冲击地压矿井巷道支护理论研究及应用

　第39卷第2期煤　　炭　　学　　报Vol.39　No.2　　2014年2月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYFeb.　2014　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.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2015PanYishan,XiaoYonghui,LiZhonghua,etal.Studyoftunnelsupporttheoryofrockburstincoalmineanditsapplication[J].JournalofChinaCoalSociety,2014,39(2):222-228.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2015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)摘　要: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。关键词:冲击地压;刚性支护;防冲吸能支护;吸能构件中图分类号:TD353　　　文献标志码:A　　　文章编号:0253-9993(2014)02-0222-07收稿日期:2013-11-20　　责任编辑:张晓宁　　基金项目: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)　　作者简介:潘一山(1964—),男,辽宁丹东人,教授,博士生导师。E-mail:[e-mail]eoryofrockburstincoalmineanditsapplicationPANYi-shan,XIAOYong-hui,LIZhong-hua,WANGKai-xing(SchoolofMechanicsandEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin　123000,China)Abstract:Accordingtothesupportingproblemsoftherockburstincoalminewhichcannotbeeffectivelydealtwithbycurrentsupporttheoriesandmethods,twonewsupportmethodsthatincreasingsupportstiffnessandrapidenergy-ab-sorptionsupportwereproposed,basedonstudyingofsurroundingrocksandsupportdynamicresponseintherock-burst.Hydraulicsupport,whichconsistsofhighstrengthbracketbeamsandpowerfulworkingresistanceprops,wasproposedtobeappliedtoincreasesupportstiffness;whereasfoammetalmaterialsandenergy-absorptioncomponentswhichareabletoabsorbenergyrapidlyinastablemanner,wereexploitedtoformanorganicandanti-impactsupport-ingsystemincollaborationwithotherrigidsupports.Soanewkindofanti-impactandenergy-absorptionhydraulicsupportwasdesignedtosolvethesupportingproblemofrockburstincoalmine.Keywords:rockburst;rigidsupport;anti-impactandenergy-absorptionsupport;energy-absorptioncomponent　　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,50m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400m和360m的巷道变形破坏,大量O型棚损坏[4];义马千第2期潘一山等:冲击地压矿井巷道支护理论研究及应用秋煤矿“11·3”冲击地压事故,380m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图1　冲击下巷道围岩与支护响应的动力学模型Fig．1　Dynamicresponsemodelofsurroundingrockandsupport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Mx¨(t)+Cx·(t)+K[x(t)+δ]=Mg+F(t)(1)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;M=m1m2⋱mnmséëùû;C=c1-c1-c1(c1+c2)-c2⋱⋱⋱-ci-1(ci-1+ci)-ci⋱⋱⋱-cn-cn(cn+cs)éëùû;K=k1-k1-k1(k1+k2)-k2⋱⋱⋱-ki-1(ki-1+ki)-ki⋱⋱⋱-kn-kn(kn+ks)éëùû。322煤　　炭　　学　　报2014年第39卷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。为便于讨论,令n=9(即i=1,2,…,10),ki=10kg,ki=105kg/s2,ci=20kg/s。初始条件为:x·1=1m/s(即在脉冲载荷f(t)作用下冲击端岩块的初始扰动速度为1m/s)。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。当支护仅有刚性支撑,没有阻尼耗能作用,且刚度系数与岩块间弹性系数相同时(ks=105kg/s2,cs=0),支护临近的上覆岩块10的加速度响应曲线x¨10如图2所示,块体10加速度响应幅值(最大幅值)达57m/s2。图2　块体10加速度响应曲线Fig．2　x¨10responsecurvewithelasticsupport当支护刚度增至岩块间弹性系数的5倍和10倍时(即k′s=5×105kg/s2,k″s=1×106kg/s2),块体10的加速度响应幅值分别变为14m/s2和6m/s2(图3),与增加支护刚度前相比,分别降低了75．4%和89．5%。由此可见,增大支护刚度能够有效降低支护临近岩块的加速度幅值,减弱冲击扰动下的围岩动力响应幅度。因此,增大支护刚度,提高支护体承载力,有利于增强围岩抗冲击扰动的能力,保证围岩结构及整个支护系统的稳定性与完整性,从而保护巷道内部人员安全和设备的正常运行。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,保护了巷道空图3　支护刚度增加后块体10加速度响应曲线Fig．3　x¨10responsewhenincreasesupportstiffness图4　刚性巷道支护工程实例Fig．4　Rigidsupportofroadwayintheengineering间,展示了刚性支护体系较好的抗冲击能力[15-16]。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。当支护中不仅有刚性支撑作用,同时还加入阻尼耗能机制时,支护临近的上覆岩块加速度响应时间明显缩短。由图2可知,当支护阻尼系数cs=0时,块体10加速度响应曲线随时间衰减,至3s处接近平息;当支护阻尼系数分别为岩块间阻尼的50倍和100倍时(即c′10=1000kg/s,c″10=2000kg/s),块体10加速度响应曲线分别持续约1．0s和0．6s之后平息(图5),与无阻尼情况相比分别缩短了66．7%和80．0%。由此推断,在刚性支护中附加阻尼耗能机制,有利于快速平息上覆岩块的震动冲击作用。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422第2期潘一山等:冲击地压矿井巷道支护理论研究及应用图5　增加支护阻尼时上覆岩块10加速度响应曲线Fig．5　x¨10responsewhenincreasingsupportdamping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。