O型棚支護(hù)抵抗沖擊地壓等級(jí)計(jì)算方法

徐連滿，潘威翰，潘一山，呂祥鋒，秦志嬌，肖永惠

(1.遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110036; 2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083; 3.遼寧大學(xué) 物理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110036)

O型棚支護(hù)是一種整體性較強(qiáng)的巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的護(hù)表性，被廣泛應(yīng)用于巷道支護(hù)中，特別是在深部厚煤層沖擊地壓巷道以及圍巖變形破壞嚴(yán)重的巷道[1]。調(diào)研了近年來(lái)幾起嚴(yán)重沖擊地壓事故，發(fā)現(xiàn)紅陽(yáng)三礦“11·11”事故、龍鄆煤礦“10·20”事故等，巷道采用錨桿錨索支護(hù)，沖擊地壓造成錨桿錨索支護(hù)失效，導(dǎo)致巷道煤壁片幫、頂板下沉、底臌、巷道堵塞、人員傷亡。寬溝煤礦某次沖擊地壓事件，造成80 m巷道頂板冒落、底臌，錨桿脫落、錨索失效，出現(xiàn)大量網(wǎng)兜，人員無(wú)法通行，但巷道破壞范圍內(nèi)，有5 m左右巷道掘進(jìn)過(guò)程中因圍巖破碎，使用U型鋼支架進(jìn)行護(hù)表加固支護(hù)，沖擊發(fā)生后，該位置圍巖變形破壞較小，巷道未發(fā)生嚴(yán)重的冒頂和底臌。由此可見(jiàn)，O型棚支護(hù)對(duì)于沖擊地壓巷道具有重要作用，其較強(qiáng)的護(hù)表性能夠維護(hù)錨桿錨索失效后巷道圍巖的穩(wěn)定，保障沖擊地壓發(fā)生后，巷道留有人員逃離空間。

O型棚支護(hù)包括 “O形”型鋼支架及其壁后填充物，屬于全斷面封閉式支護(hù)，是U型鋼支護(hù)的一種特殊形式[2]。U型鋼支護(hù)應(yīng)用歷史較長(zhǎng)，是一種比較成熟的支護(hù)技術(shù)，但在實(shí)際應(yīng)用中還存在各種問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外科研工作者和學(xué)者圍繞U型鋼支護(hù)應(yīng)用過(guò)程中的缺陷及改進(jìn)措施開(kāi)展了大量研究，提升了U型鋼支護(hù)的承載性能。張農(nóng)等根據(jù)U型鋼支護(hù)失效形式劃分失效類型，提出架型優(yōu)選、壁后充填、薄弱點(diǎn)錨桿(索)強(qiáng)化等3項(xiàng)技術(shù)控制U型鋼支架破壞失效[3];王其洲等采用數(shù)值模擬方法，研究U型鋼支架與錨索協(xié)同支護(hù)作用機(jī)理，提出了U型鋼支架與錨索協(xié)同支護(hù)技術(shù)[4];張宏學(xué)等提出巷道支護(hù)中U型鋼支架的力學(xué)模型，研究了U型鋼支架的承載特性和加固技術(shù)，分析了U型鋼支架關(guān)鍵加固位置與巖石內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系[5];劉建莊等研究了29U支架拱頂壓平型破壞、大范圍扭曲破壞及局部屈曲破壞的力學(xué)機(jī)制、應(yīng)力分布與加載量級(jí)，揭示了偏縱向受力是加速變形的關(guān)鍵原因[6];李雪峰等通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)三榀不同位置設(shè)置可縮接頭的U型鋼馬蹄形封閉可縮鋼架進(jìn)行分級(jí)均布加載，發(fā)現(xiàn)不削弱鋼架支護(hù)力的前提下保證所有可縮接頭平穩(wěn)有效滑移是充分發(fā)揮其讓壓支護(hù)性能的關(guān)鍵[7];尤春安對(duì)U型鋼可縮性支架的承載能力進(jìn)行了研究分析，提出在進(jìn)行巷道支架的計(jì)算和設(shè)計(jì)時(shí)，不但要對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計(jì)算，而且應(yīng)該進(jìn)行結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析[8]。

上述研究主要集中在U型鋼受力分析以及U型鋼支架承載性能改進(jìn)方面，關(guān)于U型鋼支護(hù)的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的研究，尤其是沖擊地壓巷道U型鋼支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的研究鮮有報(bào)道。筆者以沖擊地壓巷道常用的O型棚為對(duì)象，分析了其支護(hù)特性曲線，提出了沖擊地壓等級(jí)評(píng)價(jià)新指標(biāo)，進(jìn)而得到O型棚支護(hù)強(qiáng)度與可抗沖擊地壓等級(jí)間的關(guān)系，最后通過(guò)礦井沖擊地壓特征，提出沖擊地壓巷道O型棚支護(hù)參數(shù)計(jì)算方法。研究成果可為沖擊地壓巷道O型棚支護(hù)及液壓支架支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

1 O型棚支架的支護(hù)特性曲線

O型棚支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其與巷道圍巖間的耦合作用關(guān)系十分復(fù)雜。O型棚支護(hù)的支護(hù)特性不僅決定于其自身的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能，還與巷道圍巖的接觸條件以及采掘活動(dòng)密切相關(guān)[9-11]。為了研究O型棚支護(hù)在沖擊地壓巷道中的支護(hù)特性，需對(duì)O型棚支護(hù)與巷道圍巖間的作用關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)化，按照理想狀態(tài)(圍巖與O型棚支護(hù)緊密接觸、圍巖壓力均勻分布、圍巖壓力沿徑向分布等)研究O型棚受力與變形變化規(guī)律。

O型棚支護(hù)的力學(xué)特性一般可寫(xiě)成

p0=f(K)

(1)

式中，p0為O型棚支護(hù)阻力;K為O型棚支護(hù)的剛度。

O型棚支護(hù)阻力p0與其位移u的比值稱為剛度，即

(2)

O型棚支護(hù)的支護(hù)特征曲線是指作用在O型棚支護(hù)上的載荷與O型棚變形的關(guān)系曲線，與O型棚和圍巖的接觸狀態(tài)相關(guān)。

O型棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移為up，由于型鋼支架一般與巷道圍巖間存在一定空隙，需用木頭等吸能緩沖填充物填充，使之與圍巖緊密接觸，如圖1所示，因此O型棚支架的特性曲線，不僅要考慮O型棚支架本身的結(jié)構(gòu)剛度，還需考慮填充物的剛度，以及O型棚支架的收縮影響。所以O(shè)型棚支架的位移up應(yīng)為

圖1 O型棚支架及填充木塊示意Fig.1 Schematic diagram of O-shaped stent and wood brick

up=u1p+u2p+u3p

(3)

式中，u1p為型鋼支架的位移;u2p為填充物引起的位移;u3p為O型棚支架收縮引起的位移。

設(shè)O型棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的平均剛度為Ks，那么由式(3)可得O型棚支護(hù)的平均剛度Ks為

(4)

式中，r為巷道半徑;lu為O型棚支架棚距;θm為填充木塊之間半夾角;Wu型鋼支架翼緣寬度;Au為型鋼截面積;Iu為型鋼截面慣性矩;Eu為型鋼材料的彈性模量;tm為填充層厚度;Em為填充木塊的彈性模量;Wm為木塊的寬度。

作用在支架上的徑向壓力pi為

(5)

式中,ui為O型棚支護(hù)徑向收縮位移；a為巷道半徑。

那么作用在O型棚支護(hù)上的最大圍巖壓力等于O型棚支護(hù)的最大支護(hù)阻力p0max，即在最大圍巖壓力作用下O型棚支護(hù)達(dá)到極限強(qiáng)度。

O型棚支護(hù)最大支護(hù)阻力為

p0max=

(6)

式中，σu為型鋼鋼材的屈服強(qiáng)度;hu為型鋼截面高度。

由上述結(jié)論可得O型棚支護(hù)有無(wú)收縮性能、收縮性能好壞、有無(wú)壁后填充等不同條件下的支護(hù)特征曲線如圖2所示。

圖2 O型棚支護(hù)的支護(hù)特征曲線Fig.2 Supporting characteristic curves of O-shaped shed support

(1)理想O型棚支護(hù)的支護(hù)特征曲線。理想O型棚支護(hù)的支護(hù)特征曲線為直線OA-曲線AD，即圍巖對(duì)O型棚支護(hù)的圍巖壓力小于O型棚支護(hù)的初始滑動(dòng)阻力時(shí)，O型棚支護(hù)相當(dāng)于剛性支架，支護(hù)阻力與支架位移成線性關(guān)系;當(dāng)圍巖對(duì)O型棚支護(hù)的圍巖壓力大于O型棚支護(hù)的初始滑動(dòng)阻力時(shí)，O型棚支護(hù)接頭處開(kāi)始滑動(dòng)，O型棚支護(hù)開(kāi)始收縮，曲率半徑減小，接頭處卡攬與U型鋼間的壓力增大，O型棚支護(hù)的支護(hù)阻力隨著O型棚支護(hù)的收縮而增大，支護(hù)阻力與曲率半徑成反比例關(guān)系，同時(shí)摩擦因數(shù)也受接觸壓力和滑動(dòng)距離等因素影響，支護(hù)阻力先緩慢增長(zhǎng)，而后快速增長(zhǎng);當(dāng)O型棚支護(hù)收縮到最大程度后，接頭處基本不再發(fā)生滑動(dòng)，同時(shí)U型鋼支架內(nèi)力也到達(dá)強(qiáng)度極限。在研究O型棚支護(hù)對(duì)巷道沖擊地壓的影響時(shí)，為了計(jì)算方便，將O型棚支護(hù)的支護(hù)特征曲線簡(jiǎn)化為直線OA-直線AC-直線CD，即O型棚支護(hù)不超過(guò)額定的工作阻力ps時(shí)，滑動(dòng)過(guò)程中支護(hù)阻力視為恒定值。

(2)O型棚支護(hù)不可收縮時(shí)支護(hù)特征曲線。O型棚支護(hù)接頭處因卡攬預(yù)緊力過(guò)大，或者接頭處接觸面間的摩擦性能等因素影響，當(dāng)圍巖對(duì)O型棚支護(hù)的圍巖壓力大于O型棚支護(hù)的滑動(dòng)阻力時(shí)，O型棚支護(hù)不發(fā)生收縮，此類情況下O型棚支護(hù)相當(dāng)于剛性支架，其支護(hù)特征曲線簡(jiǎn)化為直線OE。

(3)O型棚支護(hù)無(wú)壁后填充時(shí)支護(hù)特征曲線。O型棚支護(hù)無(wú)壁后填充時(shí)，支護(hù)的剛度減小，支護(hù)可收縮的最大位移減小，O型棚支護(hù)的支護(hù)特征曲線簡(jiǎn)化為直線OF-直線FB-直線BG。

(4)O型棚支護(hù)收縮性能不佳時(shí)支護(hù)特征曲線。型鋼支架的接頭處滑動(dòng)摩擦性能不佳時(shí)，O型棚支護(hù)收縮過(guò)程中，支護(hù)阻力會(huì)發(fā)生突降，并造成卡攬變形預(yù)緊力降低，卡攬破壞失效等現(xiàn)象[12]。隨著圍巖變形擠壓O型棚，O型棚對(duì)圍巖的阻力呈波動(dòng)變化，不斷的沖擊波動(dòng)可導(dǎo)致卡攬失效，使O型棚支護(hù)完全喪失承載力。

對(duì)于沖擊地壓巷道，當(dāng)圍巖對(duì)O型棚支護(hù)的靜載壓力達(dá)到ps時(shí)，型鋼支架開(kāi)始收縮，靜載壓力條件下支架徑向位移不應(yīng)超過(guò)ub，以保證沖擊地壓發(fā)生時(shí)，O型棚支護(hù)有足夠的讓位量(ud-ub)用于吸收沖擊能，防止圍巖對(duì)O型棚支護(hù)的沖擊力超過(guò)p0max。

根據(jù)式(3),(4)和(6)，可將O型棚支護(hù)的最大支護(hù)阻力簡(jiǎn)化成

(7)

式中，ku為與Au相關(guān)的參數(shù)，隨著Au的增大而增大;kθ為與填充相關(guān)的參數(shù)，隨著θm的減小而增大;ka為與a相關(guān)的參數(shù)，隨著a的減小而增大。

由于沖擊地壓巷道圍巖收縮變形速度較快，且O型棚支護(hù)的位移u1p+u2p數(shù)值很小，O型棚支護(hù)的支護(hù)阻力很快將達(dá)到ps，因此，巷道圍巖受靜載緩慢變形破壞過(guò)程中，O型棚支護(hù)對(duì)圍巖的支護(hù)阻力近似可視為恒定值p0=ps，其主要取決于接頭處卡攬預(yù)緊力。

2 沖擊載荷作用下O型棚支架的受力計(jì)算

2.1 沖擊應(yīng)力波通過(guò)時(shí)煤巖介質(zhì)內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)

沖擊源產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力波以縱波和橫波的形式在煤巖介質(zhì)中傳播，煤巖體內(nèi)部產(chǎn)生壓縮和拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力[13]。沖擊應(yīng)力波在煤巖介質(zhì)中傳播，介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)位移表達(dá)式為

u(x，t)=ψ(x-Vt)

(8)

其中，x為質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)值;t為時(shí)間;V為波速;ψ為沖擊應(yīng)力波的形狀函數(shù)。假定沖擊地壓產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力波波形為正弦波形，則式(8)可改寫(xiě)為

(9)

式中，u0為質(zhì)點(diǎn)位移振幅;T0為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)周期(一般取主導(dǎo)周期,一般取0.5 s)。

式(9)分別對(duì)x，t求導(dǎo)可得

(10)

其中，ε(x，t)為介質(zhì)應(yīng)變值;v(x，t)為介質(zhì)位移速度。當(dāng)縱波通過(guò)時(shí)，由式(9),(10)可得到

(11)

由此可以得到介質(zhì)正應(yīng)力σ(x，t)為

(12)

同理可以得到介質(zhì)剪切應(yīng)力τ(x，t)為

(13)

根據(jù)波速公式，可以得出E0與VP，以及G0與VS之間的近似關(guān)系式為

(14)

式中，VP為縱波波速；VS為橫波波速;E0為介質(zhì)彈性模量；G0為介質(zhì)剪切模量；ρ為介質(zhì)密度。

對(duì)于任意固定點(diǎn)坐標(biāo)，如x=0的駐波式為

(15)

由式(15)可求得質(zhì)點(diǎn)速度v(x，t)與加速度a(x，t)的關(guān)系式為

(16)

由于巷道O型棚支護(hù)設(shè)計(jì)無(wú)法以沖擊地壓釋放的能量(震級(jí))等指標(biāo)作為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，本文提出使用沖擊地壓破壞系數(shù)Kg來(lái)劃分沖擊地壓等級(jí)，其直接反映了巷道圍巖對(duì)巷道支架的沖擊力大小，可以用于巷道支護(hù)設(shè)計(jì)、抗沖擊強(qiáng)度驗(yàn)算等。

沖擊地壓破壞系數(shù)Kg是指沖擊地壓發(fā)生過(guò)程中巷道附近圍巖質(zhì)點(diǎn)最大加速度[ag(x，t)]max與重力加速度g的比值

(17)

根據(jù)井下工作面安裝的微震傳感器監(jiān)測(cè)的大能量沖擊事件發(fā)生時(shí)圍巖的加速度，以及巷道沖擊地壓發(fā)生過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果，并結(jié)合沖擊時(shí)巷道支護(hù)的破壞程度，統(tǒng)計(jì)得到?jīng)_擊地壓發(fā)生時(shí)巷道圍巖的加速度與巷道破壞程度之間的關(guān)系。據(jù)此，利用沖擊地壓破壞系數(shù)Kg對(duì)沖擊地壓等級(jí)進(jìn)行了劃分，見(jiàn)表1。

表1 沖擊地壓等級(jí)劃分Table 1 Classification of rockburst

由此得到介質(zhì)中正應(yīng)力和切應(yīng)力為

(18)

沖擊地壓破壞系數(shù)Kg值取決于沖擊地壓等級(jí)。

2.2 O型棚支架的抗沖能力計(jì)算

O型棚屬于被動(dòng)支護(hù)，在沖擊地壓巷道中使用，需與錨網(wǎng)索組成聯(lián)合支護(hù)[14-15]。巷道附近塑性區(qū)圍巖在錨桿-圍巖共同作用下，形成的錨固體可視為與彈性區(qū)性質(zhì)一致的完整圍巖。沖擊地壓產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力波經(jīng)圍巖介質(zhì)的傳遞，作用在O型棚支架上，可利用多層結(jié)構(gòu)法計(jì)算作用在O型棚支架上的沖擊載荷。通常沖擊地壓的沖擊應(yīng)力波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于巷道的直徑，沖擊壓力對(duì)巷道支護(hù)的作用問(wèn)題可用擬靜力學(xué)接觸問(wèn)題求解[16]，可將巷道圍巖與支護(hù)簡(jiǎn)化為兩層結(jié)構(gòu)，沖擊應(yīng)力波視為簡(jiǎn)諧平面波，縱波和橫波同時(shí)到達(dá)巷道支護(hù)，作用于O型棚支架上。如圖3所示。

圖3 沖擊載荷作用下巷道支護(hù)與圍巖相互作用擬靜力學(xué)接觸問(wèn)題計(jì)算Fig.3 Quasi statics contact problem calculation chart of interaction between roadway support and surrounding rock under impact loading

圍巖應(yīng)力狀態(tài)等價(jià)于在無(wú)限遠(yuǎn)處有應(yīng)力為

(19)

式中，P為巖體正應(yīng)力；Q為巖體剪應(yīng)力；λ′為圍巖側(cè)壓系數(shù)，λ′=μ/(1-μ)。

(20)

圓形巷道橫斷面具有軸對(duì)稱性，計(jì)算得到圍巖無(wú)限遠(yuǎn)處的主應(yīng)力為

(21)

式中，+為遠(yuǎn)場(chǎng)處應(yīng)力,壓應(yīng)力;-為遠(yuǎn)場(chǎng)處應(yīng)力,拉應(yīng)力。

最大主應(yīng)力沿x″軸作用，如圖4所示，其方向相對(duì)于x′軸傾斜角±α′(取決于剪應(yīng)力的正負(fù)號(hào))，傾斜角為

圖4 沖擊載荷作用下圓形巷道斷面支護(hù)計(jì)算Fig.4 Section supporting calculation chart of circular roadway under impact loading

(22)

(23)

將x軸沿x″定向，將直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)，得到作用于多層環(huán)體外周邊上計(jì)算應(yīng)力P*為

P*=±(P0±P2cos 2θ)

(24)

為了確定多層圓環(huán)體系內(nèi)接觸面上的應(yīng)力，利用載荷傳遞系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。多層圓環(huán)體系載荷傳遞系數(shù)為

(25)

最內(nèi)層的載荷傳遞系數(shù)等于0，從內(nèi)2層開(kāi)始順序計(jì)算各層的載荷傳遞系數(shù)，利用接觸面上應(yīng)力公式，對(duì)每一層應(yīng)力分別進(jìn)行計(jì)算。接觸面上應(yīng)力公式為

(26)

可得到作用在O型棚支護(hù)上的最大沖擊載荷與沖擊載荷的關(guān)系為

(27)

將式(20)代入式(27)得

(28)

通過(guò)式(28)，可計(jì)算出O型棚支護(hù)的支護(hù)阻力p0與巷道沖擊地壓等級(jí)Kg的關(guān)系，即O型棚支護(hù)可抵抗的沖擊地壓等級(jí)。

沖擊地壓釋放能量與沖擊地壓破壞系數(shù)的關(guān)系為

(29)

式中，E為震源釋放的沖擊能，J;la,lb為與圍巖物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)參數(shù);h0為O型棚距沖擊源距離。

通過(guò)式(28)和(29)，可計(jì)算出O型棚支護(hù)能夠抵抗的沖擊地壓的最大能量。圍壓對(duì)巷道O型棚支護(hù)的沖擊壓力受沖擊地壓釋放的能量大小、沖擊源距巷道距離、圍巖煤巖介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)等因素影響。由于沖擊波在圍巖中傳播時(shí)的衰減率不同，增加沖擊源距巷道距離，以及增加圍巖煤巖的吸能減震性能，可提高O型棚支護(hù)的抗沖擊地壓等級(jí)。

分析了大量沖擊地壓發(fā)生時(shí)的礦震數(shù)據(jù)，以及不同支護(hù)參數(shù)下沖擊地壓巷道O型棚支護(hù)的支護(hù)效果，結(jié)合式(6)和式(28),(29)，得到O型棚支護(hù)采用最密的支護(hù)棚距，普通36U型鋼O型棚支護(hù)最大可抵抗中等沖擊的沖擊地壓。

3 O型棚支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)算例

3.1 沖擊地壓巷道概況及支護(hù)形式

撫順老虎臺(tái)礦沖擊地壓主要是以靜載失穩(wěn)型巷道沖擊地壓為主，其特點(diǎn)為巷道圍巖淺部沖擊，釋放能量等級(jí)不是特別大，但沖擊地壓破壞系數(shù)較大，沖擊地壓基本在中等沖擊等級(jí)以下，易造成巷道圍巖嚴(yán)重破壞，因此必須提高巷道支護(hù)防沖能力。

試驗(yàn)巷道所在工作面煤層頂板為油母頁(yè)巖，底板為凝灰?guī)r，煤層平均厚度12 m，煤的堅(jiān)固性系數(shù)小于3。該工作面地質(zhì)條件比較復(fù)雜，區(qū)內(nèi)構(gòu)造較多，地層賦存狀態(tài)不穩(wěn)定，為沖擊地壓工作面。受F7-1斷層影響，運(yùn)輸巷道西部230～270 m在構(gòu)造應(yīng)力和采掘運(yùn)移應(yīng)力的疊加容易發(fā)生沖擊地壓。因此該段巷道為重點(diǎn)防治的嚴(yán)重沖擊地壓巷道，采用O型棚(36U型鋼)支護(hù)+錨網(wǎng)支護(hù)來(lái)加強(qiáng)巷道圍巖支護(hù)強(qiáng)度。試驗(yàn)段巷道長(zhǎng)度為20 m，其中10 m為礦井原經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)，10 m為采用本文計(jì)算方法設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)。巷道掘進(jìn)斷面半徑r=2.8 m，巷道凈斷面面積19.63 m2。開(kāi)采前煤層已進(jìn)行了注水軟化，降低了煤層的強(qiáng)度，巷道與圍巖間選用了緩沖性能較好的木頭作為填充物，使得圍巖與O型棚支護(hù)的耦合度較高。巷道采用的O型棚復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 吸能防沖O型棚支護(hù)結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure diagram of energy absorption and anti-impact O-shaped support

為了提高O型棚防沖支護(hù)性能，避免支架接頭處易出現(xiàn)拒滑折斷、屈曲等破壞，接頭收縮過(guò)程中產(chǎn)生劇烈火花，以及沖擊過(guò)后支架承載力嚴(yán)重下降的現(xiàn)象，在支架搭接頭接觸面間墊放了軟金屬板，增強(qiáng)O型棚的支護(hù)阻力和滑動(dòng)摩擦性能，使得改進(jìn)后的O型棚支護(hù)阻力可達(dá)0.3 MPa左右，接頭滑動(dòng)量一般在1 800 mm左右[17]。

3.2 O型棚支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)近幾年老虎臺(tái)礦巷道沖擊地壓的發(fā)生趨勢(shì)，結(jié)合試驗(yàn)工作面附近已采綜放工作面的巷道沖擊地壓發(fā)生情況，該工作面回采巷道在進(jìn)行O型棚支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，沖擊地壓破壞系數(shù)按不大于0.25進(jìn)行計(jì)算。

36U型鋼的材質(zhì)為20 MnK鋼，36U型鋼的相關(guān)幾何與力學(xué)基本參數(shù)見(jiàn)表2，原木的彈性模量為9.8 GPa。

表2 36U型鋼基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of 36U-steel

利用多層圓環(huán)計(jì)算法，建立防控巷道沖擊地壓O型棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6所示，將O型棚支架與木頭填充層視為第1層，巷道圍巖視為第2層，計(jì)算O型棚支護(hù)受沖擊收縮到極限時(shí)，O型棚支護(hù)抵抗的最大沖擊力大小。

(30)

式中，Gum為U型鋼支架剪切模量。

由上述給出的支護(hù)參數(shù)，可求出計(jì)算中所必需的各層特征

κ1=3-4μ=3-4×0.31=1.76

(31)

κ2=3-4μ=3-4×0.3=1.8

(32)

(33)

(1.76-1)+2=2.953

(34)

d′2(1)=κ1+1=1.76+1=2.76

(35)

進(jìn)而求出計(jì)算載荷傳遞系數(shù)所必須的參數(shù)

(36)

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

(44)

(45)

(46)

B=α2β1-α1β2=-598.982

(47)

可求出載荷傳遞系數(shù)

(48)

(49)

(50)

將這些參數(shù)代入到式(26)，得到?jīng)_擊載荷作用下，圍巖與O型棚支護(hù)接觸面上的應(yīng)力為

(51)

可得到作用在O型棚支護(hù)上的最大沖擊載荷為

pd=p0(1)-p2(1)=0.657P

(52)

O型棚支護(hù)平均剛度可由式(4)求出

(53)

則O型棚支護(hù)剛度為

(54)

O型棚支護(hù)的最大支護(hù)強(qiáng)度可由式(6)求出

(55)

O型棚支護(hù)與填充層引起的位移為

(56)

支架收縮引起的徑向位移為

(57)

要求靜載條件下O型棚支護(hù)收縮產(chǎn)生的徑向位移不能超過(guò)0.097 m，則O型棚支護(hù)的支護(hù)特性曲線如圖7所示。

圖7 36UO型棚支護(hù)的支護(hù)特征曲線Fig.7 Supporting characteristic curve of 36UO-shaped stent

巷道沖擊地壓的沖擊地壓破壞系數(shù)為0.25時(shí)，由式(20)計(jì)算作用在圍巖無(wú)限遠(yuǎn)處的擬靜態(tài)應(yīng)力為

(58)

(59)

則作用在O型棚支護(hù)上的最大沖擊載荷為

pd=p0(1)-p2(1)=0.657P=0.227 MPa

(60)

O型棚支護(hù)的支護(hù)阻力等于圍巖對(duì)支架的靜荷載pj與動(dòng)載荷pd之和。

pu=pj+pd=pj+0.227

(61)

沖擊地壓載荷作用下，O型棚支護(hù)的最大支護(hù)阻力不能小于圍巖對(duì)支架的最大作用力pomax，則

pomax≥pj+0.227

(62)

沖擊地壓發(fā)生前，圍巖已發(fā)生較大變形，O型棚支護(hù)已開(kāi)始收縮，即pj=0.3 MPa，那么O型棚支護(hù)的支護(hù)間距為

(63)

得到防控巷道沖擊地壓O型棚支護(hù)的間距為lu=0.5 m。

4 O型棚支護(hù)效果分析

為檢驗(yàn)本文得到的O型棚支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法的可靠性，在試驗(yàn)巷道及其東西兩側(cè)每間隔5 m設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共4個(gè)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行巷道圍巖位移相對(duì)移近量監(jiān)測(cè)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖8所示。同時(shí)利用礦井現(xiàn)有的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，記錄并監(jiān)測(cè)沖擊事件分布規(guī)律，對(duì)比分析沖擊事件前后各個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.8 Layout of monitoring points

監(jiān)測(cè)期間試驗(yàn)巷道所在工作面附近共計(jì)發(fā)生了5次沖擊事件，主要沿著斷層分布，且位于工作面頂?shù)装逯?，沖擊源距巷道距離在50～120 m內(nèi)，主要為能量較小的中等以下沖擊地壓事件。

受工作面開(kāi)采影響，巷道圍巖隨著工作面的向前推移逐漸發(fā)生變形，頂?shù)装迮c兩幫之間的相對(duì)移近量逐漸增加，如圖9所示，第9天發(fā)生一次中等沖擊事件(沖擊事件2)，造成原設(shè)計(jì)段內(nèi)1號(hào)與4號(hào)測(cè)點(diǎn)的巷道頂?shù)装彘g相對(duì)移近量增大120 mm左右，兩幫的相對(duì)移近量分別增大了30 mm左右，新設(shè)計(jì)的O型棚支護(hù)的巷道，其2號(hào)與3號(hào)測(cè)點(diǎn)處巷道頂?shù)装彘g的相對(duì)移近量分別增大了30 mm左右，兩幫間的相對(duì)移近量增大了20 mm左右;在測(cè)試第19 d發(fā)生一次強(qiáng)烈沖擊事件(沖擊事件5)，造成1號(hào)與4號(hào)測(cè)點(diǎn)處的巷道頂?shù)装彘g的相對(duì)移近量分別增大了380,440 mm，兩幫間的相對(duì)移近量分別增大了200,500 mm，巷道圍巖發(fā)生嚴(yán)重變形破壞，部分煤巖突入到巷道中;而2號(hào)與3號(hào)測(cè)點(diǎn)處巷道頂?shù)装彘g的相對(duì)移近量分別增大了200,250 mm，兩幫間的相對(duì)移近量增大了200 mm左右，巷道圍巖雖然發(fā)生變形，但巷道圍巖整體穩(wěn)定，說(shuō)明O型棚支護(hù)整體的支護(hù)阻力增大，很好的控制了圍巖變形，使得頂?shù)装彘g相對(duì)移近量明顯減小;其他3次沖擊事件屬于弱沖擊的小能量沖擊事件，在O型棚支護(hù)下，巷道圍巖幾乎未發(fā)生大的變形。

圖9 巷道圍巖隨時(shí)間的變化曲線Fig.9 Change curves of surrounding rock with time

由此可以看出，新設(shè)計(jì)的O型棚支護(hù)承載力較高，收縮變形性能較好，未發(fā)生彎折、屈曲破壞，沖擊過(guò)后仍具有較高的支護(hù)阻力，使得頂?shù)装彘g相對(duì)移近量明顯減小，很好的控制了圍巖變形。

5 結(jié) 論

(1)O型棚支護(hù)有無(wú)收縮性能、收縮性能好壞、有無(wú)壁后填充等不同條件下的支護(hù)特征曲線差異較大，應(yīng)采取優(yōu)化改進(jìn)措施，使實(shí)際O型棚支護(hù)曲線盡量接近理想狀態(tài)。

(2)提出一個(gè)新的沖擊地壓等級(jí)劃分指標(biāo)-沖擊地壓破壞系數(shù)Kg，其直接反映了巷道圍巖對(duì)巷道支架的沖擊力大小，可用于巷道支護(hù)設(shè)計(jì)、抗沖擊強(qiáng)度驗(yàn)算等。

(3)利用擬靜力學(xué)接觸法和多層結(jié)構(gòu)法計(jì)算出作用在O型棚支護(hù)周邊上的沖擊載荷，得到了O型棚支護(hù)可抵抗的沖擊地壓等級(jí)，結(jié)合沖擊地壓巷道O型棚支護(hù)的支護(hù)參數(shù)和變形破壞等情況，綜合分析得出O型棚支護(hù)可抵抗的最大等級(jí)沖擊地壓為中等沖擊地壓。

(4)根據(jù)老虎臺(tái)礦近幾年沖擊地壓的發(fā)生特征，計(jì)算出可以抵抗中等以下沖擊地壓的O型棚支護(hù)參數(shù)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，新設(shè)計(jì)的O型棚支護(hù)承載力較高，收縮變形性能較好，沖擊過(guò)后仍具有較高的支護(hù)阻力，維護(hù)了巷道圍巖的穩(wěn)定，保障了井下人員的人身安全。