沖擊地壓礦井巷道支護(hù)理論研究及應(yīng)用

潘一山，肖永惠，李忠華，王凱興

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

沖擊地壓礦井巷道支護(hù)理論研究及應(yīng)用

潘一山，肖永惠，李忠華，王凱興

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

針對現(xiàn)有支護(hù)理論、支護(hù)方法不能有效解決煤礦巷道沖擊地壓的問題,建立了沖擊地壓作用下的巷道圍巖與支護(hù)響應(yīng)的動力學(xué)模型，分析了支護(hù)剛度和支護(hù)阻尼對上覆巖體動力響應(yīng)的影響，并由此提出了沖擊地壓礦井巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的兩個新思路，即提高支護(hù)剛度和快速吸能讓位支護(hù)。其中，提高支護(hù)剛度主要以研制高強(qiáng)度的巷道液壓支架為主，通過采用剛度較大的梁體和工作阻力較高的液壓支柱來增加支護(hù)體系的整體剛度；快速吸能讓位支護(hù)則采用多孔泡沫金屬材料或吸能構(gòu)件來增大支護(hù)中的阻尼系數(shù)，即利用其優(yōu)異的吸能特性使支護(hù)體系能夠在圍巖沖擊下快速吸收沖擊能并穩(wěn)定地變形讓位，最終防止支護(hù)體系失效與巷道破壞,并據(jù)此研發(fā)了一種新型防沖吸能巷道液壓支架并準(zhǔn)備進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究。

沖擊地壓；剛性支護(hù)；防沖吸能支護(hù)；吸能構(gòu)件

沖擊地壓是煤礦生產(chǎn)中遇到的最嚴(yán)重災(zāi)害之一。目前，我國發(fā)生沖擊地壓的礦井已達(dá)到142對。由于綜采液壓支架的廣泛使用，支護(hù)強(qiáng)度的提高，近年來沖擊地壓造成的井下破壞大部分由工作面轉(zhuǎn)向了巷道中[1-3]。阜新五龍煤礦“1·12”沖擊地壓事故，50 m巷道煤壁發(fā)生嚴(yán)重變形；河南義馬躍進(jìn)煤礦“8·6” 、“8·11” 沖擊事故，分別造成400 m和360 m的巷道變形破壞，大量O型棚損壞[4]；義馬千秋煤礦“11·3”沖擊地壓事故，380 m巷道嚴(yán)重破壞，其中有近百米段巷道基本合攏。因此，發(fā)展沖擊地壓礦井的巷道支護(hù)理論，提高沖擊地壓礦井巷道支護(hù)的抗沖、防沖能力成為亟待解決的重要課題。

20世紀(jì)50年代于學(xué)馥教授首先提出了巷道支護(hù)的軸變理論[5-6]。20世紀(jì)60年代，奧地利工程師L.V.Rabcewicz提出了隧道支護(hù)設(shè)計(jì)方法“新奧法”(NATM)[7-9]。此后，1987年，馮豫、陸家梁等提出了聯(lián)合支護(hù)理論[9-10]。1988年，孫鈞、鄭雨天等[10-11]提出了錨噴-弧板支護(hù)理論。1994年，董方庭等提出了圍巖松動圈理論[12]。2002年，何滿潮教授提出關(guān)鍵部位耦合組合支護(hù)理論[13]。高明仕等[14]根據(jù)巷道沖擊震動破壞的原因和機(jī)理，提出了沖擊礦壓巷道圍巖控制的強(qiáng)弱強(qiáng)(3S)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，并分析了該力學(xué)模型防沖抗震機(jī)理。但是，上述關(guān)于巷道支護(hù)的理論都是基于靜力分析而提出的，考慮沖擊地壓動力載荷作用下巷道支護(hù)理論的研究與應(yīng)用尚且較少，因此，本文對于沖擊地壓礦井的巷道支護(hù)理論開展初步研究，并由此提出和研發(fā)了一種新型的防沖吸能巷道液壓支架。

1 沖擊載荷作用下巷道圍巖與支護(hù)響應(yīng)的動力學(xué)模型

將沖擊地壓作用下巷道圍巖與支護(hù)的動力響應(yīng)簡化為圖1所示的分析模型。

假設(shè)一般情況下，巷道支護(hù)具有剛性支撐的作用，簡化為彈簧ks；同時(shí)巷道支護(hù)中增加阻尼耗能的作用，簡化為阻尼器cs。圍巖的上覆巖層簡化為n+1個塊體構(gòu)成的塊系，塊體質(zhì)量為mi，其中支護(hù)直接作用的鄰近塊體為ms。巖塊相對于塊體間的軟弱結(jié)構(gòu)面可抽象為剛體，軟弱結(jié)構(gòu)面則抽象為黏彈性凱爾文體，其彈性系數(shù)為ki，阻尼系數(shù)為ci。沖擊地壓產(chǎn)生的動力載荷為f(t)，則圍巖與支護(hù)的動力響應(yīng)微分方程為

圖1 沖擊下巷道圍巖與支護(hù)響應(yīng)的動力學(xué)模型Fig.1 Dynamic response model of surrounding rock and support

式中,F(t)為外界擾動，F(xiàn)(t)=[f(t)，0，…，0]T；x為塊系巖體位移向量，x=[x1,…,xn,xs]T;δ=[δ1,…,δn,δs]T，δi為靜力平衡狀態(tài)時(shí)第i塊巖塊在自身重力作用下，由于黏彈性體的變形而產(chǎn)生的位移量；g=[g,…,g]T；

2 沖擊地壓礦井巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的兩個新思路

通過研究在相同初始沖擊載荷f(t)作用下，支護(hù)剛度和支護(hù)阻尼對圍巖動力響應(yīng)的影響，提出了增強(qiáng)沖擊地壓巷道支護(hù)抗沖、防沖能力的兩個設(shè)計(jì)新思路。

2.1 提高支護(hù)剛度防治巷道沖擊地壓分析

根據(jù)圖1所示模型，通過研究支護(hù)剛度對圍巖動力響應(yīng)的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，提高支護(hù)剛度可以防治巷道沖擊地壓。

圖2 塊體10加速度響應(yīng)曲線Fig.2 response curve with elastic support

圖3 支護(hù)剛度增加后塊體10加速度響應(yīng)曲線Fig.3 response when increase support stiffness

圖4為義馬躍進(jìn)煤礦某工作面的超前支護(hù)區(qū)域，其中采用了錨桿、錨索、錨網(wǎng)、工字鋼和O型棚等常規(guī)支護(hù)形式，同時(shí)還引入了新型的門式巷道液壓支架，通過大密度、高強(qiáng)度支護(hù)顯著地增加了支護(hù)體系剛度，并在幾次巷道沖擊事件中，近乎剛性的巷道支護(hù)體系有效地抵制了圍巖的突發(fā)破壞，保護(hù)了巷道空間，展示了剛性支護(hù)體系較好的抗沖擊能力[15-16]。

圖4 剛性巷道支護(hù)工程實(shí)例Fig.4 Rigid support of roadway in the engineering

2.2 增加支護(hù)阻尼耗能防治巷道沖擊地壓分析

根據(jù)圖1所示模型，通過研究支護(hù)阻尼對圍巖動力響應(yīng)的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，提高支護(hù)阻尼系數(shù)，可以防治巷道沖擊地壓。

圖5 增加支護(hù)阻尼時(shí)上覆巖塊10加速度響應(yīng)曲線Fig.5 response when increasing support damping

因此在支護(hù)體系中，設(shè)置具有特殊性能的阻尼耗能元件，通過合理的支護(hù)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能夠與體系中的剛性部分相互協(xié)調(diào)、相互配合，構(gòu)成一種能夠快速變形吸能并自我調(diào)節(jié)平衡的有機(jī)整體。在未有沖擊的情況下，支護(hù)體系能夠保持相對穩(wěn)定的支護(hù)狀態(tài)；而一旦突發(fā)沖擊并致使支護(hù)體上的沖擊荷載超過某一閾值時(shí)，特設(shè)的阻尼耗能元件立即開始變形，快速吸收外來的沖擊能，并通過一定程度的變形讓位過程緩解支護(hù)體受到的沖擊，最終抑制圍巖的變形趨勢，防止支護(hù)體-圍巖系統(tǒng)的沖擊性失穩(wěn)破壞。這是一種以犧牲小局部而保全大整體的防沖支護(hù)方法，這種方法的基本思想即快速吸能讓位防沖支護(hù)理念。

圖6為撫順老虎臺礦某工作面的超前支護(hù)區(qū)域?？梢钥吹剑赨型鋼支架和煤壁之間充填有多層背木，由于背木具有良好的抗壓強(qiáng)度和可壓縮變形吸能的特點(diǎn)，因此在沖擊地壓發(fā)生過程中，背木能夠及時(shí)地讓位卸壓，快速吸收巖體中的有害能量，以緩解U型鋼支架上的過大壓力，保護(hù)內(nèi)部支架結(jié)構(gòu)及整個體系不受損傷或破壞[9]。應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，背木疊加的層數(shù)越多，卸壓的效果越明顯，支護(hù)體系越穩(wěn)定，這說明了背木以及這種簡單的支護(hù)方式確實(shí)具有良好吸能和防沖效果，是吸能防沖支護(hù)的一個典型代表。

圖6 背木吸能支護(hù)工程實(shí)例Fig.6 Energy-absorption support with wood in the engineering

圖7 高強(qiáng)度巷道液壓支架Fig.7 The powerful hydraulic support of roadway

3 增加支護(hù)剛度和阻尼耗能的實(shí)現(xiàn)途徑

3.1 提高支護(hù)剛度的巷道液壓支架研制

根據(jù)以上的理論研究，研制了一種新式巷道液壓支架(圖7)。該支架由圓弧頂梁、長直底梁、側(cè)連桿與3根液壓支柱組成。兩段圓弧頂梁起到對巷道頂部圍巖的大面積支護(hù)；兩段長直底梁在中間立柱的支撐下可以有效防止底臌；兩邊側(cè)連桿有引導(dǎo)支架變形的功能；3根液壓支柱總工作阻力可達(dá)6 000 kN，提供了支架承載力的主要來源。支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旨在對圍巖實(shí)施的全面有效控制，通過高強(qiáng)度的支護(hù)作用，增加圍巖及整個支護(hù)體系的剛度，從而提高支護(hù)系統(tǒng)的抗沖擊能力，保證沖擊地壓發(fā)生過程中巷道圍巖的完整性與支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 多孔泡沫金屬材料增大支護(hù)阻尼的方法

通過大量實(shí)驗(yàn)，找到了一類多孔泡沫金屬材料(圖8)，用作沖擊地壓巷道支護(hù)材料，可以增大支護(hù)阻尼，吸收沖擊地壓釋放的能量。

圖8 多孔泡沫金屬材料Fig.8 The foam alloy material

如圖9所示，通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)、高速沖擊實(shí)驗(yàn)，研究不同基質(zhì)泡沫金屬材料的基本力學(xué)性能，從而優(yōu)選最適合沖擊地壓巷道應(yīng)用的吸能防沖材料。由圖9(a)可知，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中，Al基多孔泡沫合金材料總體應(yīng)變值較大，且平臺階段持續(xù)較長，吸能能力較強(qiáng)；多種泡沫合金材料中，隨著含硅量的增加，材料強(qiáng)度有所提高，其中抗壓強(qiáng)度最大的達(dá)5 MPa左右。由圖9(b)可知，在高速沖擊試驗(yàn)中，Al-Si基多孔泡沫合金材料強(qiáng)度增加明顯，但起伏變化較大，不夠穩(wěn)定，且吸能效果差；Al基多孔泡沫合金材料強(qiáng)度有一定提高，仍有較長的平臺階段，吸能效果明顯。

圖9 多空泡沫金屬材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 The stress-strain curves of foam alloy material

3.3 吸能構(gòu)件增大支護(hù)阻尼的方法

基于屈曲原理，研制了一種具有特殊幾何形狀的吸能構(gòu)件—曲殼折棱管，欲應(yīng)用于新式巷道防沖吸能液壓支架中，旨在利用該構(gòu)件在沖擊下的穩(wěn)定、快速地變形讓位和及時(shí)、高效地吸能的特點(diǎn)，緩解整個支架結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊作用，保護(hù)支架不受損傷或破壞。

該構(gòu)件屬于一種薄壁金屬管件(圖10)，在軸向沖擊作用下能夠按照預(yù)設(shè)的折棱進(jìn)行誘導(dǎo)式的結(jié)構(gòu)屈曲變形，實(shí)現(xiàn)快速吸能和讓位的功能，且變形穩(wěn)定可靠。如圖11，12所示，利用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件計(jì)算得到了曲殼折棱管在沖擊壓縮過程中的反力-變形曲線、吸能量曲線和屈曲形態(tài)，并通過初步的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得到了一定的驗(yàn)證。

圖10 吸能構(gòu)件Fig.10 The energy-absorption components

圖11 吸能構(gòu)件的屈曲模態(tài)Fig.11 The bucking mode of the energy-absorption component

可以看出，該構(gòu)件主要具備以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

(1)合理的承載峰值?？梢愿鶕?jù)支護(hù)需求設(shè)定折棱管的承載力，使折棱管即滿足一定的承擔(dān)靜載的需求，又可以在沖擊力超過該閾值時(shí)立即開始變形讓位吸能，緩解支架結(jié)構(gòu)受到的沖擊作用。

(2)較長的變形讓位行程。折棱管具有較大的可變形量，能夠確保足夠的讓位行程來緩解支架受到的沖擊作用，吸收外來的沖擊能。

(3)持續(xù)較高的反作用力。折棱管在壓縮變形過程中，反作用力可以保持較高的位置，以支持整體支架結(jié)構(gòu)在讓位過程中有效抵制圍巖的變形趨勢。

(4)穩(wěn)定的變形模式。折棱管的變形模式穩(wěn)定，能夠確保在復(fù)雜不可預(yù)測的沖擊荷載作用下變形不失穩(wěn)。

(5)不可逆的能量轉(zhuǎn)換。折棱管應(yīng)能夠?qū)⒔^大部分輸入動能通過塑性變形轉(zhuǎn)化為自身內(nèi)能耗散掉，而不是轉(zhuǎn)換為彈性能積聚起來。

(6)折棱管形式簡潔，比吸能高，且易裝卸更換。此構(gòu)件的設(shè)計(jì)與研制，為支架的現(xiàn)場應(yīng)用以及進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)，為以后防沖吸能支護(hù)設(shè)備中的吸能構(gòu)件研制起到了一定的指導(dǎo)作用。

4 防沖吸能巷道液壓支架的研制及應(yīng)用

基于沖擊地壓礦井巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的新思路，研制了一種新型防沖吸能巷道液壓支架(圖13)。該支架主要由剛性的頂?shù)琢汉?根液壓支柱構(gòu)成，每根柱子底部都帶有一個特設(shè)的吸能構(gòu)件，使支架同時(shí)具有了剛性支護(hù)能力和快速吸能讓位的雙重特性，即在未發(fā)生沖擊的情況下，支架能夠提供足夠的支撐力以滿足圍巖靜壓下的支護(hù)需求，而在突發(fā)圍巖沖擊時(shí)，支架中的吸能構(gòu)件能夠立即發(fā)生作用，與剛性頂梁一起為圍巖實(shí)現(xiàn)一個快速的讓位卸壓過程，吸收圍巖沖擊能，保護(hù)巷道空間與內(nèi)部人員、設(shè)備。

圖13 防沖吸能巷道液壓支架Fig.13 The anti-impact and energy-absorption hydraulic support

現(xiàn)已研制該型試驗(yàn)支架100架，將于義馬礦區(qū)進(jìn)行井下試驗(yàn)，旨在研究該種新型巷道液壓支架在實(shí)際工程中的支護(hù)與防沖吸能效果，評價(jià)支架技術(shù)參數(shù)設(shè)置的合理性，為進(jìn)一步檢驗(yàn)防沖吸能支護(hù)理論的合理性和適用性打下一定的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

(1)增大支護(hù)剛度能夠增強(qiáng)圍巖抗沖擊擾動的能力，提高圍巖穩(wěn)定性；將剛性支護(hù)中加入阻尼耗能機(jī)制，則有利于快速平息圍巖的震動和吸收、耗散巖體沖擊能的作用。

(2)提出了兩種防治巷道沖擊地壓的支護(hù)設(shè)計(jì)的新思路，即提高支護(hù)剛度和快速吸能讓位支護(hù)。其中，提高支護(hù)剛度主要是以研制高強(qiáng)度的巷道液壓支架為主，通過采用剛度較大的支架梁體和工作阻力較高的液壓支柱的來增加支護(hù)體系的整體剛度；快速吸能讓位支護(hù)則通過研究多孔泡沫金屬材料或吸能構(gòu)件來增大支護(hù)中的阻尼，利用其優(yōu)異的吸能特性使支護(hù)體系能夠在圍巖沖擊下快速吸收外來沖擊能并及時(shí)變形讓位，最終防止支護(hù)體系失效，保護(hù)巷道不發(fā)生破壞。

(3)基于理論研究，研制了一種新型的防沖吸能巷道液壓支架，為進(jìn)一步解決巷道沖擊地壓問題進(jìn)行現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)研究。

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Studyoftunnelsupporttheoryofrockburstincoalmineanditsapplication

PAN Yi-shan，XIAO Yong-hui，LI Zhong-hua，WANG Kai-xing

(SchoolofMechanicsandEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China)

According to the supporting problems of the rockburst in coal mine which cannot be effectively dealt with by current support theories and methods，two new support methods that increasing support stiffness and rapid energy-absorption support were proposed,based on studying of surrounding rocks and support dynamic response in the rockburst.Hydraulic support,which consists of high strength bracket beams and powerful working resistance props,was proposed to be applied to increase support stiffness;whereas foam metal materials and energy-absorption components which are able to absorb energy rapidly in a stable manner,were exploited to form an organic and anti-impact supporting system in collaboration with other rigid supports.So a new kind of anti-impact and energy-absorption hydraulic support was designed to solve the supporting problem of rockburst in coal mine.

rockburst;rigid support;anti-impact and energy-absorption support；energy-absorption component

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2015

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2010CB226803)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174107,11202091)

潘一山(1964—)，男，遼寧丹東人，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：panyishan@lntu.edu.cn

TD353

A

0253-9993(2014)02-0222-07

潘一山，肖永惠，李忠華,等.沖擊地壓礦井巷道支護(hù)理論研究及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(2):222-228.

Pan Yishan，Xiao Yonghui，Li Zhonghua,et al.Study of tunnel support theory of rockburst in coal mine and its application[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):222-228.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2015