防沖液壓支架在沖擊傾向性巷道支護(hù)中的應(yīng)用研究

李 崗，高 濤

（陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713500）

1 工程背景

1.1 工程概況

40309工作面位于三盤區(qū)，埋深531～731 m，設(shè)計(jì)開采4號(hào)煤層，煤層賦存連續(xù)完整，掘進(jìn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)大型斷裂構(gòu)造，煤層厚度19～28 m，煤層傾角0°～5°，煤層層位及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定。40309工作面巷道頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)見表1。

表1 巷道頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)

1.2 工程問(wèn)題

由工程概況可知，40309工作面巷道直接頂與底板穩(wěn)定性較差，易發(fā)生變形破壞[1-4]，且頂板厚度變化不均，工作面整體穩(wěn)定性較差[5]。因此，分析沖擊傾向性工作面巷道失穩(wěn)原因，并選取恰當(dāng)?shù)膰鷰r控制方案顯得尤為重要。

2 失穩(wěn)原因及圍巖控制方式

2.1 沖擊礦壓工作面巷道失穩(wěn)原因

40309工作面巷道直接頂與底板穩(wěn)定性較差，在較大的垂直地應(yīng)力作用下工作面巷道頂?shù)装宸e蓄大量變形能，當(dāng)積蓄的變形能突然釋放產(chǎn)生沖擊礦壓后，沖擊載荷作用于工作面巷道圍巖引發(fā)工作面巷道圍巖的變形破壞；當(dāng)沖擊礦壓產(chǎn)生的沖擊動(dòng)能瞬間作用于煤層時(shí)，工作面巷道受力激增，極易產(chǎn)生變形破壞。因此，需要通過(guò)降低沖擊載荷的不良影響，進(jìn)而保證工作面巷道的安全性、穩(wěn)定性。

2.2 工作面巷道圍巖控制方式

為降低沖擊礦壓導(dǎo)致的沖擊載荷的不良影響，從防沖角度對(duì)40309工作面回風(fēng)順槽進(jìn)行支護(hù)。普通的液壓支架及工作面巷道支護(hù)形式在煤層受到靜載荷作用時(shí)可以有效控制圍巖變形，但對(duì)突發(fā)動(dòng)載荷的控制較差，而防沖液壓支架可以有效減緩動(dòng)載荷對(duì)工作面巷道的不良影響。因此，采用防沖液壓支架對(duì)40309工作面巷道進(jìn)行支護(hù)。

3 防沖液壓支架結(jié)構(gòu)組成及工作原理

3.1 防沖液壓支架的結(jié)構(gòu)組成

防沖液壓支架一般為兩架成一組使用，每一架由前后兩節(jié)組成，前節(jié)的中間梁與后節(jié)的伸縮梁相連，前架的底座后部與后架的底座前部通過(guò)移架千斤頂相連，前后架互為依托，達(dá)到移架的目的。圖1為門式防沖液壓支架結(jié)構(gòu)圖。

圖1 門式防沖液壓支架結(jié)構(gòu)圖

防沖液壓支架由頂梁、底梁和液壓支柱構(gòu)成，頂梁是液壓支架的主要承載部件之一，其變截面結(jié)構(gòu)可以將載荷均勻作用于頂梁，提高頂梁抵抗破壞的能力；底座是支架的重要承載部件，將支架上部承受的頂板壓應(yīng)力作用傳遞至底板；液壓系統(tǒng)由主進(jìn)液管、主回液管、各種液壓元件、立柱及各種用途的千斤頂組成，采用快速接頭、U型卡及O型密封圈連接，拆裝方便，性能可靠。

3.2 防沖液壓支架的工作原理

防沖液壓支架通過(guò)自身的吸能裝置及吸能構(gòu)件吸收突然作用于支架的沖擊動(dòng)能，降低支架承受的能量及外力。利用吸能裝置的變形吸能作用保證支架在沖擊載荷作用下正常支護(hù)。圖2為門式吸能防沖液壓支架3D效果圖。

圖2 門式吸能防沖液壓支架3D效果圖

由圖2可知，門式吸能防沖液壓支架三根支柱底部均存在吸能裝置。沖擊動(dòng)載荷突然作用于支架上部時(shí)，吸能裝置將能量積蓄在自身，大幅度減少傳遞至液壓支架的能量，進(jìn)而緩解液壓支架受到?jīng)_擊應(yīng)力作用，有效降低液壓支架在突發(fā)大動(dòng)能作用下受到破壞的概率，保障工作面巷道圍巖安全。

防沖液壓支架實(shí)現(xiàn)防沖功能的核心構(gòu)件是吸能構(gòu)件。吸能構(gòu)件在支架受靜載荷作用時(shí)與液壓支柱一起承擔(dān)支架所受載荷的作用，當(dāng)支架受到超過(guò)工作阻力的外力作用時(shí)，支架所受的超過(guò)工作阻力的那部分力由吸能構(gòu)件通過(guò)開啟安全閥進(jìn)行排液泄壓；當(dāng)支架突然受到?jīng)_擊礦壓產(chǎn)生的傳遞至工作面的沖擊載荷作用時(shí)，支架受力遠(yuǎn)大于工作阻力，安全閥無(wú)法及時(shí)泄壓，吸能構(gòu)件通過(guò)自身受力產(chǎn)生的形變吸收沖擊動(dòng)能，遏制沖擊載荷對(duì)支架的整體破壞，使支架繼續(xù)安全有效支護(hù)。圖3為吸能構(gòu)件的吸能機(jī)理圖。

由圖3所示，吸能構(gòu)件預(yù)折紋設(shè)計(jì)的原理是通過(guò)折疊構(gòu)件形狀，增加能量在構(gòu)件中的傳送面積和體積，增加構(gòu)件吸收的能量，并通過(guò)折疊的形狀控制能量傳輸?shù)姆较颍刂茦?gòu)件的變形部位。圖4為預(yù)折疊桿結(jié)構(gòu)圖。

圖3 吸能構(gòu)件預(yù)折紋的吸能機(jī)理圖

圖4 預(yù)折疊桿結(jié)構(gòu)圖

由圖4所示，假定材料是完全彈塑性材料，如果全正弦保持到桿屈服，那么塑性鉸會(huì)出現(xiàn)在x=L/4或3L/4（L為桿長(zhǎng)度）處。塑性鉸鏈處桿體的抗彎與抗扭剛度遠(yuǎn)低于桿的其他部位，桿體塑性鉸鏈處分擔(dān)更多力，吸取更多的能量，產(chǎn)生較大的彎曲變形，阻止桿體受力變形為半正弦形狀，桿體此刻可視為由兩個(gè)塑性鉸連接而成，也就是兩個(gè)半正弦桿體相互連接，吸能遠(yuǎn)大于一個(gè)半正弦形態(tài)。

從防沖液壓支架的工作原理可知，防沖液壓支架的吸能讓位功能可以有效遏制沖擊載荷對(duì)工作面巷道的不良影響。選取ZQL2×3200/19/38型防沖液壓支架提升巷道圍巖穩(wěn)定性。

4 防沖液壓支架的應(yīng)用與監(jiān)測(cè)

4.1 回風(fēng)順槽超前支護(hù)方案

回風(fēng)順槽超前支護(hù)150 m，回風(fēng)順槽采用39臺(tái)超前防沖液壓支架支護(hù)137 m，其中回風(fēng)順槽采用2臺(tái)ZQL2×3200/19/38六柱超前防沖液壓支架支護(hù)10 m、35臺(tái)ZQL2×3200/19/38中部防沖液壓支架配合2臺(tái)ZQL2×3200/19/38防沖液壓支架（帶絞車）支護(hù)127 m；“液壓?jiǎn)误w+鉸接頂梁”超前單體支護(hù)13 m。

4.2 支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

為檢驗(yàn)防沖液壓支架對(duì)回風(fēng)順槽超前支護(hù)區(qū)段圍巖的控制效果，在距工作面150 m處布置一組由三個(gè)測(cè)點(diǎn)組成的測(cè)站（三個(gè)測(cè)點(diǎn)分別位于巷道頂板中線，左、右兩幫距底板1.5 m處），觀測(cè)工作面回采期間巷道超前支護(hù)區(qū)段兩幫移近量及頂板下沉量。下頁(yè)圖5為回風(fēng)順槽圍巖變形監(jiān)測(cè)圖。

由圖5可知：距工作面越近，回風(fēng)順槽的圍巖變形值越大；頂板最大下沉值為93 mm，兩幫最大移近量為76 mm；回風(fēng)順槽頂板下沉值與兩幫移近量皆控制在100 mm以內(nèi)。

圖5 回風(fēng)順槽圍巖變形監(jiān)測(cè)圖

5 結(jié)論

1）防沖液壓支架吸能讓位功能降低了沖擊載荷對(duì)沖擊傾向性工作面巷道圍巖的沖擊作用。

2）采用防沖液壓支架可有效控制40309工作面回風(fēng)順槽超前支護(hù)區(qū)段巷道圍巖變形。

3）回采期間回風(fēng)順槽超前支護(hù)區(qū)段的頂板與兩幫變形量皆在100 mm以內(nèi)。