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基于卸支耦合的冲击地压煤层卸压爆破参数优化研究

1. 主要作者及发表信息

本研究由刘少虹^1,2、潘俊锋^1,2、刘金亮³等合作完成，作者单位包括：
1. 煤炭科学研究总院开采研究分院（北京）；
2. 天地科技股份有限公司开采设计事业部（北京）；
3. 新汶矿业集团华丰煤矿（山东泰安）。
研究发表于《煤炭科学技术》（*Coal Science and Technology*）2018年第46卷第11期。

2. 学术背景

科学领域：本研究属于采矿工程中的冲击地压（rock burst）防治领域，聚焦于煤层卸压爆破（blasting pressure release）参数优化。
研究动机：
- 冲击地压是我国深部煤矿的主要灾害之一，传统卸压爆破常因参数不合理导致支护结构损伤，降低防冲效率。
- 现有爆破优化研究多针对岩巷爆破，而煤矿冲击地压巷道的卸压爆破在振动频率、作用时间等方面差异显著，缺乏针对性方法。
研究目标：提出“卸压支护耦合”思想，建立数学模型，优化爆破参数，实现卸压效果与支护保护的平衡。

3. 研究流程与方法

研究分为以下关键步骤：

（1）卸压支护耦合模型构建
- 理论基础：提出“外弱内强”防冲体系（卸压弱结构在外，支护强结构在内），通过数学模型量化卸压与支护的相互作用。
- 模型公式：
- 冲击危险性（*pr*）与卸压强度（*xm*）、支护强度（*xs*）的线性关系：
[ pr = (-a_m x_m + b_m) \beta_m + (-a_s x_s + b_s) \betas ]
- 引入卸压对支护的损伤阈值（*xmc*）及转化系数（*a0, b0*），推导最优卸压强度表达式：
[ x{m,min} = \frac{a_m \beta_m - b a_s \beta_s}{2 a a_s \beta_s} ]

（2）爆破振动特征参数实测与模拟
- 现场实测：采用PASAT-M微震探测系统，测量不同药量（2 kg、4 kg）下的爆破振动主频（16–18.5 Hz）和持续时间（170–250 ms）。
- 数值模拟：基于萨道夫斯基公式（Sadovsky formula）和爆轰波C-J理论，建立爆破震源模型，计算等效爆破载荷（式13-14）。

（3）锚杆轴力损失模型开发
- 问题：传统FLAC3D中Cable单元无法模拟爆破振动导致的锚固结构损伤。
- 创新模型：
- 损伤判据：分两步判断——最大剪应力准则（式17）和应变能密度准则（式18）。
- 损伤演化：引入损伤因子（*d*）动态修正锚固剂刚度（*kg*）和黏聚力（*cg*），实现轴力定量化损失（式22）。

（4）数值模拟与参数初选
- 模型参数：以古山矿6-2煤层为对象，建立FLAC3D模型，模拟不同孔深（10–14 m）和药量（2–8 kg）下的锚杆轴力损失率。
- 结果验证：通过现场锚杆无损检测仪实测轴力损失率，与模拟结果对比（图9），验证模型可靠性。

（5）卸压效果检验
- 方法：钻屑法（drilling amount）和应力监测系统（KJ21）评估卸压前后应力变化。
- 关键数据：6 kg药量时，钻屑量显著降低，锚杆轴力损失率仅20%（图10），优于8 kg方案（卸压效果佳但轴力损失达55%）。

4. 主要研究结果

1. 理论模型：最优卸压强度与初始状态无关，取决于卸压/支护对冲击危险性的影响权重（*βm, βs*）及转化系数（*a, b*）。
   
2. 数值模拟：修正后的Cable单元模型成功模拟爆破振动下锚杆轴力“平稳→下降→平稳”的动态演化（图8）。
   
3. 现场验证：优化方案（孔深12 m、药量6 kg）使古山矿巷道围岩变形速度下降，套修次数从每月3次降至1次。
   

5. 结论与价值

科学价值：
- 首次提出“卸压支护耦合”思想，建立可量化最优卸压强度的数学模型。
- 开发锚杆轴力动力损伤模型，填补了FLAC3D在爆破振动损伤模拟中的空白。
应用价值：
- 优化方案在古山矿成功应用，兼顾卸压效果与支护保护，为冲击地压精细化防治提供新方法。

6. 研究亮点

1. 方法论创新：将理论模型、数值模拟与现场实测结合，形成“模拟→验证→优化”闭环流程（图3）。
   
2. 技术突破：自主研发爆破振动下锚杆轴力损失模型，支持动态损伤量化分析。
   
3. 工程意义：优化方法显著减少现场试验工程量，提升参数设计效率。
   

7. 其他有价值内容

• 研究揭示了爆破药量与振动主频的负相关关系（式12），为振动控制提供理论依据。
  
• 模型局限性：假设卸压与支护呈线性关系，未来需进一步考虑非线性效应。
  

此研究为煤矿冲击地压防治提供了兼具理论深度和实用性的解决方案，对类似地质条件下的爆破参数优化具有重要参考价值。