冲击地压矿井巷道支护理论研究及应用

潘一山，肖永惠，李忠华，王凯兴

(辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

冲击地压矿井巷道支护理论研究及应用

潘一山，肖永惠，李忠华，王凯兴

(辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

针对现有支护理论、支护方法不能有效解决煤矿巷道冲击地压的问题,建立了冲击地压作用下的巷道围岩与支护响应的动力学模型，分析了支护刚度和支护阻尼对上覆岩体动力响应的影响，并由此提出了冲击地压矿井巷道支护设计的两个新思路，即提高支护刚度和快速吸能让位支护。其中，提高支护刚度主要以研制高强度的巷道液压支架为主，通过采用刚度较大的梁体和工作阻力较高的液压支柱来增加支护体系的整体刚度；快速吸能让位支护则采用多孔泡沫金属材料或吸能构件来增大支护中的阻尼系数，即利用其优异的吸能特性使支护体系能够在围岩冲击下快速吸收冲击能并稳定地变形让位，最终防止支护体系失效与巷道破坏,并据此研发了一种新型防冲吸能巷道液压支架并准备进行现场试验研究。

冲击地压；刚性支护；防冲吸能支护；吸能构件

冲击地压是煤矿生产中遇到的最严重灾害之一。目前，我国发生冲击地压的矿井已达到142对。由于综采液压支架的广泛使用，支护强度的提高，近年来冲击地压造成的井下破坏大部分由工作面转向了巷道中[1-3]。阜新五龙煤矿“1·12”冲击地压事故，50 m巷道煤壁发生严重变形；河南义马跃进煤矿“8·6” 、“8·11” 冲击事故，分别造成400 m和360 m的巷道变形破坏，大量O型棚损坏[4]；义马千秋煤矿“11·3”冲击地压事故，380 m巷道严重破坏，其中有近百米段巷道基本合拢。因此，发展冲击地压矿井的巷道支护理论，提高冲击地压矿井巷道支护的抗冲、防冲能力成为亟待解决的重要课题。

20世纪50年代于学馥教授首先提出了巷道支护的轴变理论[5-6]。20世纪60年代，奥地利工程师L.V.Rabcewicz提出了隧道支护设计方法“新奥法”(NATM)[7-9]。此后，1987年，冯豫、陆家梁等提出了联合支护理论[9-10]。1988年，孙钧、郑雨天等[10-11]提出了锚喷-弧板支护理论。1994年，董方庭等提出了围岩松动圈理论[12]。2002年，何满潮教授提出关键部位耦合组合支护理论[13]。高明仕等[14]根据巷道冲击震动破坏的原因和机理，提出了冲击矿压巷道围岩控制的强弱强(3S)结构力学模型，并分析了该力学模型防冲抗震机理。但是，上述关于巷道支护的理论都是基于静力分析而提出的，考虑冲击地压动力载荷作用下巷道支护理论的研究与应用尚且较少，因此，本文对于冲击地压矿井的巷道支护理论开展初步研究，并由此提出和研发了一种新型的防冲吸能巷道液压支架。

1 冲击载荷作用下巷道围岩与支护响应的动力学模型

将冲击地压作用下巷道围岩与支护的动力响应简化为图1所示的分析模型。

假设一般情况下，巷道支护具有刚性支撑的作用，简化为弹簧ks；同时巷道支护中增加阻尼耗能的作用，简化为阻尼器cs。围岩的上覆岩层简化为n+1个块体构成的块系，块体质量为mi，其中支护直接作用的邻近块体为ms。岩块相对于块体间的软弱结构面可抽象为刚体，软弱结构面则抽象为黏弹性凯尔文体，其弹性系数为ki，阻尼系数为ci。冲击地压产生的动力载荷为f(t)，则围岩与支护的动力响应微分方程为

图1 冲击下巷道围岩与支护响应的动力学模型Fig.1 Dynamic response model of surrounding rock and support

式中,F(t)为外界扰动，F(t)=[f(t)，0，…，0]T；x为块系岩体位移向量，x=[x1,…,xn,xs]T;δ=[δ1,…,δn,δs]T，δi为静力平衡状态时第i块岩块在自身重力作用下，由于黏弹性体的变形而产生的位移量；g=[g,…,g]T；

2 冲击地压矿井巷道支护设计的两个新思路

通过研究在相同初始冲击载荷f(t)作用下，支护刚度和支护阻尼对围岩动力响应的影响，提出了增强冲击地压巷道支护抗冲、防冲能力的两个设计新思路。

2.1 提高支护刚度防治巷道冲击地压分析

根据图1所示模型，通过研究支护刚度对围岩动力响应的影响规律发现，提高支护刚度可以防治巷道冲击地压。

图2 块体10加速度响应曲线Fig.2 response curve with elastic support

图3 支护刚度增加后块体10加速度响应曲线Fig.3 response when increase support stiffness

图4为义马跃进煤矿某工作面的超前支护区域，其中采用了锚杆、锚索、锚网、工字钢和O型棚等常规支护形式，同时还引入了新型的门式巷道液压支架，通过大密度、高强度支护显著地增加了支护体系刚度，并在几次巷道冲击事件中，近乎刚性的巷道支护体系有效地抵制了围岩的突发破坏，保护了巷道空间，展示了刚性支护体系较好的抗冲击能力[15-16]。

图4 刚性巷道支护工程实例Fig.4 Rigid support of roadway in the engineering

2.2 增加支护阻尼耗能防治巷道冲击地压分析

根据图1所示模型，通过研究支护阻尼对围岩动力响应的影响规律发现，提高支护阻尼系数，可以防治巷道冲击地压。

图5 增加支护阻尼时上覆岩块10加速度响应曲线Fig.5 response when increasing support damping

因此在支护体系中，设置具有特殊性能的阻尼耗能元件，通过合理的支护体结构设计，使其能够与体系中的刚性部分相互协调、相互配合，构成一种能够快速变形吸能并自我调节平衡的有机整体。在未有冲击的情况下，支护体系能够保持相对稳定的支护状态；而一旦突发冲击并致使支护体上的冲击荷载超过某一阈值时，特设的阻尼耗能元件立即开始变形，快速吸收外来的冲击能，并通过一定程度的变形让位过程缓解支护体受到的冲击，最终抑制围岩的变形趋势，防止支护体-围岩系统的冲击性失稳破坏。这是一种以牺牲小局部而保全大整体的防冲支护方法，这种方法的基本思想即快速吸能让位防冲支护理念。

图6为抚顺老虎台矿某工作面的超前支护区域。可以看到，在U型钢支架和煤壁之间充填有多层背木，由于背木具有良好的抗压强度和可压缩变形吸能的特点，因此在冲击地压发生过程中，背木能够及时地让位卸压，快速吸收岩体中的有害能量，以缓解U型钢支架上的过大压力，保护内部支架结构及整个体系不受损伤或破坏[9]。应用中发现，背木叠加的层数越多，卸压的效果越明显，支护体系越稳定，这说明了背木以及这种简单的支护方式确实具有良好吸能和防冲效果，是吸能防冲支护的一个典型代表。

图6 背木吸能支护工程实例Fig.6 Energy-absorption support with wood in the engineering

图7 高强度巷道液压支架Fig.7 The powerful hydraulic support of roadway

3 增加支护刚度和阻尼耗能的实现途径

3.1 提高支护刚度的巷道液压支架研制

根据以上的理论研究，研制了一种新式巷道液压支架(图7)。该支架由圆弧顶梁、长直底梁、侧连杆与3根液压支柱组成。两段圆弧顶梁起到对巷道顶部围岩的大面积支护；两段长直底梁在中间立柱的支撑下可以有效防止底臌；两边侧连杆有引导支架变形的功能；3根液压支柱总工作阻力可达6 000 kN，提供了支架承载力的主要来源。支架的结构设计，旨在对围岩实施的全面有效控制，通过高强度的支护作用，增加围岩及整个支护体系的刚度，从而提高支护系统的抗冲击能力，保证冲击地压发生过程中巷道围岩的完整性与支护系统的稳定性。

3.2 多孔泡沫金属材料增大支护阻尼的方法

通过大量实验，找到了一类多孔泡沫金属材料(图8)，用作冲击地压巷道支护材料，可以增大支护阻尼，吸收冲击地压释放的能量。

图8 多孔泡沫金属材料Fig.8 The foam alloy material

如图9所示，通过准静态压缩实验、高速冲击实验，研究不同基质泡沫金属材料的基本力学性能，从而优选最适合冲击地压巷道应用的吸能防冲材料。由图9(a)可知，在准静态压缩试验中，Al基多孔泡沫合金材料总体应变值较大，且平台阶段持续较长，吸能能力较强；多种泡沫合金材料中，随着含硅量的增加，材料强度有所提高，其中抗压强度最大的达5 MPa左右。由图9(b)可知，在高速冲击试验中，Al-Si基多孔泡沫合金材料强度增加明显，但起伏变化较大，不够稳定，且吸能效果差；Al基多孔泡沫合金材料强度有一定提高，仍有较长的平台阶段，吸能效果明显。

图9 多空泡沫金属材料的应力-应变曲线Fig.9 The stress-strain curves of foam alloy material

3.3 吸能构件增大支护阻尼的方法

基于屈曲原理，研制了一种具有特殊几何形状的吸能构件—曲壳折棱管，欲应用于新式巷道防冲吸能液压支架中，旨在利用该构件在冲击下的稳定、快速地变形让位和及时、高效地吸能的特点，缓解整个支架结构受到冲击作用，保护支架不受损伤或破坏。

该构件属于一种薄壁金属管件(图10)，在轴向冲击作用下能够按照预设的折棱进行诱导式的结构屈曲变形，实现快速吸能和让位的功能，且变形稳定可靠。如图11，12所示，利用ABAQUS有限元数值模拟软件计算得到了曲壳折棱管在冲击压缩过程中的反力-变形曲线、吸能量曲线和屈曲形态，并通过初步的实验室试验得到了一定的验证。

图10 吸能构件Fig.10 The energy-absorption components

图11 吸能构件的屈曲模态Fig.11 The bucking mode of the energy-absorption component

可以看出，该构件主要具备以下几个优点：

(1)合理的承载峰值。可以根据支护需求设定折棱管的承载力，使折棱管即满足一定的承担静载的需求，又可以在冲击力超过该阈值时立即开始变形让位吸能，缓解支架结构受到的冲击作用。

(2)较长的变形让位行程。折棱管具有较大的可变形量，能够确保足够的让位行程来缓解支架受到的冲击作用，吸收外来的冲击能。

(3)持续较高的反作用力。折棱管在压缩变形过程中，反作用力可以保持较高的位置，以支持整体支架结构在让位过程中有效抵制围岩的变形趋势。

(4)稳定的变形模式。折棱管的变形模式稳定，能够确保在复杂不可预测的冲击荷载作用下变形不失稳。

(5)不可逆的能量转换。折棱管应能够将绝大部分输入动能通过塑性变形转化为自身内能耗散掉，而不是转换为弹性能积聚起来。

(6)折棱管形式简洁，比吸能高，且易装卸更换。此构件的设计与研制，为支架的现场应用以及进一步的优化设计提供了一定的参考依据，为以后防冲吸能支护设备中的吸能构件研制起到了一定的指导作用。

4 防冲吸能巷道液压支架的研制及应用

基于冲击地压矿井巷道支护设计的新思路，研制了一种新型防冲吸能巷道液压支架(图13)。该支架主要由刚性的顶底梁和3根液压支柱构成，每根柱子底部都带有一个特设的吸能构件，使支架同时具有了刚性支护能力和快速吸能让位的双重特性，即在未发生冲击的情况下，支架能够提供足够的支撑力以满足围岩静压下的支护需求，而在突发围岩冲击时，支架中的吸能构件能够立即发生作用，与刚性顶梁一起为围岩实现一个快速的让位卸压过程，吸收围岩冲击能，保护巷道空间与内部人员、设备。

图13 防冲吸能巷道液压支架Fig.13 The anti-impact and energy-absorption hydraulic support

现已研制该型试验支架100架，将于义马矿区进行井下试验，旨在研究该种新型巷道液压支架在实际工程中的支护与防冲吸能效果，评价支架技术参数设置的合理性，为进一步检验防冲吸能支护理论的合理性和适用性打下一定的基础。

5 结 论

(1)增大支护刚度能够增强围岩抗冲击扰动的能力，提高围岩稳定性；将刚性支护中加入阻尼耗能机制，则有利于快速平息围岩的震动和吸收、耗散岩体冲击能的作用。

(2)提出了两种防治巷道冲击地压的支护设计的新思路，即提高支护刚度和快速吸能让位支护。其中，提高支护刚度主要是以研制高强度的巷道液压支架为主，通过采用刚度较大的支架梁体和工作阻力较高的液压支柱的来增加支护体系的整体刚度；快速吸能让位支护则通过研究多孔泡沫金属材料或吸能构件来增大支护中的阻尼，利用其优异的吸能特性使支护体系能够在围岩冲击下快速吸收外来冲击能并及时变形让位，最终防止支护体系失效，保护巷道不发生破坏。

(3)基于理论研究，研制了一种新型的防冲吸能巷道液压支架，为进一步解决巷道冲击地压问题进行现场的实验研究。

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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

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB226803)；国家自然科学基金资助项目(51174107,11202091)

潘一山(1964—)，男，辽宁丹东人，教授，博士生导师。E-mail：panyishan@lntu.edu.cn

TD353

A

0253-9993(2014)02-0222-07

潘一山，肖永惠，李忠华,等.冲击地压矿井巷道支护理论研究及应用[J].煤炭学报,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