沖擊地壓機(jī)理要素分析與評(píng)價(jià)

馬念杰張文龍李軍連小勇任建舉

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083

沖擊地壓是煤礦井下一種嚴(yán)重的動(dòng)力災(zāi)害,與巖爆現(xiàn)象[1-2]類似,其發(fā)生經(jīng)常無(wú)明顯預(yù)兆[3],可預(yù)測(cè)性較差。 沖擊地壓破壞性較強(qiáng),嚴(yán)重時(shí)可致數(shù)百米巷道瞬間破壞甚至完全閉合[4-5],支護(hù)結(jié)構(gòu)瞬間失效[6]。 沖擊地壓的發(fā)生經(jīng)常沒有規(guī)律,發(fā)生條件各異,很難統(tǒng)一解釋與預(yù)測(cè)。 要理清沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理,首先要明確沖擊地壓機(jī)理研究應(yīng)該揭示或解釋的問(wèn)題,進(jìn)而建立沖擊地壓機(jī)理的評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法。 對(duì)沖擊地壓機(jī)理進(jìn)行評(píng)價(jià),可以指明下一步應(yīng)該研究的方向。

沖擊地壓歸根結(jié)底是一種能量的釋放過(guò)程,能量特征是沖擊地壓機(jī)理研究的基礎(chǔ),是沖擊地壓現(xiàn)象的基本特征。 沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的要素是研究對(duì)象和內(nèi)容時(shí)應(yīng)該說(shuō)明的問(wèn)題或遵循的原則。 本文分析了沖擊地壓能量釋放特征與機(jī)理要素,建立了沖擊地壓機(jī)理的評(píng)價(jià)體系,對(duì)現(xiàn)有沖擊地壓機(jī)理進(jìn)行了分析,明確了蝶型沖擊機(jī)理對(duì)評(píng)價(jià)體系的契合程度,并對(duì)沖擊地壓機(jī)理的后續(xù)研究方向進(jìn)行了展望。

1 沖擊地壓機(jī)理研究現(xiàn)狀

近70年來(lái),國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)沖擊地壓的發(fā)生提出了各自的機(jī)理(或理論、原理),從各個(gè)角度進(jìn)行了詮釋,主要理論包括剛度理論(剛度為沖擊地壓發(fā)生的條件[7])、強(qiáng)度理論(強(qiáng)度決定了煤巖體的破壞[8])、能量理論(外界給予系統(tǒng)的能量超過(guò)破壞所需能量[9])、沖擊傾向性理論(沖擊傾向性是沖擊地壓發(fā)生內(nèi)在因素[10])、“三準(zhǔn)則”理論(在“強(qiáng)度理論”“能量理論”和“沖擊傾向性理論”基礎(chǔ)上提出的約束準(zhǔn)則[11])、失穩(wěn)理論(系統(tǒng)處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)臨界點(diǎn)時(shí),外界微小擾動(dòng)即會(huì)導(dǎo)致瞬間失穩(wěn)[12])、“三因素”理論(內(nèi)在因素、力源因素、結(jié)構(gòu)因素[13])、動(dòng)靜載原理(動(dòng)載與靜載的共同作用[14])、沖擊啟動(dòng)理論(沖擊分為啟動(dòng)、傳遞、顯現(xiàn)三個(gè)階段[15])、蝶型理論(圍巖塑性區(qū)的蝶形突變[16-17])等。 學(xué)者們?nèi)〉秘S碩研究成果的同時(shí),也存在一些問(wèn)題,主要是:

(1) 沖擊地壓機(jī)理作為世界性難題,當(dāng)前研究對(duì)其發(fā)生的根本原因尚未理清,仍然不能全面系統(tǒng)地揭示沖擊地壓災(zāi)害機(jī)理,還需要進(jìn)一步深入研究。

(2) 學(xué)者們對(duì)于沖擊地壓機(jī)理各執(zhí)己見,說(shuō)法不一,缺乏統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)與體系。 當(dāng)前機(jī)理研究的量化評(píng)價(jià)工作迫在眉睫,只有明確了沖擊地壓機(jī)理研究的要素與指標(biāo),后期機(jī)理的研究才有章可循。

2 沖擊地壓能量釋放特征

對(duì)于沖擊地壓而言,煤巖體的突然瞬時(shí)破壞歸根結(jié)底是能量驅(qū)動(dòng)下一種狀態(tài)的改變,因此從能量特征的角度對(duì)其進(jìn)行研究會(huì)比較真實(shí)地反映其破壞規(guī)律[18-19]。 本文分析認(rèn)為,沖擊地壓的能量釋放具備突然性、瞬間性、集中性3 個(gè)基本特征。

2.1 能量釋放突然性

沖擊地壓的“能量釋放突然性”表示其能量釋放前,經(jīng)常無(wú)明顯征兆突然就發(fā)生了。 例如,2014年發(fā)生在陜西省高家堡煤礦的“11.13”沖擊地壓事故,發(fā)生前未發(fā)現(xiàn)任何前兆;同年陜西省孟村礦的“6.5”沖擊地壓事故,也未發(fā)現(xiàn)任何前兆,微震系統(tǒng)也未監(jiān)測(cè)到明顯的震動(dòng)事件[20]。

沖擊地壓的發(fā)生是一種突變的過(guò)程(與突變理論類似),沖擊地壓發(fā)生前參與沖擊地壓的工程巖體處于平衡狀態(tài),但如果該平衡狀態(tài)的控制變量(可能為巷道所處應(yīng)力狀態(tài)、觸發(fā)應(yīng)力、支護(hù)條件、水、采動(dòng)影響等)位于臨界點(diǎn)附近,那么控制變量的微小改變就可以導(dǎo)致巷道及圍巖經(jīng)歷不平衡狀態(tài)(巷道破壞、煤體拋出、支護(hù)破壞、煤塵等),達(dá)到另一個(gè)平衡狀態(tài)(沖擊地壓結(jié)束的狀態(tài))。 不平衡狀態(tài)的破壞速度及程度,取決于臨界點(diǎn)前后狀態(tài)變量的變化速率及變化總量。

蝶型沖擊地壓機(jī)理認(rèn)為,巷道塑性區(qū)(以最大半徑Rmax表征)在某受力狀態(tài)前后存在突然擴(kuò)展現(xiàn)象。 本文以某巖石(φ=20,E/λ=2;φ為內(nèi)摩擦角,E為彈性模量,λ為降模量)為基礎(chǔ),繪制了最小主應(yīng)力p3恒等于20 MPa 條件下,Rmax隨最大主應(yīng)力p1的不斷增大的相應(yīng)變化曲線(圖1)。 從圖中可以看出,當(dāng)p1=58.6 MPa(最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的比值為2.93)時(shí),塑性區(qū)的半徑突然增大了10 倍以上,表明在該力學(xué)狀態(tài)前后,塑性區(qū)狀態(tài)變量發(fā)生了突變,揭示了沖擊地壓“能量釋放突然性”的特征。

圖1 蝶型沖擊機(jī)理揭示的塑性區(qū)半徑變化曲線Fig.1 Plastic zone radius curve revealed by butterfly rock burst mechanism

2.2 能量釋放瞬間性

沖擊地壓的發(fā)生一定需要系統(tǒng)前期不斷積累能量或進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)變,當(dāng)積累或轉(zhuǎn)變的能量達(dá)到一定的臨界點(diǎn)時(shí),在一定的觸發(fā)條件下就會(huì)發(fā)生大范圍的動(dòng)力破壞現(xiàn)象,這就是量變到質(zhì)變的過(guò)程。而量變到質(zhì)變的發(fā)展過(guò)程是需要時(shí)間的,因此沖擊地壓的能量釋放過(guò)程一定與時(shí)間指標(biāo)相關(guān)聯(lián)[21],而且從現(xiàn)場(chǎng)事故來(lái)看,這種量變到質(zhì)變的發(fā)展過(guò)程是瞬間的,沖擊地壓通常持續(xù)零點(diǎn)幾秒至十幾秒。

對(duì)于臨界系統(tǒng)而言,如果對(duì)其施加一定的外力(給予一定的能量)是“瞬間”給予的,對(duì)于系統(tǒng)的破壞也將可能是瞬間的,造成的破壞會(huì)更大;但如果是“緩慢”給予的,那么結(jié)果可能完全不同,系統(tǒng)或許根本不會(huì)破壞或破壞很小。 這同樣說(shuō)明破壞的程度與力的施加時(shí)長(zhǎng)有直接關(guān)系。 沖擊地壓是系統(tǒng)能量的一種“瞬時(shí)”釋放,這個(gè)“瞬時(shí)”為極短的時(shí)間,才會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的動(dòng)力災(zāi)害。

沖擊地壓會(huì)在某一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)停止,而不是持續(xù)進(jìn)行,即系統(tǒng)由平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)向不平衡狀態(tài),又從不平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)向平衡狀態(tài)的過(guò)程是短暫的,而且轉(zhuǎn)向后期平衡狀態(tài)后,短時(shí)間內(nèi)不會(huì)再形成沖擊地壓。 這表明一次沖擊地壓事故會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)結(jié)束或停止,持續(xù)時(shí)間很短。

蝶型沖擊機(jī)理采用塑性區(qū)幾何尺寸與觸發(fā)應(yīng)力波到達(dá)時(shí)間的比值指標(biāo),來(lái)表征該時(shí)間范圍內(nèi)煤巖體塑性區(qū)擴(kuò)展的快慢程度,作為評(píng)判瞬間程度的指標(biāo)。 由于應(yīng)力波在煤巖體中的傳播速度較快,以P波為例,其在煤體中傳播速度通常大于2 000 m/s,相比巷道圍巖的尺寸而言,可以認(rèn)為觸發(fā)應(yīng)力導(dǎo)致的塑性區(qū)擴(kuò)展基本是同步的,即認(rèn)為部分圍巖在各個(gè)方向的單元體從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)為塑性狀態(tài)的過(guò)程是瞬間完成的,從而導(dǎo)致彈性應(yīng)變能的釋放是瞬間的。

2.3 能量釋放集中性

在所有的井工開采煤礦災(zāi)害中,沖擊地壓災(zāi)害的破壞性是排在前列的,其破壞性主要體現(xiàn)在:動(dòng)輒幾十上百米甚至上千米的巷道嚴(yán)重?fù)p毀、支護(hù)系統(tǒng)瞬間失效(錨桿錨索瞬時(shí)破斷等)、設(shè)備沖毀、人員傷亡、煤體拋出(幾噸到幾百噸)、沖擊波等。2014年4月8日發(fā)生在華亭煤礦的沖擊地壓,造成1 000 m 巷道瞬間底鼓量超過(guò)1.5 m[22]。 從現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看,沖擊地壓能量的釋放是集中的。 這里需要指出,“能量釋放集中性”包含兩方面含義:(1)明確能量釋放的方式;(2)能量計(jì)算應(yīng)該做到定量化。

本研究將地震領(lǐng)域中的“相關(guān)區(qū)域”概念引入到?jīng)_擊地壓領(lǐng)域中,認(rèn)為“沖擊地壓震源既包括產(chǎn)生破裂失穩(wěn)且消耗能量的破裂體,也包括參與巖體破裂和地層震動(dòng)能量供給的‘相關(guān)區(qū)域’地層,相關(guān)區(qū)域尺度能夠達(dá)到破裂體的幾倍到幾十倍”。圖2 顯示了破裂體(半徑為r)與相關(guān)區(qū)域(半徑為R)之間的關(guān)系,將“相關(guān)區(qū)域”定義為釋能體或應(yīng)力相關(guān)區(qū)。 “相關(guān)區(qū)域”概念直接擴(kuò)大了沖擊地壓的研究范圍,即沖擊地壓的研究不僅要研究巷道附近的圍巖,而且要研究幾倍到幾十倍于巷道圍巖的區(qū)域,這些區(qū)域?yàn)闆_擊地壓的發(fā)生提供了能量來(lái)源。 事實(shí)上沖擊地壓釋放能量遠(yuǎn)大于破裂體蘊(yùn)含的能量。 這里需要研究“相關(guān)區(qū)域”到底多大,具體集中釋放了多少能量,如何定量化計(jì)算。

圖2 破裂體與相關(guān)區(qū)域關(guān)系Fig.2 Diagram of relationship between fracture body and related area

蝶型沖擊機(jī)理建立了簡(jiǎn)單的力學(xué)模型,利用4個(gè)模型兩兩相減的方式計(jì)算得到了力學(xué)狀態(tài)改變過(guò)程釋放的能量值,該過(guò)程消除了模型大小的影響。 蝶型沖擊機(jī)理對(duì)能量釋放的量化計(jì)算體現(xiàn)了其集中程度。 但需指出的是,蝶型沖擊機(jī)理并未指出釋放能量的具體地點(diǎn)(能量釋放的起點(diǎn)),其僅按照創(chuàng)新性計(jì)算方法得到了釋放能量值,至于動(dòng)力破壞從何處首先發(fā)起,還應(yīng)結(jié)合具體地質(zhì)條件綜合確定。

3 沖擊地壓機(jī)理要素

所謂機(jī)理,是指事物變化的理由和道理,機(jī)理首先要明確說(shuō)明事物變化的理由(原因),提出明確的形成要素;其次要說(shuō)明事物變化的道理,即事物自始至終是怎么變化的,要體現(xiàn)過(guò)程和結(jié)果。 要特別說(shuō)明的一點(diǎn)是,機(jī)理與機(jī)制不同,機(jī)制是指各要素之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系和運(yùn)行方式,機(jī)理是大于機(jī)制的;機(jī)理與理論也是不同的,機(jī)理是理論形成的基礎(chǔ),首先弄清楚機(jī)理,才能形成完整的理論,即理論>機(jī)理>機(jī)制。

沖擊地壓機(jī)理是眾多機(jī)理研究中的一種,應(yīng)該明確機(jī)理研究的要素,提出應(yīng)該遵循的基本原則。

3.1 形成要素

著名的“因果”[23]關(guān)系是哲學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容之一,最早起源于古希臘亞里士多德的“四因說(shuō)”,其中的“動(dòng)力因”指出,機(jī)理應(yīng)該明確解釋事物或現(xiàn)象為什么開始運(yùn)動(dòng),又為什么停止。 “因果”是變化過(guò)程和原因的具體描述,一種現(xiàn)象通常由一個(gè)或多個(gè)原因引發(fā)的。 沖擊地壓機(jī)理只有理清形成要素,才能真正算得上是“機(jī)理”。

另外,沖擊地壓機(jī)理揭示應(yīng)盡量以方程式推導(dǎo)為基礎(chǔ),做到形成要素的具體化。

3.2 關(guān)鍵要素

系統(tǒng)論認(rèn)為,關(guān)鍵要素指的是導(dǎo)致一個(gè)結(jié)果發(fā)生、變化、發(fā)展不可替代的要素[24],即事物的結(jié)果中,關(guān)鍵要素較其他要素而言,起到了至關(guān)重要的作用,關(guān)鍵要素以外的要素起到的僅僅是催化或助力的作用。

要明確什么是沖擊地壓發(fā)生的關(guān)鍵因素,可以從沖擊地壓能量的主要來(lái)源進(jìn)行分析。 本研究將所述沖擊地壓機(jī)理分為兩類:①?zèng)_擊關(guān)鍵因素為“系統(tǒng)”外的能量,即沖擊地壓發(fā)生的關(guān)鍵要素為外部的震動(dòng)干擾、頂板破斷動(dòng)能、動(dòng)載影響等,這些因素決定了是否發(fā)生沖擊事故;②沖擊關(guān)鍵因素為“系統(tǒng)”本身的能量,即沖擊地壓發(fā)生的關(guān)鍵因素產(chǎn)生于系統(tǒng)本身,其力學(xué)狀態(tài)起決定性作用,外部干擾僅僅是誘導(dǎo)因素。 因此,要想確定關(guān)鍵因素,就需要確定沖擊地壓事故發(fā)生時(shí),何種條件是必須參與的,何種條件不是必須參與的。 對(duì)于不必須的條件而言,有的沖擊地壓事故并沒有該條件的參與就發(fā)生了,那么其肯定不是關(guān)鍵因素。

因此,對(duì)于機(jī)理研究而言,應(yīng)該在具體化形成要素的基礎(chǔ)上,確定哪個(gè)或哪些要素是關(guān)鍵要素,指明結(jié)果的發(fā)生是何種關(guān)鍵要素導(dǎo)致的。

3.3 假設(shè)條件

著名的“奧克姆剃刀”原理[25](又稱簡(jiǎn)單性原理),是科學(xué)界常用的一個(gè)準(zhǔn)則,它認(rèn)為假設(shè)條件越少,機(jī)理揭示程度越高。 具體表述為:如果多個(gè)理論同時(shí)都能解釋某一現(xiàn)象,對(duì)于現(xiàn)象最簡(jiǎn)單的解釋往往比復(fù)雜的解釋更正確。 因此,在揭示沖擊地壓機(jī)理時(shí),應(yīng)該盡量以最少的假設(shè)條件作為前提條件展開研究。 然而對(duì)于科學(xué)研究而言,要想進(jìn)行普遍性規(guī)律與機(jī)理的研究,很難綜合考慮所有因素與條件,必然要將某些條件理想化或者進(jìn)行一些簡(jiǎn)化。 表1 中列出了主要沖擊地壓機(jī)理的假設(shè)條件。假設(shè)條件的多少并不決定機(jī)理的科學(xué)性,但假設(shè)條件更少的機(jī)理更正確。

表1 沖擊地壓機(jī)理的假設(shè)條件Tab.1 Hypothesis of evaluation mechanism

蝶型沖擊地壓機(jī)理建立了簡(jiǎn)單的力學(xué)模型,通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)力學(xué)公式進(jìn)行推導(dǎo),來(lái)揭示沖擊地壓發(fā)生機(jī)理。 它得出的結(jié)果適用于不同準(zhǔn)則條件、不同巷道形狀、不同層狀圍巖條件等,而其假設(shè)條件只有介質(zhì)的連續(xù)變形。

3.4 普遍規(guī)律性

“普遍性”是事物或規(guī)律的重要評(píng)判指標(biāo)。 哲學(xué)認(rèn)為,馬克思主義真理具有普遍性[26],能夠揭示普遍規(guī)律。 辯證唯物主義認(rèn)為,辯證法是現(xiàn)實(shí)世界中一切運(yùn)動(dòng)、一切生命、一切事物的推動(dòng)原則,具有最高普遍性。 規(guī)律、理論等的適用性問(wèn)題上,能否揭示普遍規(guī)律,直接決定了規(guī)律或理論有沒有找到最根本的問(wèn)題。 找到根本性問(wèn)題,所有看似復(fù)雜的問(wèn)題就只是根本問(wèn)題的不同表現(xiàn)而已。

沖擊地壓機(jī)理屬于工程科學(xué)問(wèn)題,很難做到馬克思主義真理和辯證法的“普遍性”程度,但應(yīng)盡量尋求事物發(fā)生或改變的本質(zhì),去揭示各種情況下沖擊地壓發(fā)生的本質(zhì)共性。 或者說(shuō),去研究或發(fā)現(xiàn)特定條件下的機(jī)理或規(guī)律,是為了更好地揭示事物發(fā)生或改變的本質(zhì)問(wèn)題,但要做到根本防治沖擊地壓,還是要研究“普遍性”機(jī)理。 近些年,許多學(xué)者在沖擊地壓機(jī)理研究上做了大量工作,有的“普遍性”較強(qiáng),有的只是揭示了特定條件下的發(fā)生機(jī)理,這些工作都為沖擊地壓機(jī)理的研究做出了貢獻(xiàn)。

4 沖擊地壓機(jī)理評(píng)價(jià)體系

以前述指標(biāo)和要素為基礎(chǔ),建立的沖擊地壓機(jī)理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(簡(jiǎn)稱“3+4”指標(biāo)體系),如圖3所示。

圖3 沖擊地壓機(jī)理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.3 Evaluation index system of rock burst mechanism

體系劃分為目標(biāo)層、主準(zhǔn)則層、次準(zhǔn)則層。 目標(biāo)層為沖擊地壓機(jī)理評(píng)價(jià)結(jié)果,主準(zhǔn)則層為沖擊地壓能量釋放的特征指標(biāo)和沖擊地壓機(jī)理的要素指標(biāo)。沖擊地壓能量釋放的特征指標(biāo)主準(zhǔn)則層劃分為三個(gè)次準(zhǔn)則層,分別為能量釋放突然性、能量釋放瞬間性、能量釋放集中性。 沖擊地壓機(jī)理的要素指標(biāo)主準(zhǔn)則層包括四個(gè)次準(zhǔn)則層,分別為具體化的形成要素、明確的關(guān)鍵要素、最少的假設(shè)條件和盡量揭示普遍規(guī)律。 體系的評(píng)價(jià)分為四個(gè)等級(jí),分別為優(yōu)秀、良好、合格、較差。

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

本文提出的沖擊地壓機(jī)理指標(biāo)權(quán)重計(jì)算采用層次分析法。 體系包含兩個(gè)主準(zhǔn)則層指標(biāo),當(dāng)體系中只有兩個(gè)指標(biāo)時(shí),直接確定各自權(quán)重即可。 兩個(gè)主準(zhǔn)則層指標(biāo)重要程度相當(dāng),因此確定主準(zhǔn)則層權(quán)重u1和u2均取值0.5。

次準(zhǔn)則層均采用層次分析法進(jìn)行計(jì)算,次準(zhǔn)則層標(biāo)度值采用經(jīng)典的1 ～9 級(jí)標(biāo)度方法[27]進(jìn)行取值。

沖擊地壓能量釋放的特征指標(biāo)有3 個(gè)次準(zhǔn)則層:瞬間性指標(biāo)是最重要的指標(biāo),體現(xiàn)了沖擊地壓與普通冒頂事故的區(qū)別;集中性是第二指標(biāo),體現(xiàn)了沖擊地壓能量釋放的集中程度;突然性為第三指標(biāo),體現(xiàn)了狀態(tài)變量在發(fā)生突變時(shí)無(wú)明顯宏觀征兆。 基于以上原則,結(jié)合專家評(píng)判結(jié)果,得到3 個(gè)指標(biāo)的兩兩比較矩陣結(jié)果(式1)。

沖擊地壓機(jī)理的要素指標(biāo)中,關(guān)鍵要素最為重要,只有明確了關(guān)鍵要素,沖擊地壓的監(jiān)測(cè)與防治才能抓住重點(diǎn);形成要素為第二重要的指標(biāo),體現(xiàn)了導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生的具體條件;普遍規(guī)律性是機(jī)理研究的一項(xiàng)原則,重要程度在上述兩項(xiàng)指標(biāo)之后;假設(shè)條件是機(jī)理研究時(shí)的前提,機(jī)理研究時(shí)很難做到完全沒有假設(shè)條件,因此其重要性排在最后。 基于以上原則,結(jié)合專家打分結(jié)果,得到的4 個(gè)指標(biāo)的兩兩比較矩陣結(jié)果見式(2)。

將矩陣A1和A2進(jìn)行歸一化處理后,計(jì)算得到特征指標(biāo)次準(zhǔn)則層的權(quán)重向量W1=(u11,u12,u13)=(0.16,0.54,0.30);要素指標(biāo)次準(zhǔn)則層的權(quán)重向量W2=(u21,u22,u23,u24)=(0.20,0.60,0.08,0.12)。

綜上,得到的各準(zhǔn)則層權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 準(zhǔn)則層權(quán)重計(jì)算結(jié)果Tab.2 Weight calculation results of criterion layer

對(duì)各準(zhǔn)則層權(quán)重進(jìn)行一致性檢驗(yàn),計(jì)算得到W1和W2權(quán)重向量的最大特征根λmax分別為3.01 和4.06,UR值分別為0.005 和0.02,均小于0.1。 通過(guò)一致性檢驗(yàn)表明,目前確定的準(zhǔn)則層權(quán)重計(jì)算結(jié)果合理。

4.2 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與評(píng)價(jià)等級(jí)

對(duì)各準(zhǔn)則層進(jìn)行打分(結(jié)果為vij),結(jié)合權(quán)重結(jié)果即可得到?jīng)_擊地壓機(jī)理的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果R(式3)。 每個(gè)準(zhǔn)則層按[0 ～1]范圍進(jìn)行打分。 對(duì)于能量釋放突然性、瞬間性指標(biāo),按照揭示程度取[0 ～1];對(duì)于具體化的形成要素、明確的關(guān)鍵要素指標(biāo),能夠體現(xiàn)指標(biāo)的,即為1,不能體現(xiàn)指標(biāo)的,直接取0;對(duì)于能量釋放集中性指標(biāo),能夠體現(xiàn)集中釋放的,取0.5,能夠量化計(jì)算的,根據(jù)量化的程度取0.6 ～1;對(duì)于相對(duì)性指標(biāo),如最少的假設(shè)條件指標(biāo),可采用以1 為基礎(chǔ),每增加一個(gè)假設(shè)條件降低0.2 的方法;對(duì)于模糊性指標(biāo),如盡量揭示普遍規(guī)律指標(biāo),如果僅從某一特例揭示機(jī)理,取0.2 ～0.4,而從一定角度出發(fā),研究確定普適性機(jī)理的,可根據(jù)揭示程度取值為0.8 ～1。

得到?jīng)_擊地壓機(jī)理的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果R后,根據(jù)結(jié)果可進(jìn)行分類評(píng)價(jià),具體評(píng)價(jià)等級(jí)劃分區(qū)間見表3。

表3 評(píng)價(jià)等級(jí)取值區(qū)間Tab.3 Value range of evaluation grade

5 應(yīng)用案例

基于以上指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果,通過(guò)建立的評(píng)價(jià)體系對(duì)本文所述主要沖擊地壓機(jī)理進(jìn)行了分析。 結(jié)果顯示,早期的剛度理論、強(qiáng)度理論、能量理論、沖擊傾向性理論、“三準(zhǔn)則”理論均提出了明確的形成要素,但部分機(jī)理對(duì)于3 個(gè)能量特征指標(biāo)揭示程度較差,沒有體現(xiàn)明確的關(guān)鍵要素。 近期的失穩(wěn)理論、“三因素”理論、動(dòng)靜載原理、沖擊啟動(dòng)理論也明確了機(jī)理的形成要素,揭示了普遍規(guī)律,但部分機(jī)理對(duì)能量釋放突然性指標(biāo)體現(xiàn)程度不足,對(duì)能量釋放集中性指標(biāo)的研究尚停留在定性程度,并未達(dá)到定量化。

按照建立的評(píng)價(jià)方法對(duì)蝶型沖擊地壓機(jī)理進(jìn)行了評(píng)價(jià):

蝶型沖擊地壓機(jī)理中,前態(tài)塑性區(qū)的形成通常無(wú)特異宏觀表現(xiàn),導(dǎo)致在沖擊地壓事故發(fā)生前無(wú)明顯征兆可循,基本體現(xiàn)了沖擊地壓的突然性,但不排除巷道周邊塑性區(qū)形成前兆的可能性,故v11取值0.8;圍巖塑性區(qū)在某一主應(yīng)力比值前后出現(xiàn)的瞬時(shí)突變現(xiàn)象一定程度上體現(xiàn)了沖擊地壓的瞬時(shí)性[28-29],但由于時(shí)間長(zhǎng)度并未絕對(duì)表達(dá),故v12取值0.8;蝶型沖擊機(jī)理以“4 個(gè)模型”[30-32]計(jì)算得到了沖擊地壓能量的來(lái)源及釋放具體量值,對(duì)沖擊地壓的量化研究起到了一定作用,但并未完全體現(xiàn)其集中釋放性,尤其在具體顯現(xiàn)地點(diǎn)方面,因此v13取值0.8。

蝶型沖擊地壓機(jī)理中,明確指出沖擊地壓的形成要素為基本條件、前態(tài)塑性區(qū)、觸發(fā)應(yīng)力,其中基本條件為“已有采掘空間”和“強(qiáng)度關(guān)系(p1>單軸抗壓強(qiáng)度σc)”,故v21取值為1;蝶型沖擊地壓機(jī)理論證了沖擊地壓發(fā)生的關(guān)鍵要素為前態(tài)塑性區(qū)、觸發(fā)應(yīng)力或二者組合,并明確了前態(tài)塑性區(qū)對(duì)于沖擊地壓事故的重要影響,故v22取值為1;蝶型沖擊地壓機(jī)理的假設(shè)條件僅有一個(gè):介質(zhì)的連續(xù)變形,故v23取值為0.8;蝶型沖擊地壓機(jī)理從塑性區(qū)和能量的角度出發(fā),研究的是普適性機(jī)理,力求揭示不同條件下的本質(zhì)共性問(wèn)題,雖然達(dá)不到哲學(xué)等的“普遍性”程度,但其研究方法和研究原則在工程領(lǐng)域的機(jī)理研究中,已經(jīng)較大程度地達(dá)到了揭示普遍規(guī)律的目標(biāo),故v24取值為0.8。

綜上,按照式(3)的計(jì)算方法,蝶型沖擊地壓機(jī)理的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為0.88,達(dá)到了優(yōu)秀級(jí)別。

6 結(jié)論與展望

本文提出了沖擊地壓機(jī)理研究應(yīng)該體現(xiàn)的指標(biāo),初步建立了煤礦沖擊地壓機(jī)理的評(píng)價(jià)方法,主要研究成果如下:

(1) 建立了沖擊地壓機(jī)理“3+4”評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,主準(zhǔn)則層包含“沖擊地壓能量釋放的特征指標(biāo)”和“沖擊地壓機(jī)理的要素指標(biāo)”。

(2) 在沖擊地壓機(jī)理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系基礎(chǔ)上,依據(jù)層次分析法計(jì)算了各指標(biāo)的權(quán)重值,得到了綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的計(jì)算方法,并進(jìn)行了結(jié)果分級(jí)。 按照建立的沖擊地壓機(jī)理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)蝶型沖擊地壓機(jī)理進(jìn)行了評(píng)價(jià),結(jié)果為“優(yōu)秀”。

沖擊地壓歸根結(jié)底是力學(xué)問(wèn)題,首先應(yīng)從力學(xué)角度出發(fā),建立最簡(jiǎn)單的模型,以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧W(xué)推導(dǎo)為研究方法,才能尋求到真正的科學(xué)真相,才能得到更科學(xué)合理的沖擊地壓機(jī)理。