沖擊地壓礦井巷道支護理論研究及應(yīng)用

許 冰

（山西平舒煤業(yè)有限公司， 山西 壽陽 045400）

引言

煤礦生產(chǎn)過程中對人身安全危害最大的是沖擊地壓。目前，國內(nèi)外關(guān)于礦井巷道支護理論的研究有很多，如垮落拱理論、松動圈理論等，而這些理論研究都建立在靜力學(xué)基礎(chǔ)上，極少將沖擊地壓動力載荷的因素加入到巷道支護理論的研究[1]。近些年來，很多專家學(xué)者都研究出了很多方法，我們也對這些方法做出一定的模擬實驗，比較以及實地操作，對比出最有效果的一種。

1 沖擊載荷作用下巷道圍巖與支護的動力學(xué)模型

一般來說，引起沖擊地壓的原因大致可以歸納為三種，分別是構(gòu)造應(yīng)力、水的影響和彈性變形。其中構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，比較容易造成底板巖層破壞。而水流一方面可以減少巖石縫隙之間的摩擦力，使表面光滑聯(lián)結(jié)度變小，另一方面有些礦物質(zhì)遇水膨脹，很容易對巖石強度造成影響。根據(jù)中外學(xué)者的大量研究報告與分析不難看出，巖層中的垂直應(yīng)力是極小的，更多是受到上述第一種的水平應(yīng)力。如果要考慮到巷道受水平應(yīng)力影響最小，就必須使巷道在支護后水平應(yīng)力平衡。

根據(jù)動力學(xué)知識，把沖擊載荷作用下巷道圍巖與支護相應(yīng)的轉(zhuǎn)化為物理模型：巷道支護中巖石的剛性系數(shù)Ks；巖石在水平方向擠壓后的摩擦系數(shù)Cs；上覆巖層塊體質(zhì)量T；支護體的面積S。當(dāng)支護體周圍受到的應(yīng)力平衡，也就保證了圍巖的支護的穩(wěn)定性。建立承載的沖擊載荷F與上覆巖層和支護的動力學(xué)模型[2]，即 F=TKs/SCs。

2 沖擊地壓礦井巷道支護技術(shù)的研究

2.1 沖擊地壓礦井巷道支護理論基礎(chǔ)

通過有限元軟件和動力學(xué)研究，在初始沖擊載荷F不變的情況下，承載的支護有限元為n，圍巖動力隨支護剛度P1和支護阻力Fa的變化規(guī)律為P1=Fn/Fa[3]。

在此理論分析上研發(fā)出新式的巷道液壓支架。它由四部分組成：頂梁、底梁、連桿和三根液壓支柱。頂梁為平面，能夠有效增加對巷道上部圍巖的支護面積；中間立柱能夠防止兩端長直底梁的底臌；兩側(cè)連桿對支架變形具有控制作用；三根液壓支柱可承載6 000 kN，是支架承載的主要結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)極大提高了支護系統(tǒng)的剛度，有效改善了支護的防護能力，加強了圍巖抗沖擊性能，確保了支護系統(tǒng)的安全性[4]。為了提高支架的支護強度，即承載的沖擊載荷F，當(dāng)上覆巖層塊體質(zhì)量T越大，需要的頂梁支護面積S也越大，方可提高支護強度。

2.2 支護阻力對巷道沖擊地壓的影響

在實際的應(yīng)用中支護不僅具有剛度支撐，也需要彈性支撐。在上述動力學(xué)基礎(chǔ)上，支護阻力Fa能夠有效降低圍巖應(yīng)力影響。當(dāng)圍巖動力隨支護剛度P1一定，承載的支護有限元n一定，支護阻力Fa越大時，即支護剛度P1越小，即受力相對越平衡，最終構(gòu)成有機支護整體[5]。

2.2.1 泡沫金屬材料的注入對支護系統(tǒng)阻力的影響

通過不斷地實驗，發(fā)現(xiàn)一系列多孔泡沫注入金屬材料可極大提高支護系統(tǒng)的阻力。經(jīng)驗證實，采用密實孔洞具有很強增阻作用，可被應(yīng)用在沖擊地壓巷道支護中[6]。

為了選取最優(yōu)材料，設(shè)計靜載荷和動載荷實驗來驗證不同基制泡沫金屬材料的阻力效果。根據(jù)實驗分析：在靜載荷下，Al基多孔泡沫金屬材料具有較大的摩擦阻力和較短的反應(yīng)時間，注入后的支護效果較好；隨著材料中硅含量的增加，材料強度也隨之增強，最大的抗壓壓強可以高達5 MPa左右。在載荷試驗中，Al基多孔泡沫金屬材料強度也有所提高。

2.2.2 吸能構(gòu)件增大支護阻力的方法

根據(jù)屈曲理論經(jīng)過不斷的探索，發(fā)現(xiàn)了一種特殊幾何結(jié)構(gòu)的吸能構(gòu)件——曲殼折棱管。該構(gòu)件是一種薄壁的金屬件，在受到軸向載荷時按照自身結(jié)構(gòu)發(fā)生定向的結(jié)構(gòu)屈服變形，具有吸能和讓位增阻的特點，并且變形后很穩(wěn)定[7]。

3 防沖吸能巷道液壓支架的研制應(yīng)用

在有限元軟件中得到曲殼折棱管的增阻曲線與實驗結(jié)果基本一致。根據(jù)上述原理可嘗試一種具有本性能支架來支護頂板，試驗后可知：

1）承載峰值可調(diào)節(jié)。在不同支護條件下設(shè)定相應(yīng)的承載力，既能滿足承載需求，又能在沖擊載荷超過設(shè)定值時折棱管立即變形達到讓位增阻的效果，進而降低支架結(jié)構(gòu)所受到的沖擊力。

2）變形讓位行程長。較大的變形量可以有效緩解支架所受到的沖擊載荷，釋放沖擊能。

3）反作用力保持穩(wěn)定。在自身的結(jié)構(gòu)變形中，該結(jié)構(gòu)可以保持穩(wěn)定的反作用力，能夠有效支持圍巖，延緩讓位帶來支架結(jié)構(gòu)變形的趨勢。

4）變形模式穩(wěn)定。即使在復(fù)雜的沖擊力下變形也具有導(dǎo)向作用，變形模式穩(wěn)定。

5）能量轉(zhuǎn)換不可逆轉(zhuǎn)。通過自身的塑形變形將釋放的外部動能消耗掉。

6）結(jié)構(gòu)簡單、吸能比高、拆裝方便。

該支架相對之前的結(jié)構(gòu)加入了特定吸能裝置，使支架具有較大剛性同時也具有快速吸能讓位的特性[8]，即當(dāng)有沖擊載荷發(fā)生時，首先能夠提供強大的支撐力以防止圍巖在壓力的作用坍塌；在出現(xiàn)不可預(yù)測的圍巖沖力時，支架又能夠通過自身的吸能作用，和剛性部分共同作用以達到快速讓位變形和吸能的效果，為人員、設(shè)備和巷道空間提供有力保護[9]。

目前該設(shè)備已研制出100架，應(yīng)用在井下實驗，目的在于在實際應(yīng)用中進一步優(yōu)化新型巷道液壓支架的功能，評估支架參數(shù)設(shè)計的適用性，為下一步的研究奠定堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

1）指出支護剛度和支護阻力對沖擊地壓礦井巷道支護的影響規(guī)律，即增加頂梁的支護面積S或加大支護阻力Fa，方可提高支護強度。

2）采用多孔泡沫注入金屬材料可極大提高支護系統(tǒng)的阻力，有很強的增阻作用，可應(yīng)用在沖擊地壓巷道支護中，效果較好。

3）根據(jù)屈曲理論經(jīng)過不斷的探索，一種特殊幾何結(jié)構(gòu)的吸能構(gòu)件——曲殼折棱管的原理來研制高強度巷道液壓支架，選用大剛度的支架結(jié)構(gòu)和部件來增強整個支護體系剛度，為圍巖提供有效支撐；多空泡沫金屬材料和吸能構(gòu)件的研制有效實現(xiàn)了支護的穩(wěn)定。

4）研制出的新型防沖吸能巷道液壓支架應(yīng)用在實際中，為進一步完善該機構(gòu)提供實驗基礎(chǔ)。