研发了基于局部矿井刚度理论的冲击地压试验装置。该试验装置采取了液压加载提供静载荷模拟初始地应力，利用液压弹簧油缸进行能量储存及变刚度加载，通过开挖诱导试样产生应力集中。试验装置配备了声发射监测系统、高速摄像机测量系统及动、静态应变采集系统等监测手段，实验室再现了冲击地压发生全过程，为煤矿巷道动力灾害防治提供基础试验平台。

  单位：1.中煤科工开采研究院有限公司;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室;3.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院

  在采掘过程中井巷或工作面周围煤岩体在一定条件下发生突然剧烈破坏的动力现象，并伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等，有着非常强的破坏性，此种现象称为冲击地压(在水电交通隧道等行业称为岩爆)。目前随着我们国家煤炭开采深度增加及范围逐步扩大，冲击地压发生的频次和破坏程度也愈发强烈。冲击地压的易发、频发、难防治特征使得传统防治措施受到极大挑战，严重制约矿井的安全高效开采。

  实验室试验及机理研究一直是冲击地压(岩爆)防治的源头治理措施，而地质物理模型试验作为研究深部地下工程结构失稳机制的一种重要手段，具有成本低、易操作、高保真等优点，便于定性或定量分析工程结构体的受力特性。针对冲击地压及岩爆机理研究，国内外大量学者进行了相关设备的研发及试验工作。李夕兵团队对硬岩岩爆实验室试验机理、方法和设备做了大量、系统性的研究，从“动静组合”力学作用的思路出发，分别进行了“高静力+卸载扰动”、 “高静力+加载扰动”及“高静应力+开挖结构+应力调整”等不同条件下岩爆的试验研究。赵同彬等自主研发了一套内外框架组合式变刚度煤岩动力破坏试验系统，加载刚度调控范围为0.35～10.00 GN/m，为不同加载刚度下矿山典型岩石的力学行为测试提供了新的试验装备与测试方法；何满潮等研发了冲击岩爆试验系统，利用简谐波模拟动载开挖爆破、顶板垮落、断层滑移等产生的动态扰动波，通过巷道单元岩体动应力和能量的分析，建立了冲击岩爆的动应力和能量判别方法。顾金才等研发了新型岩爆模拟试验装置并成功模拟了抛掷型岩爆现象，并针对抛掷型岩爆提出了4点新认识，为岩爆机制研究、教学及相关工程建设提供参考。齐燕军围绕煤矿高应力巷道岩爆孕育机理及发生过程，自主研发试验系统和相似材料，实验室再现了高应力岩体岩爆的发生、发展全过程，提出了岩爆的孕育机理、灾变过程、发生条件、分级标准及预测方法。胡李华采用“单面临空—五面施加静载—切向施加动力扰动”的加载路径，解决了触发型岩爆的应力路径和边界条件转化、动静组合加载核心问题，研发了新型高压伺服动真三轴岩爆试验系统，探讨了触发型岩爆工程防治措施，提出了触发型岩爆及时支护、全生命周期支护及增强围岩抗拉强度支护等设计原则。李浪等基于弹性加载边界开展了地下开挖卸荷诱发应变型岩爆试验，为岩爆理论研究、工程实践提供试验依据和数据支撑。单仁亮等研发了动压巷道支护相似模拟试验装置，该试验系统通过静载油缸施加初始静载荷，采用动载油缸施加动载应力模拟顶板破断等产生的外部动力源，再现了动压巷道冲击失稳过程。史新帅等研制了大尺度三维巷道冲击地压灾变演化与失稳模拟试验系统，采取了液压加载提供静荷载模拟初始地应力场，炸药爆破模拟动载源，对深部巷道在动静载组合作用下的冲击失稳过程进行研究。上述研发设备及研究内容均取得了较大的进展，对岩爆及冲击地压防治提供了坚实的基础研究平台。

  目前现有的设备均是采用卸载或者动载、动载荷波扰动的方式模拟冲击地压及岩爆，其具体做法是在卸载前就在试件的某个方向施加了超过材料单轴抗压强度的应力或者人为施加动载荷诱发冲击地压发生。关于能量与加载刚度方面的冲击地压试验系统研究成果较少，需要我们来关注的是顾金才院士在2014年所研发的2套岩石力学设备，通过弹簧压缩储存一定的弹性能，在试样失稳瞬间完成能量释放成功模拟了抛掷型岩爆。笔者所研发设备是在顾金才研发成果的基础上辅以局部矿井刚度理论进行进一步研究与完善。笔者根据顾金才院士对抛掷型岩爆及冲击地压模拟提出的3个建议：① 试件材料要有硬脆性特征；② 在试件上要产生应力集中现象(模拟洞壁围岩的应力集中现象)；③ 在加载过程中要有能量补充。

  研发了基于局部矿井刚度理论的冲击地压试验装置。该试验装置采取了液压加载提供静载荷模拟初始地应力，利用液压弹簧油缸进行能量储存及变刚度加载，通过开挖诱导试样产生应力集中。试验装置配备了声发射监测系统、高速摄像机测量系统及动、静态应变采集系统等监测手段，可用于实验室再现应变型冲击地压从初始加载至冲击完成全过程，为煤矿巷道动力灾害防治提供基础试验平台与基础测试数据。

  煤层加载刚度及峰后承载刚度是影响冲击地压发生的主要的因素，为了系统研究基于局部矿井刚度理论的冲击地压发生机理及煤柱冲击破坏规律，开发了冲击地压实验室试验装置。试验装置主要由静力加载系统、储能系统、变刚度加载系统、开挖系统和多源信息监测系统5部分组成。

  该试验系统的主要创新如下：① 加载系统中增加开挖装置，可在保压状态下通过开挖诱发试样产生应力集中及局部矿井刚度的降低，当试样受力达到其承载强度、局部系统刚度低于试样峰后刚度时将发生冲击破坏；② 加载系统中设置了气囊式蓄能器−油缸的复合液压弹簧储能装置，可在静力加载过程中完成能量的储存；③ 设置了一种变刚度加载装置，系统可通过蓄能器初始气囊压力的调整实现不同加载刚度的设置；④ 试验装置可对试样从加载—稳压—开挖—冲击全过程进行实验室再现，使得冲击地压发生全过程煤柱应变监测以及冲击过程观测成为可能。

  通过对高强度混凝土试块和强冲击倾向性煤样进行初步实验室试验，验证了该模拟设备的准确性和可靠性，初步试验根据结果得出：低刚度加载条件下通过开挖底部试样可有效诱发煤柱发生冲击破坏，煤柱破坏由低刚度侧向高刚度侧扩展贯通，破坏后的残留煤柱呈现出“两侧宽中心窄”的哑铃状态。冲击破坏后的煤柱中心被一条横向锯齿裂纹贯穿，致使煤柱承载能力大幅度降低。该试验系统从加载储能及刚度方面出发，可实验室再现煤体在加载—稳压—开挖—冲击破坏的冲击地压发生全过程，为煤矿冲击地压发生机理研究提供试验平台。

  高富强，1981年生，河南周口人，博士，研究员，煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室副主任。主要是做岩石力学基础、岩体分类、地下空间围岩破坏与控制机理、岩体工程灾害预警等方面的研究与实践。获国家技术发明奖和省部级科技奖励10余项，发表学术论文90余篇，其中SCI 40余篇，入选斯坦福大学发布的“全球前2%顶级科学家榜单（职业生涯）”。主持或作为骨干参与国家科技重大专项、重点研发计划、国家自然科学基金等多项纵向课题。

  提出了Trigon数值模拟方法，成为国际通用方法；发明了岩体动载破坏数值模拟新方法，解决了从物理本质上模拟冲击地压的问题；阐明了煤岩残余强度本构特征及内在机制，揭示了高应力软岩巷道大变形破坏机理；揭示了煤岩冲击破坏过程中能量的积累、耗散、转化及释放机制，构建了基于能量转化的煤岩非稳定性破坏理论；研发了一系列巷道支护力学实验设备，丰富了矿山岩体力学和巷道围岩控制实验手段；提出了锚-架-充“三位一体”协同支护原理及支护技术，解决了淮南口孜东等煤矿千米深井软岩巷道大变形支护难题。

  高富强，原贵阳，娄金福，等.基于局部矿井刚度理论的冲击地压试验装置研制及应用[J].煤炭学报，2023，48(5):1985−1995.