钻孔能改变煤岩体的力学属性，通过改变煤岩体结构来降低煤体冲击倾向性和应力条件，从而达到冲击地压防治的目的。然而，在实际工程中，大量钻孔会在巷道锚固结构内形成损伤区，由于损伤区的存在使得锚固围岩出现失稳更为普遍。那么，如何实现冲击地压巷道卸压与支护的协同防冲作用显得至关重要。采用单轴压缩试验机测试了含孔洞及不同充填材料煤样的力学特性，获取了煤样应力应变曲线、声发射特征参数、空间变形特征等数据，分析了钻孔直径和充填材料属性对煤体变形破坏和能量演化的影响规律。相关成果以“Mechanical properties and energy evolutions of burst-prone coal samples with holes and fillings”为题发表在IJCST(International Journal of Coal Science & Technology，https://link.springer.com/article/10.1007/s40789-024-00675-z或点击文末“阅读原文”)。
煤样打设钻孔后，煤样的冲击倾向性相关指标均有一定程度的降低，钻孔直径越大，相关指标降幅越明显。与打设钻孔煤样相比，对钻孔进行水泥浆和聚氨酯充填后，煤样的强度、峰值应变及弹性模量均一定程度的增加，并且冲击倾向性相关指标也有一定程度的降低，这说明对钻孔煤样进行充填能提高煤体的强度和抗变形能力，同时还能降低其冲击倾向性。
图1 不同孔洞及充填煤样典型应力-应变曲线
充填煤样在变形破坏过程中，充填孔洞周围虽然也容易产生应力集中导致裂纹萌生、发育及快速扩展，但充填材料起到了一定的支撑作用，并提高了释放弹性应变能峰值的作用，即能保证弹性应变能不轻易释放，也缓和了能量释放的剧烈程度。与充填脆性（水泥）材料相比，充填韧性材料（聚氨酯）的煤样在变形破坏过程中，韧性充填材料的孔洞周边也易形成应力集中，从而诱发裂缝的启裂、扩展，但韧性充填材料具有一定的柔性支撑和缓冲作用，通过缓慢增加煤样的应变值来降低弹性能释放剧烈程度。
图2 不同孔洞及充填煤样应力及声发射演化规律
钻孔会降低煤样的强度和改变变形能力，充填后煤样的力学性能得到提高，但提高的程度与充填材料力学性能密切相关。基于弹性理论，推导出了不同弹性性质圆形钻孔煤体周围应力分布的解析解，结合实验结果和理论分析，发现充填孔洞可以减小孔洞周围的应力集中程度，从而改善钻孔煤样的强度和变形特性，且充填材料的弹性模量、泊松比与煤体越接近改善效果越好。
(a) Radial stress distribution of the three structures
(b) Circumferential stress distribution of the three structures
(c) Shear stress distribution of the three structures
图3 煤样3种结构孔洞周围应力分布图（
）
通讯作者简介
吴拥政，研究员，博士生导师，中国煤炭科工集团一级首席科学家，现任中煤科工开采研究院有限公司副总经理，煤炭行业矿山岩层控制研究中心主任，“顶板灾害防控”国家矿监局重点实验室副主任。国家重大人才工程项目入选者，享受国务院政府特殊津贴。兼任中国矿业大学教授，中国岩石力学与工程学会理事暨软岩工程与深部灾害控制分会副理事长，中国煤炭学会理事暨青年工作委员会副主任，《采矿与岩层控制工程学报》执行主编，《煤炭学报》编委。一直从事煤矿巷道围岩控制的研究和开发工作，主持和参与国家"863"计划、国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家科技支撑计划、国家油气重大专项、国际科技合作及煤炭企业在内的项目40余项，研究成果获国家技术发明二等奖1项，国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步奖一等奖12项，中国煤炭工业协会科技创新团队负责人；发表论文90余篇，授权国家发明专利40余件，制修订国家及行业标准14项。
第一作者简介
付玉凯，副研究员，博士，现任中煤科工开采研究院有限公司《采矿与岩层控制工程学报》副主任，入选中国煤炭科工集团“菁英双百行动”青年拔尖人才，荣获“煤炭学会青年科技奖”、“全国煤炭企业优秀毕业生”、“学会优秀科技工作者”等称号，兼任中国岩石力学与工程学会理事长助理、中国煤炭学会青年工作委员会委员。主持国家自然科学基金青年项目1项，作为课题骨干参与国家重点研发计划1项、国家面上基金2项、山西省重大专项1项；主持/参与中国煤炭科工集团重点、面上和青年项目5项。作为主要研发人员参与完成了深部软岩巷道、冲击地压巷道支护材料、技术及装备等为代表的科研及转化项目40余项。在Rock Mechanics and Rock Engineering、International Journal of Coal Science & Technology、《采矿与安全工程学报》、《煤炭学报》等期刊发表论文60篇，其中SCI/EI检索20篇，1篇入选国家科技部“领跑者F5000-中国精品科技期刊顶尖学术论文”；授权发明专利9项、申报发明专利20项，作为主要完成人获得省部级奖10余项。
引用格式：Fu, Y., Wu, Y., Li, J. et al. Mechanical properties and energy evolutions of burst-prone coal samples with holes and fillings. Int J Coal Sci Technol 11, 40 (2024). https://doi.org/10.1007/s40789-024-00675-z
