沖擊地壓礦井巷道支護理論研究及應用

許 冰

（山西平舒煤業有限公司， 山西 壽陽 045400）

引言

煤礦生產過程中對人身安全危害最大的是沖擊地壓。目前，國內外關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基礎上，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，分別是構造應力、水的影響和彈性變形。其中構造應力以水平應力為主，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，使表面光滑聯結度變小，另一方面有些礦物質遇水膨脹，很容易對巖石強度造成影響。根據中外學者的大量研究報告與分析不難看出，巖層中的垂直應力是極小的，更多是受到上述第一種的水平應力。如果要考慮到巷道受水平應力影響最小，就必須使巷道在支護后水平應力平衡。

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

2 沖擊地壓礦井巷道支護技術的研究

2.1 沖擊地壓礦井巷道支護理論基礎

通過有限元軟件和動力學研究，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的變化規律為P1=Fn/Fa[3]。

在此理論分析上研發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構。該結構極大提高了支護系統的剛度，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，當上覆巖層塊體質量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。在上述動力學基礎上，支護阻力Fa能夠有效降低圍巖應力影響。當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阻力的影響

通過不斷地實驗，發現一系列多孔泡沫注入金屬材料可極大提高支護系統的阻力。經驗證實，采用密實孔洞具有很強增阻作用，可被應用在沖擊地壓巷道支護中[6]。

為了選取最優材料，設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 吸能構件增大支護阻力的方法

根據屈曲理論經過不斷的探索，發現了一種特殊幾何結構的吸能構件——曲殼折棱管。該構件是一種薄壁的金屬件，在受到軸向載荷時按照自身結構發生定向的結構屈服變形，具有吸能和讓位增阻的特點，并且變形后很穩定[7]。

3 防沖吸能巷道液壓支架的研制應用

在有限元軟件中得到曲殼折棱管的增阻曲線與實驗結果基本一致。根據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）承載峰值可調節。在不同支護條件下設定相應的承載力，既能滿足承載需求，又能在沖擊載荷超過設定值時折棱管立即變形達到讓位增阻的效果，進而降低支架結構所受到的沖擊力。

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）反作用力保持穩定。在自身的結構變形中，該結構可以保持穩定的反作用力，能夠有效支持圍巖，延緩讓位帶來支架結構變形的趨勢。

4）變形模式穩定。即使在復雜的沖擊力下變形也具有導向作用，變形模式穩定。

5）能量轉換不可逆轉。通過自身的塑形變形將釋放的外部動能消耗掉。

6）結構簡單、吸能比高、拆裝方便。

該支架相對之前的結構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]，即當有沖擊載荷發生時，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；在出現不可預測的圍巖沖力時，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、設備和巷道空間提供有力保護[9]。

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

4 結論

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的阻力，有很強的增阻作用，可應用在沖擊地壓巷道支護中，效果較好。

3）根據屈曲理論經過不斷的探索，一種特殊幾何結構的吸能構件——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構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件的研制有效實現了支護的穩定。

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