齐庆新，研究员，博士生导师，现任煤炭科学研究总院有限公司深地科学院院长，中国煤炭科工集团一级首席科学家，国家百千万人才工程国家级人选，中国科学技术发展基金会孙越崎“青年科技奖”获得者，享受国务院政府特殊津贴。任中国矿山安全学会冲击地压和岩爆防治专委会主任委员，中国岩石力学与工程学会矿山冲击地压防治专委会副主任委员、标准化技术委员会委员，中国煤炭学会煤矿动力灾害防治专委会副主任委员等。主持/参加国家科技攻关项目、国家科技支撑项目、国家重点研发计划项目、国家“973”课题、国家自然科学基金项目等各类纵向项目50余项和横向项目100余项，主持制订“煤和岩石物理力学性质测定方法”及“冲击地压测定、监测与防治方法”等国家标准30余项，荣获“煤矿冲击地压预测与防治成套技术”等国家科技进步二等奖3项和省部级科技进步奖一二三等奖30余项，发表论文100余篇，出版专(译)著《冲击地压理论与技术》等9部。

主要内容

本文聚焦于冲击地压物理相似模拟和数值模拟技术，介绍冲击地压模拟技术的发展现状，结合具体工作，给出一些新的发展思路。首先，针对冲击地压物理模拟技术进行梳理，提出针对动力灾害发生过程，应采取动力相似准则与形态学相似准则的双准则控制思路，并结合具体案例介绍材料研发和相似模型试验研究。然后，综述冲击地压数值模拟中各种数值方法的研究现状，总结从连续介质力学方法到不连续变形模拟方法，再到两者耦合模拟方法的发展历程，介绍非线性有限元与不平衡力理论在研究冲击地压潜在风险中的应用，提出煤岩体弹射理论模型的构建思路。最后，结合有限元与近场动力学耦合方法，初步实现在实验室条件下模拟岩块冲击弹射过程。

1.   煤矿冲击地压数值物理模拟研究现状与问题

1.1   冲击地压物理模拟现状与问题

1.2   冲击地压数值模拟现状与问题

2.   煤矿冲击地压物理模拟方法

2.1   冲击地压动力相似准则

2.2   类煤岩材料的配比研究

2.3   类煤岩材料的力学性能及破坏模式研究

表  1  正交试验配比参数

图  3  正交试验单轴压缩应力应变曲线

图  4  骨料单级配试验应力应变曲线

图  5  不同级配试样的CT扫描结果

图  6  类煤岩试样典型破坏模式——剪切破坏

2.4   动力波诱发冲击地压的相似模拟试验研究

在上述类煤岩材料的基础上，选择不同高聚物为胶结基质，通过环氧树脂胶结不同高聚物，制作出煤矿采场二维相似模型，模型顶底板岩层和煤层的材料参数见表 2。模型长为15 cm、宽为10 cm，中间煤层厚度1 cm，采空区长为3 cm、宽为1 cm，如图 7所示。

表  2  煤矿准三维波场相似模型参数

图  7  煤矿准三维波场相似模型设计图

图  8  煤矿准三维波场相似模型应变场演化过程与破坏图

3.  煤矿冲击地压数值模拟方法

3.1   非线性有限元与不平衡力模拟方法

图  9  煤炭开采前后应力状态变化图

图  10  动态莫尔圆与不平衡力示意图

图  11  不平衡力计算理论图

图  12  采场的非线性有限元模型

表  3  采场非线性有限元模拟计算参数

图  13  开采诱发采场不平衡力演化的模拟结果

3.2   煤岩体弹射理论模型构建

图  14  单轴压缩条件下煤岩冲击破坏室内试验

3.3   有限元与近场动力学耦合模拟初探

图  15  基于内聚力单元法模拟煤岩冲击破坏结果

图  16  基于近场动力学与有限元耦合模拟煤岩冲击破坏结果

4. 结论

1) 确定动力相似准则是冲击地压物理模拟的首要内容，在静力相似准则基础上，提出了惯性力与接触力相容的动力相似条件，并提出了冲击地压物理相似模拟的动力相似与材料宏细观形态学相似的“双准则”控制思路。

2) 采用高聚物为胶结基质，石英砂为骨料，制作了兼具低密度和低强度的煤岩物理相似材料，通过单轴压缩试验发现，试样的强度、应力应变曲线和破坏模式等与真实煤岩有较好的相似性。进一步制作了冲击地压应力波场物理相似模拟试验台，对波场传播诱冲过程进行了初步研究，发现弹性应变能在煤层处呈现出“吸能垫”效应，煤岩体形成局部化带最终诱发冲击地压。

3) 以非线性有限元为代表的连续介质力学方法在冲击地压数值模拟中有重要的研究价值，尤其是不平衡力理论为冲击地压潜在风险的定量研究提供了重要的评价指标。计算结果表明，岩层的非均质性是诱发冲击地压的重要因素，采场不平衡力主要集中在巷道两帮。

4) 冲击地压煤岩体弹射大致可分为前期高弹性能体形成、中期岩体瞬间脆断和块体形成非平衡条件、后期块体呈现牛顿运动这3个阶段，分别给出了3个阶段的理论建模思路；基于有限元与近场动力学耦合的连续-非连续数值模拟方法，初步实现了在实验室单轴压缩条件下的煤岩体冲击破坏模拟，验证了理论和数值方法的有效性。