沖擊地壓礦井巷道支護理論研究及應用

潘一山，肖永惠，李忠華，王凱興

(遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

沖擊地壓礦井巷道支護理論研究及應用

潘一山，肖永惠，李忠華，王凱興

(遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

針對現有支護理論、支護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響應的動力學模型，分析了支護剛度和支護阻尼對上覆巖體動力響應的影響，并由此提出了沖擊地壓礦井巷道支護設計的兩個新思路，即提高支護剛度和快速吸能讓位支護。其中，提高支護剛度主要以研制高強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體系的整體剛度；快速吸能讓位支護則采用多孔泡沫金屬材料或吸能構件來增大支護中的阻尼系數，即利用其優異的吸能特性使支護體系能夠在圍巖沖擊下快速吸收沖擊能并穩定地變形讓位，最終防止支護體系失效與巷道破壞,并據此研發了一種新型防沖吸能巷道液壓支架并準備進行現場試驗研究。

沖擊地壓；剛性支護；防沖吸能支護；吸能構件

沖擊地壓是煤礦生產中遇到的最嚴重災害之一。目前，我國發生沖擊地壓的礦井已達到142對。由于綜采液壓支架的廣泛使用，支護強度的提高，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巷道煤壁發生嚴重變形；河南義馬躍進煤礦“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巷道嚴重破壞，其中有近百米段巷道基本合攏。因此，發展沖擊地壓礦井的巷道支護理論，提高沖擊地壓礦井巷道支護的抗沖、防沖能力成為亟待解決的重要課題。

20世紀50年代于學馥教授首先提出了巷道支護的軸變理論[5-6]。20世紀60年代，奧地利工程師L.V.Rabcewicz提出了隧道支護設計方法“新奧法”(NATM)[7-9]。此后，1987年，馮豫、陸家梁等提出了聯合支護理論[9-10]。1988年，孫鈞、鄭雨天等[10-11]提出了錨噴-弧板支護理論。1994年，董方庭等提出了圍巖松動圈理論[12]。2002年，何滿潮教授提出關鍵部位耦合組合支護理論[13]。高明仕等[14]根據巷道沖擊震動破壞的原因和機理，提出了沖擊礦壓巷道圍巖控制的強弱強(3S)結構力學模型，并分析了該力學模型防沖抗震機理。但是，上述關于巷道支護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理論的研究與應用尚且較少，因此，本文對于沖擊地壓礦井的巷道支護理論開展初步研究，并由此提出和研發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響應的動力學模型

將沖擊地壓作用下巷道圍巖與支護的動力響應簡化為圖1所示的分析模型。

假設一般情況下，巷道支護具有剛性支撐的作用，簡化為彈簧ks；同時巷道支護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個塊體構成的塊系，塊體質量為mi，其中支護直接作用的鄰近塊體為ms。巖塊相對于塊體間的軟弱結構面可抽象為剛體，軟弱結構面則抽象為黏彈性凱爾文體，其彈性系數為ki，阻尼系數為ci。沖擊地壓產生的動力載荷為f(t)，則圍巖與支護的動力響應微分方程為

圖1 沖擊下巷道圍巖與支護響應的動力學模型Fig.1 Dynamic response model of surrounding rock and support

式中,F(t)為外界擾動，F(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為靜力平衡狀態時第i塊巖塊在自身重力作用下，由于黏彈性體的變形而產生的位移量；g=[g,…,g]T；

2 沖擊地壓礦井巷道支護設計的兩個新思路

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

2.1 提高支護剛度防治巷道沖擊地壓分析

根據圖1所示模型，通過研究支護剛度對圍巖動力響應的影響規律發現，提高支護剛度可以防治巷道沖擊地壓。

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

圖3 支護剛度增加后塊體10加速度響應曲線Fig.3 response when increase support stiffness

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

圖4 剛性巷道支護工程實例Fig.4 Rigid support of roadway in the engineering

2.2 增加支護阻尼耗能防治巷道沖擊地壓分析

根據圖1所示模型，通過研究支護阻尼對圍巖動力響應的影響規律發現，提高支護阻尼系數，可以防治巷道沖擊地壓。

圖5 增加支護阻尼時上覆巖塊10加速度響應曲線Fig.5 response when increasing support damping

因此在支護體系中，設置具有特殊性能的阻尼耗能元件，通過合理的支護體結構設計，使其能夠與體系中的剛性部分相互協調、相互配合，構成一種能夠快速變形吸能并自我調節平衡的有機整體。在未有沖擊的情況下，支護體系能夠保持相對穩定的支護狀態；而一旦突發沖擊并致使支護體上的沖擊荷載超過某一閾值時，特設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體受到的沖擊，最終抑制圍巖的變形趨勢，防止支護體-圍巖系統的沖擊性失穩破壞。這是一種以犧牲小局部而保全大整體的防沖支護方法，這種方法的基本思想即快速吸能讓位防沖支護理念。

圖6為撫順老虎臺礦某工作面的超前支護區域。可以看到，在U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度和可壓縮變形吸能的特點，因此在沖擊地壓發生過程中，背木能夠及時地讓位卸壓，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，保護內部支架結構及整個體系不受損傷或破壞[9]。應用中發現，背木疊加的層數越多，卸壓的效果越明顯，支護體系越穩定，這說明了背木以及這種簡單的支護方式確實具有良好吸能和防沖效果，是吸能防沖支護的一個典型代表。

圖6 背木吸能支護工程實例Fig.6 Energy-absorption support with wood in the engineering

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

3 增加支護剛度和阻尼耗能的實現途徑

3.1 提高支護剛度的巷道液壓支架研制

根據以上的理論研究，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；兩段長直底梁在中間立柱的支撐下可以有效防止底臌；兩邊側連桿有引導支架變形的功能；3根液壓支柱總工作阻力可達6 000 kN，提供了支架承載力的主要來源。支架的結構設計，旨在對圍巖實施的全面有效控制，通過高強度的支護作用，增加圍巖及整個支護體系的剛度，從而提高支護系統的抗沖擊能力，保證沖擊地壓發生過程中巷道圍巖的完整性與支護系統的穩定性。

3.2 多孔泡沫金屬材料增大支護阻尼的方法

通過大量實驗，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材料，可以增大支護阻尼，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，通過準靜態壓縮實驗、高速沖擊實驗，研究不同基質泡沫金屬材料的基本力學性能，從而優選最適合沖擊地壓巷道應用的吸能防沖材料。由圖9(a)可知，在準靜態壓縮試驗中，Al基多孔泡沫合金材料總體應變值較大，且平臺階段持續較長，吸能能力較強；多種泡沫合金材料中，隨著含硅量的增加，材料強度有所提高，其中抗壓強度最大的達5 MPa左右。由圖9(b)可知，在高速沖擊試驗中，Al-Si基多孔泡沫合金材料強度增加明顯，但起伏變化較大，不夠穩定，且吸能效果差；Al基多孔泡沫合金材料強度有一定提高，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力-應變曲線Fig.9 The stress-strain curves of foam alloy material

3.3 吸能構件增大支護阻尼的方法

基于屈曲原理，研制了一種具有特殊幾何形狀的吸能構件—曲殼折棱管，欲應用于新式巷道防沖吸能液壓支架中，旨在利用該構件在沖擊下的穩定、快速地變形讓位和及時、高效地吸能的特點，緩解整個支架結構受到沖擊作用，保護支架不受損傷或破壞。

該構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設的折棱進行誘導式的結構屈曲變形，實現快速吸能和讓位的功能，且變形穩定可靠。如圖11，12所示，利用ABAQUS有限元數值模擬軟件計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，并通過初步的實驗室試驗得到了一定的驗證。

圖10 吸能構件Fig.10 The energy-absorption components

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

可以看出，該構件主要具備以下幾個優點：

(1)合理的承載峰值。可以根據支護需求設定折棱管的承載力，使折棱管即滿足一定的承擔靜載的需求，又可以在沖擊力超過該閾值時立即開始變形讓位吸能，緩解支架結構受到的沖擊作用。

(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，以支持整體支架結構在讓位過程中有效抵制圍巖的變形趨勢。

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

(5)不可逆的能量轉換。折棱管應能夠將絕大部分輸入動能通過塑性變形轉化為自身內能耗散掉，而不是轉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。此構件的設計與研制，為支架的現場應用以及進一步的優化設計提供了一定的參考依據，為以后防沖吸能支護設備中的吸能構件研制起到了一定的指導作用。

4 防沖吸能巷道液壓支架的研制及應用

基于沖擊地壓礦井巷道支護設計的新思路，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底梁和3根液壓支柱構成，每根柱子底部都帶有一個特設的吸能構件，使支架同時具有了剛性支護能力和快速吸能讓位的雙重特性，即在未發生沖擊的情況下，支架能夠提供足夠的支撐力以滿足圍巖靜壓下的支護需求，而在突發圍巖沖擊時，支架中的吸能構件能夠立即發生作用，與剛性頂梁一起為圍巖實現一個快速的讓位卸壓過程，吸收圍巖沖擊能，保護巷道空間與內部人員、設備。

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

現已研制該型試驗支架100架，將于義馬礦區進行井下試驗，旨在研究該種新型巷道液壓支架在實際工程中的支護與防沖吸能效果，評價支架技術參數設置的合理性，為進一步檢驗防沖吸能支護理論的合理性和適用性打下一定的基礎。

5 結 論

(1)增大支護剛度能夠增強圍巖抗沖擊擾動的能力，提高圍巖穩定性；將剛性支護中加入阻尼耗能機制，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設計的新思路，即提高支護剛度和快速吸能讓位支護。其中，提高支護剛度主要是以研制高強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體系的整體剛度；快速吸能讓位支護則通過研究多孔泡沫金屬材料或吸能構件來增大支護中的阻尼，利用其優異的吸能特性使支護體系能夠在圍巖沖擊下快速吸收外來沖擊能并及時變形讓位，最終防止支護體系失效，保護巷道不發生破壞。

(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，為進一步解決巷道沖擊地壓問題進行現場的實驗研究。

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Studyoftunnelsupporttheoryofrockburstincoalmineanditsapplication

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

(SchoolofMechanicsandEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin123000，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

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2010CB226803)；國家自然科學基金資助項目(51174107,11202091)

潘一山(1964—)，男，遼寧丹東人，教授，博士生導師。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理論研究及應用[J].煤炭學報,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