《Computational Particle Mechanics》：Mechanical properties and failure behaviors of the coal-rock combination with blasting-induced cracks: A numerical study
編輯推薦：
本文聚焦深部開采中硬厚頂板誘發的沖擊地壓災害防控難題。為揭示頂板深孔爆破卸壓機理，研究團隊創新性地融合LS-DYNA/PFC數值方法，系統探究了爆破裂紋對煤巖組合體在采動應力下力學性能與破壞行為的主導作用。研究發現，頂板爆破裂紋可顯著劣化煤巖組合體，使其峰值強度、彈性模量及沖擊能指數分別降低21.3-43.7%、7.1-13.7%和22.5-81.3%，并將應變能集中釋放模式轉變為漸進多級耗散模式，從而有效削弱結構承載、儲能及動載破壞傾向。該研究為優化頂板爆破參數以防控沖擊地壓提供了定量的力學機理依據。
隨著煤炭開采向深部不斷推進，開采環境變得日益復雜，高地應力、堅硬巖層與高強度開采活動交織，使得動力災害發生的頻率與日俱增。其中，沖擊地壓已成為全球范圍內最嚴重的礦井動力災害之一，嚴重威脅著采礦安全、經濟效益和生產效率。在沖擊地壓的“元兇”名單中，厚硬頂板因其具有儲存和突然釋放大量彈性應變能的“強大本領”而備受關注。為了“馴服”這位危險的“能量巨人”，工程師們常常在采煤工作面推進到該區域之前，提前在頂板巖層中實施深孔爆破，主動將其“弱化”和“分割”。這種做法看似粗暴，實則蘊含著深刻的科學道理：爆破在巖體中產生的復雜裂紋網絡，究竟是如何改變頂板-煤層-底板這一整套系統的力學響應，并最終實現沖擊地壓防控的呢？盡管研究人員對含預制裂隙的煤巖組合體已有不少研究，但爆破產生的裂紋具有空間分布密度梯度大、方向隨機、相互交織等復雜特征，這與天然節理或水力裂縫等平面狀孤立裂隙截然不同。在實驗室中精準復現這種真實的爆破裂紋網絡極其困難，導致該領域的研究相對有限，優化防控策略缺乏堅實的定量化機理支撐。為此，發表在《Computational Particle Mechanics》上的這項研究，旨在通過創新的數值模擬手段，深入揭示爆破裂紋對煤巖組合體力學行為與破壞模式的控制機制。
研究人員巧妙地構建了一個混合LS-DYNA/PFC計算框架來攻克這一難題。該框架充分發揮了LS-DYNA軟件在爆炸動力學模擬方面的高保真度，以及PFC（Particle Flow Code， 粒子流程序）離散元方法在模擬動態和準靜態加載下裂隙演化的優勢。具體而言，研究首先利用LS-DYNA建立了單孔巖石爆破模型，采用RHT（Riedel-Hiermaier-Thoma）本構模型描述巖石的動態損傷與失效，并利用JWL（Jones-Wilkins-Lee）狀態方程描述乳化炸藥，通過模擬獲取了爆破孔壁的壓力衰減時程曲線。接著，在PFC中建立標準的煤巖組合體離散元模型（尺寸為50 mm × 100 mm），采用平行粘結模型（Parallel Bond Model）模擬巖煤顆粒的膠結，采用光滑節理模型（Smooth Joint Model）模擬煤巖界面。通過反復試錯法校準了巖體和煤體的細觀力學參數，使其宏觀力學響應與室內試驗結果匹配。隨后，將LS-DYNA獲得的爆破壓力曲線，通過“粒子膨脹法”在PFC模型中等效施加，成功復現了爆破致裂過程，并通過對比驗證了混合框架的合理性�；诖�，研究設計了包含完整樣本和五種不同爆破裂紋特征（不同峰值壓力、不同爆破中心位置）的煤巖組合體模型，在施加5 MPa初始地應力后，對其進行軸向連續靜態加載直至破壞，系統分析了其力學響應、破壞演化及能量規律。
4.1. 爆破裂紋對強度與變形的影響
通過分析軸向應力-應變曲線及關鍵力學參數發現，爆破裂紋從根本上劣化了煤巖組合體的力學完整性。相較于完整樣本，含爆破裂紋樣本的峰值強度降低了21.3-43.7%，彈性模量降低了7.1-13.7%，峰值應變降低了13.0-21.4%，沖擊能指數（沖擊能指數）更是大幅降低了22.5-81.3%。這種弱化效應隨著裂紋密度增加及裂紋位置靠近煤層而加劇。應力-應變曲線在峰后階段呈現出階梯式軟化，表現出明顯的塑性特征，這與完整樣本的突發性脆性破壞形成鮮明對比。
4.2. 爆破裂紋對損傷演化與破壞模式的影響
對破壞過程的精細化觀測顯示，爆破裂紋重塑了煤巖組合體內的應力分布與破壞路徑。加載初期，預存的爆破裂紋就在頂板巖中造成了顯著的非均勻應力場：致密裂隙區應力降低，而裂隙邊界處應力集中。隨著荷載增加，新生裂紋并非均勻產生于煤體中，而是優先在對應頂板巖應力集中區下方的煤巖界面處萌生并擴展。最終，破壞表現為一個近似的“三角形”斷裂面：次生斷裂從頂板巖中應力集中的爆破裂紋尖端成核，然后沿爆破裂紋方向向煤體界面擴展。相比之下，完整煤巖組合體的破壞則集中于煤體內部。爆破裂紋形成的低應力“屏蔽區”保護了下方的煤體，使其免受高應力破壞，這從機理上驗證了頂板深孔爆破通過卸壓防治沖擊地壓的有效性。
4.3. 爆破裂紋對能量積累與耗散的影響
能量分析表明，爆破裂紋改變了煤巖系統的能量“儲存-釋放”路徑。含爆破裂紋樣本在變形過程中可儲存的最大應變能以及破壞時釋放的耗散能總量均顯著減少，最大應變能減少了28.5-60.6%。更重要的是，能量耗散模式發生了轉變：爆破裂紋促使能量在峰值前就通過裂紋周圍的局部損傷被逐步消耗，避免了應變能的過度積累，從而將集中、猛烈的能量釋放模式轉變為漸進、多階段的耗散模式，顯著降低了樣本的沖擊破壞強度。
該研究的結論與討論部分深刻闡述了爆破裂紋控制煤巖組合體破壞的力學鏈條。研究指出，煤巖組合體的最終破壞雖始于較弱的煤體，但頂板巖中預存的爆破裂紋通過重建應力場、導向斷裂路徑和促進漸進貫通，主導了整體的破壞進程。爆破裂紋造成的應力不對稱性，使得低應力屏蔽區下的煤體得到保護，而高應力則被轉移至裂隙邊界，引導破壞沿預定路徑發展。這實現了從材料控制的、危險的突發性破壞，向結構控制的、弱化的漸進性破壞的轉變。這種轉變不僅證實了爆破卸壓作為沖擊地壓防控策略的有效性，也為爆破后工作面的礦壓監測與預警提供了新思路：需要重點關注破裂從煤體向頂板巖遷移這一關鍵前兆信息。總而言之，這項研究通過創新的數值模擬手段，定量揭示了頂板爆破裂紋弱化煤巖組合體、改變其破壞模式與能量釋放路徑的內在機理，為優化深部開采中的頂板爆破卸壓參數，實現沖擊地壓的科學精準防控，提供了重要的理論依據和工程指導。
