落锤质量形状对动态冲击下焊接钢丝网能量吸收特性的数值模拟研究及其在深部矿山支护中的意义

本文针对深部矿山动态冲击条件下地面支护系统性能评估中落锤质量形状缺乏标准化的问题，通过数值模拟方法系统研究了五种不同几何形状的落锤（棱柱体、球体、圆柱体、ETAG 027标准体及不规则体）对焊接钢丝网动态响应的影响。研究发现，圆柱形落锤能量吸收能力最高（5.69 kJ），而不规则形状表现最差（2.83 kJ），揭示了落锤几何形状通过接触面积和应力分布显著影响网格失效模式与能量耗散机制。该研究为优化动态实验设计、提升支护系统可靠性提供了关键理论依据，对深部矿山安全防护具有重要意义。

　　

在深部矿产资源开采中，岩爆和动态冲击事件已成为威胁井下作业安全的核心挑战。当地下开挖面临高应力环境时，围岩会突然释放巨大能量，如同沉睡的巨人猛然挥拳，对支护系统产生毁灭性打击。在这种极端条件下，支护系统不仅要承受高速变形的考验，更需要高效吸收能量，防止岩石碎片飞溅造成人员伤亡和设备损坏。然而，当前实验室动态测试中存在一个关键缺陷：不同机构使用的落锤质量形状千差万别，从棱柱体、球体到不规则几何体，导致实验结果难以横向对比，犹如用不同标尺丈量同一物体。这种标准化缺失严重阻碍了支护系统的优化设计与可靠性评估。

为了攻克这一难题，来自澳大利亚新南威尔士大学矿业与能源资源工程学院的Ceren Karatas Batan等人开展了创新性研究，通过数值模拟方法系统解析落锤几何形状对焊接钢丝网动态响应的影响机制。该研究成果已发表在《Simulation Modelling Practice and Theory》期刊，为深部矿山支护设计提供了重要理论支撑。

研究人员采用Abaqus/Explicit显式动力学分析平台，建立了焊接钢丝网的三维有限元模型。网格模型严格遵循现场应用标准：采用100 mm×100 mm网孔间距，钢丝直径5.6 mm，整体尺寸为1.3 m×1.3 m，边界条件采用销钉约束以模拟实验室D形卸扣固定方式。材料参数基于实验测量值：密度7850 kg/m³，弹性模量210 GPa，屈服应力500 MPa，极限抗拉强度630 MPa。采用韧性损伤模型表征材料失效，设定断裂应变为0.1，塑性应变阈值为0.25。焊接点通过绑定约束模拟，确保交叉节点无相对运动。

研究团队设计了五种具有相同质量（380 kg）和冲击能量（4.24 kJ）的落锤几何形状：棱柱体（模拟常规实验室测试）、球体（点接触载荷）、圆柱体（线接触载荷）、ETAG 027标准体（多面体结构）以及基于真实矿山岩块图像构建的不规则形状。通过控制变量法，系统比较了不同几何形状下的网格变形模式、塑性应变分布、载荷-位移响应和能量吸收特性。

4.1. 基于落锤形状的失效机制分析

通过等效塑性应变（PEEQ）和竖向位移场分布可见：棱柱体落锤因其尖锐边缘产生高度局部化载荷，形成V型变形带，塑性应变集中沿冲击线分布，导致早期网格破裂；球体落锤产生对称的穹顶状变形，塑性应变分布相对均匀，表现为整体弯曲失效模式；圆柱体落锤产生定向变形，底部接触线处出现严重撕裂，但位移量达到200 mm，显示较高的变形容忍度；ETAG 027落锤呈现多点多向载荷特征，焊接点处出现多处断裂；不规则落锤产生非对称变形，塑性应变局部集中，模拟了实际岩块冲击的复杂失效路径。

4.2. 载荷-位移行为与能量吸收分析

力-位移曲线揭示：圆柱形落锤表现最佳，峰值载荷达62.73 kN，能量吸收能力5.69 kJ，且载荷维持时间最长；棱柱体落锤（WASM实验基准）峰值载荷65 kN，但位移仅100 mm，能量吸收受限；ETAG 027落锤峰值载荷50 kJ，能量吸收3.06 kJ；球体与不规则形状表现最差，能量吸收仅2.55 kJ和2.83 kJ，因其点接触特性导致应力集中和早期失效。接触分析显示，球体和不规则体在初始接触时均为点载荷，显著降低了网格的整体能量耗散能力。

本研究通过数值模拟揭示了落锤几何形状对焊接钢丝网动态性能的显著影响。圆柱形落锤展现最优能量吸收特性（5.69 kJ），而不规则形状（模拟真实岩块）反而表现最差，这一发现对实验室测试标准化提出重要启示：当前普遍采用的棱柱体落锤并非最佳选择，而更接近真实岩块的不规则形状可能导致低估网格性能。研究强调，落锤形状通过接触面积、应力分布和载荷传递机制直接影响网格的失效模式与能量吸收效率。

该成果对深部矿山支护系统设计具有三重意义：其一，为动态测试标准化提供了几何形状选择依据；其二，通过数值模拟突破了实验成本高、周期长的限制，实现了多参数敏感性分析；其三，揭示了网格在动态载荷下的内在失效机制，为开发高能耗支护材料提供了理论指导。未来研究需进一步结合岩-支护相互作用，开发更贴近实际工况的冲击模型，推动矿山安全防护从经验设计向能量量化设计转型。