（1）鉴于冲击能指数无法引入现有的商业软件和计算程序，以岩层运动并行计算系统 StrataKing（一种自主开发的以拉格朗日元与离散元耦合方法为基础的非线性断裂力学 GPU 并行计算方法）为基础，将Ⅱ型断裂能设定为中间变量，从而建立了静水压力条件下圆形巷道围岩临界应力与冲击能指数之间的数值关系。
（2）为了获取冲击能指数的数值解，采用了仅出现一个剪切面的理想岩样进行单轴压缩数值实验，以排除其他因素对应力-应变曲线峰后倾向于直线部分斜率的影响。对于高角度剪切破裂，提出了将非标准试样的计算结果转换成标准试样的折算方法。
（3）冲击地压与局部化的关系过去有讨论，扰动响应失稳理论与局部化过去并无关系。将局部化-扰动响应失稳理论-冲击地压三者打通。局部化为巷道围岩提供了能承受较高应力的某种块体结构。通过局部化，扰动响应失稳理论与冲击地压之间在破坏机理上产生了密切的关联。
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冲击地压扰动响应失稳理论并行计算
冲击地压是煤矿最严重的动力灾害之一，是指井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象，能造成重大的经济损失和人员伤亡。在过去大约60 a，全世界的科技工作者在冲击地压的机理、预测和防治方面投入了极大精力，取得了卓有成效的进展。例如在冲击地压的机理研究方面，代表性的理论包括但不限于强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论、“三准则”理论、变形系统失稳理论、“三因素”理论、冲击启动理论、扰动响应失稳理论、扩容理论和强度弱化减冲理论。冲击地压的理论已经较为完备，从几乎各个侧面在一定程度上揭示了冲击地压发生的基本原理和条件，对于认识煤矿冲击地压发生机理起到了重要的推动作用。客观地讲，鉴于冲击地压问题的极度复杂性，在理论上继续取得突破极为困难。
巷道冲击地压扰动响应失稳理论(或极值点失稳理论)是基于静水压力条件下圆形巷道均匀破坏简化模型，建立在严格的封闭解析解的基础之上。在该理论框架之内，完全从控制量、扰动量和响应量的角度对冲击地压的监测和防治进行叙述，进而使巷道冲击地压扰动响应失稳理论从机理、预测和防治方面形成了一个完整的体系。基于该理论，在单轴抗压强度、冲击能指数和支护压力已知时，可对巷道围岩临界应力进行定量计算，这是冲击地压从定性分析到定量分析的一个重大转变。2023年，借鉴岩土工程安全系数的概念，又引入了巷道安全系数的概念，这表明巷道冲击地压理论研究进入了新的发展阶段，与有关学科的常用研究方法已经接轨。巷道安全系数的计算，需要以巷道围岩临界应力为基础，它目前主要通过建立的理论公式计算，而非其他手段。巷道围岩临界应力是巷道围岩的极限(最大)承载能力，一般难以测量。当前的力学量测量只能了解巷道围岩当前的力学状态，而非未来载荷增加后失稳时的力学状态。基于理论公式的计算，无法考虑更复杂的实际情况，例如非圆形巷道、非静水压力和复杂岩层结构；鉴于实际结果与理论结果存在一定的差异，引入了巷道围岩临界应力的修正系数。在数值计算中，复杂的几何条件、多样的加载条件、非均一的岩层结构等因素均容易被考虑。冲击地压理论和数值计算相结合具有广阔的应用前景，能使冲击地压理论进一步走向实际应用，这是今后极有价值的发展方向。这方面研究成果的成功取得依赖于数值计算技术的快速发展。从发展的角度，许多问题的研究都是从简化条件下的解析分析到复杂条件下的数值分析，从而一些学科逐渐走向成熟，成为真正的科学，可以更好地指导实践。自然，冲击地压研究不应该是一个例外。目前，限于缺少适当的程序和软件，较少开展行之有效的冲击地压数值计算，尤其是高性能科学计算。
笔者将当今较先进的岩层运动并行计算系统StrataKing(一种自主开发的以拉格朗日元与离散元耦合方法为基础的非线性断裂力学GPU并行计算方法)与冲击地压扰动响应失稳理论相结合，首次提出了圆形巷道扰动响应失稳理论的数值模拟方法。该方法的思想是将非线性断裂力学数值分析方法中的Ⅱ型断裂能设定为中间变量，从而建立了静水压力条件下圆形巷道围岩临界应力与冲击能指数之间的关系。为了获取冲击能指数的数值解，采用了仅出现一个剪切面的理想岩样进行单轴压缩数值试验，以排除其他因素的影响。对于高角度剪切破裂，提出了将非标准岩样的计算结果转换成标准岩样的结果的折算方法。从局部化破坏围岩比均匀破坏围岩的承载力高的角度，解释了巷道围岩临界应力的计算结果比理论结果普遍高的现象。从冲击能指数的角度，解释了20个冲击地压矿井圆形巷道临界应力修正系数与单轴抗压强度之间的关系具有较大的离散性。通过局部化，扰动响应失稳理论与冲击地压之间在破坏机理上产生了密切的关联。
图 1 基于均匀破坏假定的静水压力下圆形巷道围岩力学模型
图 2 理想岩样力学模型和σ3、裂纹的时空分布(方案5)
图 3 理想岩样的应力−应变曲线及局部放大图
图 4 全国131个冲击地压矿井的 K 的概率分布
图 5 开挖巷道后的围岩力学模型
图 6 巷道围岩的裂纹和 σ3 的时空分布(方案14)
图 7 巷道围岩的应力−位移曲线
图 8 K 与 K' 的柱状图(方案10—方案18)
图 9 岩样高度折算前、后临界应力−冲击能指数曲线的理论和计算结果
图 10 n-σc曲线与nK-σc曲线
图 11 静水压力下圆形巷道围岩的不同破坏模式
图 12 局部化、扰动响应失稳理论和冲击地压的三位一体
潘一山，中国工程院院士，辽宁大学党委书记。兼任矿山重大灾害防控专家论证委员会组长，中国煤炭学会煤矿动力灾害专业委员会、中国煤炭工业协会防冲击地压专家委员会主任，中国岩石力学与工程学会矿山冲击地压专业委员会主任，煤矿冲击地压机理与防控技术国家矿山安全监察局重点实验室主任，国际杂志 Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 副主编，创建并担任国际杂志 Geohazard Mechanics 主编。1984年阜新矿业学院矿山工程力学专业获学士学位，1986年阜新矿业学院采矿工程专业获硕士学位，1999年清华大学固体力学专业获博士学位。始终围绕煤矿冲击地压发生机理、预测防治开展研究，取得原创性、系统性成果，提出了冲击地压扰动响应失稳理论，先后攻克冲击地压治理、高瓦斯冲击地压治理和冲击地压巷道支护等重大关键技术难题，研发了冲击地压预测防治成套技术与装备、冲击地压瓦斯突出复合动力灾害一体化预测防治关键技术与装备、冲击地压吸能防冲支护技术与装备，授权中国和美国发明专利多项、发表论文多篇。作为组长主持编制《防治煤矿冲击地压细则》《煤矿冲击地压防治监管监察手册》在全国所有冲击地压矿井执行。主持完成“973计划”课题、国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金重大仪器项目等多项课题。
王学滨，教授，博导，辽宁工程技术大学计算力学研究所所长，辽宁大学煤矿冲击地压机理与防控技术国家矿山安全监察局重点实验室研究人员、高性能计算室负责人，中国煤炭学会首席科学传播专家，目前从事计算（岩石）力学、并行计算、岩层运动方面的科研工作，2篇论文分别位列《煤炭学报》2021、2023年Top10第2名，6次入围全球前2%顶尖科学家-终身榜，入围2024中国知网Top1%高被引学者（力学），获得数字仿真科技奖（杰出贡献奖+卓越应用奖+自主软件创新奖）、省五一劳动奖章等奖励。成功开发了矿业领域首个岩层运动 GPU 并行计算系统 StrataKing（王之岩层）。在某型号单一GPU下，StrataKing 的计算单元规模达到了500万+，具有领先优势。和国外通用串行商业软件相比，StrataKing 采用GPU加速，计算效率高，计算规模大，计算精度高，矿业特色鲜明，例如，具备模拟两相邻岩层之间黏结（区别于连续介质模型）、虚拟锚杆、顶板切缝、冒落岩石碎胀（顶板冒落的一种自然属性）、充填、动力（利用朱-王-唐动力本构模型）等功能。与树优科技合作形成了岩层运动并行计算云平台 StrataKing.UniXDE，为煤炭行业科技工作者提供了一种具备岩层运动模拟基本功能的新的研究手段。StrataKing 和 StrataKing.UniXDE 处于不断发展之中，可为矿山灾害防治和生态环境治理、煤炭行业数字化转型升级和高质量发展提供强大算力支撑。
来源：
潘一山，王学滨，郑一方，等. 冲击地压扰动响应失稳理论并行计算[J]. 煤炭学报，2025，50(1)：81−91.
PAN Yishan，WANG Xuebin，ZHENG Yifang，et al. Parallel computing of disturbance response instability theory of rockbursts[J]. Journal of China Coal Society，2025，50(1)：81−91.
策划丨郭晓炜
责编丨宫在芹
编辑丨李莎
审核丨郭晓炜
