力集中或高变形能的贮存与外部的动态扰动)和结构因素(具有软弱结构面和易于引起突变滑动的层状介面)是导致冲击地压发生的最主要因素。

许多冲击地压实例表明，同一矿井在几乎相同的自然地质和开采技术条件下，有些煤层发生冲击地压，有些不发生。

这说明，产生冲击地压的煤岩体可能具有某种内禀物理力学特性，该特性决定其具有冲击破坏的特点。

这种特点是煤岩介质的固有属性，谓之冲击倾向。

冲击倾向可采用称为冲击倾向度的指标加以衡量判别。

不同煤层发生冲击地压的强弱程度各不相同。

国内外学者通过试验研究，以寻求一种(组)指标来衡量煤岩介质产生冲击破坏的能力一冲击倾向。

目前常用的冲击倾向指标有弹性能指数[36-37]、冲击能指数[38]、动态破坏时间DT[39]、岩石脆性系数[40]等。

从这些指标本身的定义来看，显然它们并不构成某种冲击地压理论。

赵本钧等[41]认为，指标本身是根据冲击地压发生理论提出的，其合理性取决于所据理论，而且冲击地压的发生与采掘条件和地质环境相关。

何况实际的煤岩物理力学性质随地质开采条件不同而有很大差异。

1.5其他理论
由于近代数学中分形、混沌、分叉、突变等非线性科学理论的发展和在一些学科，如生物、化学、电子、物理等领域的广泛应用，为冲击地压的研究也带来了新的思路，相继出现了将非线性科学理论应用于冲击地压的一些初步理论和实验研究。

从系统科学的观点来看，冲击地压是一个十分复杂的非线性系统，利用非线性科学理论有助于我们从系统动力学的角度深刻理解冲击地压。

冲击地压是矿山围岩系统从渐变到突变的失稳过程，因此，可以用突变理论来进行解释。

唐春安等[42]用突变理论对包括岩石断裂失稳、冲击地压作了广泛的研究。

潘一山等[43]用突变理论分析了冲击地压发生的物理过程。

尹光志等[44]建立了描述煤岩体失稳的尖点突变模型。

徐曾和等[45]建立了坚硬顶板条件下煤柱岩爆的尖点突变模型。

潘岳等[46]建立了折断式顶板大面积冒落的尖点突变模型。

除了突变理论，一些学者尝试用其他的非线性理论来描述和解释冲击地压及进行预测研究。

宋维源等[47]考虑了冲击地压的非线性动力模型，并用该模型对冲击地压进行预测预报。

潘一山等[48]利用冲击地压的观察资料进行反演，建立了冲击地压的混沌模型。

朱清安等[49]研究了冲击地压的混沌特性。

李洪等[50]在工作面电磁辐射脉冲时间序列的基础上，利用非线性时间序列分析方法，通过提取最大Lyapunov指数来作为冲击地压的预测模型。

谢和平[51]、李玉等[52]利用分形几何学(Fractal Geometry)的方法来研究冲击地压发生的机理和预测预报。

他们的研究表明，在冲击地压和岩爆发生前，微震活动均匀地分布在高应力区，这时分形维数值较高，而临近冲击地压发生时，微震活动集聚，其分形维数值较低，也即分形维数值随岩石微断裂的增多而减小，最低的分形维数值则出现在临近冲击地压发生时。

在与冲击地压具有相同发生机理的地震研究方面[53]，Huang、Turcotte[54]研究了San Andreas断层地震活动的混沌特性。

李冬升、陆远忠[55]探讨了地震中的复杂过程和混沌特征，认为混沌理论会给地震研究带来新的方法、观点和认识。

2冲击地压理论研究重点和方向
应该看到，随着现代数学、力学理论如断裂力学、突变、分形、分叉、混沌等的发展，使冲击地压问题的理论研究取得了一定的进展，但这还只是刚刚开始，新的理论体系尚未形成[56]。

由于在动力学水平上研究材料变形失稳还存在诸多困难，如用分叉和混沌理论描述材料裂纹分叉进而失稳断裂行为还存在物理模型和数学模型的适配问题，分形理论对材料力学行为还缺乏更深刻的描述。

笔者认为，对冲击地压机理的研究应着重于力学行为失稳机理
王刚，等：冲击地压机理研究综述403
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上进行，借助于大型计算机，人们已可以在纳米尺度上模拟裂纹的扩展[33]。

声发射技术、激光全息摄影、扫描电子显微镜、透视电子显微镜等实验装备和高级快速计算手段的发展，不但使人们跟踪各种尺度上裂纹的发展成为可能，而且有可能促使描述裂纹微观上产生、扩展，细观上分叉、汇聚形成宏观断裂的跨尺度模型的建立。

当然，从非线性动力学的角度研究冲击地压行为也是很有必要的，各种尺度上的裂纹构成的宏观断裂可以看作系统行为，系统的演化无疑可以用来描述材料变形失稳过程，应此，应当支持力学和动力学相结合的冲击地压研究项目。

前述冲击地压机理，均没有考虑煤岩的流变特性。

虽然冲击地压的发生总的看来是一个脆性破裂的过程，但是在冲击地压发生前后都不可避免地具有一定程度流变性质。

层状煤岩体受到集中应力的作用,在某一时期内,这种应力状态可能只使煤岩体发生稳定蠕变,不会导致其破坏和形成冲击地压。

但如果由于受采掘活动的影响改变了矿岩体的受力状态,使其发生非稳定或亚稳定蠕变,则将经过一定时间的加速蠕变而失稳破坏形成冲击地压[57]。

考虑煤岩流变特性可以很好地解释冲击地压发生的时间延迟现象。

因此,研究矿岩体发生的冲击地压也应当从矿岩体发生的流变特别是蠕变这一角度来开展工作,目前国内外在这方面的研究还不多见。

3结语
冲击地压是岩石力学和工程界面临的一个世界性难题，就其根本原因，乃是对其发生机理还未完全明白。

随着人类进入地壳深部采矿和兴建大型岩石工程能力的增加，冲击地压问题将在相当长的时间内，仍是困扰采矿与岩石工程界的一个突出问题，并有进一步严重的趋势。

由于影响冲击地压和岩爆的因素复杂多样，从而导致冲击地压和岩爆的机理研究滞后于预测预报和防治工作。

但要想从根本上解决冲击地压问题，实现准确的预测预报和采取针对性的防治措施，还只有从机理研究入手，搞清楚矿岩体发生冲击地压和岩爆的内在机制，才能从根本上降低冲击地压的危害程度。

借助先进的实验设备和高效计算手段，结合系统动力学，借鉴地震学研究经验，从微观、细观和宏观三个层次上研究煤岩材料的力学动态失稳过程，应是冲击地压机理研究的主要研究方向。

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