冲击地压矿井巷道支护理论研究及应用潘一山

冲击地压矿井巷道支护理论研究及应用潘一山辽宁大学煤矿重大动力灾害协同创新中心2019年05月22日提纲1、巷道冲击地压2、巷道发生冲击地压理论公式3、冲击地压矿井巷道支护理论4、冲击地压矿井巷道防冲吸能支护5、巷道防冲吸能液压支架及应用1、巷道冲击地压4冲击地压是煤矿最严重的动力灾害之一。中国、俄罗斯、澳大利亚等国家冲击地压十分严重。我国253个冲击地压矿井中，90%冲击地压发生在巷道中。巷道冲击地压发生时，巷道围岩突然释放能量，瞬间冲击变形，破坏支护，造成人身伤亡。国内外采用锚杆、锚网、U型钢支架和单体支柱等进行巷道支护，在深部矿井发生冲击地压时损坏严重。锚杆锚网支护破坏U型钢支架支护破坏常规联合支护破坏单体支柱支护破坏近两年严重的巷道冲击地压2017年1月17日：山西担水沟煤矿“1.17”冲击地压。2017年11月11日：辽宁红阳三矿“11.11”冲击地压。2018年10月20日：山东龙郓“10.20”冲击地压。2、巷道发生冲击地压理论公式半径为圆形巷道，受应力作用，产生塑性区深度为aP弹性区a软化区ρPKEdd0peTTpeVVDVDV扰动响应能量失稳准则岩体应力超过峰值强度低于峰值强度耗能塑性区蓄能弹性区释放能量冲击地压Paρσoσrσrσθσoσrσθσr扰动响应极值点失稳准则若煤岩变形系统处于非稳定平衡状态，则无论扰动多么小，都会导致响应塑性破坏区或收敛位移的无限增长。PuP或PuffcfcEif0if)(ifffccccDif1if)(if0213232221)()()(32)(ccD应力应变关系损伤演化方程三维情况0ddrrrr0,,ddrrruru112rrErE112crDm)1(平衡方程应变分量弹性区本构关系塑性区本构关系基本方程22221prrPrr22221prPrr)(22cccrD112222111mmcccrrrmamaar112222221111mccmcccrmmamrmaarr弹性区应力塑性区应力损伤变量421212aEaEEPcKEccr112PK19相似模拟试验验证了巷道冲击地压理论解22223311Π8ccraKE临界能量233、冲击地压矿井巷道支护理论支护对冲击地压的发生起到什么作用？冲击危险区域没有划分准确支护起到什么作用？发生冲击地压冒顶复合灾害支护起到什么作用？一旦冲击启动起来后如何支护适应围岩并耗能？ccrc41112spPK26考虑支护作用巷道冲击地压理论解支护对冲击地压的发生起到什么作用？临界应力与巷道支护变形关系10MPasp20.65MPasp31.30MPasp27开切眼处于中等危险区域，胶带顺槽（2415,2500）区域为弱危险区域。29新疆某煤矿巷道发生复合灾害，破坏特征明显，支护设施损毁严重。a.管道发生弯曲变形b.顶煤冒落c.锚网索破坏d.煤体突破锚网冒落冲击地压和冒顶互为诱发问题？冲击载荷作用下锚杆（索）典型失效形式锚杆尾部围岩整体破坏锚杆失去托锚基础冲击载荷作用下锚杆（索）典型失效形式锚杆与围岩整体失效整个锚固围岩体破坏32山西某煤矿巷道发生复合灾害，破坏特征明显，支护设施损毁严重。a.顶底板移近、转载机倾斜b.锚杆锚索大量拉断c.顶板下沉、钢带断裂、煤帮鼓出d.单体支柱折弯当前对于冲击地压矿井的巷道支护设计中，如锚杆（锚索）支护、U型钢支护、单体液压支柱以及液压支架支护等，都是按准静态矿压下进行支护设计的，还没有冲击地压动力灾害的支护设计理论，因而导致冲击地压巷道支护研究没有明确的方向。一旦冲击启动起来后支护适应围岩？巷道支护刚性支撑，简化为弹簧巷道支护阻尼耗能，简化为阻尼器。上覆岩层简化为个块体构成的块系，块体质量为。块体简化为刚体，软弱简化为黏弹性凯尔文体，刚度为，阻尼系数为。支护直接作用的临近块体为sksc1nimsmikic围岩与支护响应的动力学模型，为静力平衡状态时第i块岩块在自身重力作用下，由于粘弹性体的变形而产生的位移量。冲击地压产生的动力载荷为，则围岩与支护的动力响应微分方程为)(tf)(])([)()(tFMgtxKtxCtxM其中snmmmmM21)()()(11221111snnniiiiccccccccccccccC)()()(11221111snnniiiikkkkkkkkkkkkkkK[()00]ft()，，，Ft],,,[1sni根据岩块的静力平衡条件有于是1111111)()()(iiiiiiiiiiiiiikkkkkkgm)()()()(tFtKxtxCtxM冲击载荷作用下围岩与支护响应的动力学模型围岩与支护的动力响应微分方程M为质量矩阵，反映系统惯性C为阻尼矩阵，反映能量耗散K为刚度矩阵，反映能量积聚F为冲击载荷，反映震源特性x为围岩与支护响应)()()()(tFtKxtxCtxM功能一防冲应力让位功能功能一发生冲击地压的矿井调查发现，支护作用于围岩上的应力对在冲击地压破坏减灾中起到重要作用。采煤工作面综采液压支架的普遍使用，高强度的支护使发生在工作面的冲击地压对人员的伤害几乎没有了防冲支架既要高支护应力，同时冲击地压发生时作用在支护上的应力超过让位应力，防冲支架立即让位，保证支护不破坏而继续发挥作用，进而不会对人员造成伤害。功能一防冲速度让位功能功能一根据冲击地压发生时巷道的破坏收缩位移和破坏时间计算得到冲击速度在每秒0.1m到2.5m的水平，可见围岩冲击支架支护的速度是很快，而传统支架冲击响应速度慢在0.34m/s，必然造成支架的过载破坏并进一步造成人员的伤亡。而防冲支架速度就是功能支架让位速度远大于每秒超过2.16m/s，在围岩冲击作用时，支架达到了快速让位，保护支架的冲击破坏。功能一防冲刚度让位功能功能一防冲支架刚度让位功能就是要保持支护刚度与围岩刚度相协调。围岩刚度是非线性的，冲击地压发生时围岩刚度等于零。冲击地压发生时，刚度让位功能就是支护的刚度也变为0。所以支护必须是变刚度的。功能一频率让位功能功能一大量的现场观测发现，当巷道压支架受冲击破坏时，支架的破坏程度和冲击地压的震级大小并不是完全的对应关系，有时冲击地压震级比较大，但支架的破坏却比较轻；有时冲击地压的震级并不是很大，但支架的破坏却比较严重。其原因除了和冲击地压发生启动震源点离支架距离远近有关外，研究发现还和冲击地压发生时震动波的频率与支架固有频率接近程度有关，功能一频率让位功能功能一当冲击地压震动频率与支架固有频率接近时，会产生共振，小震级冲击地压也会产生大的冲击破坏。根据冲击时释放能量主体，可以将冲击事件分为煤体压缩破坏释放能量型、顶板拉伸破坏释放能量型、断层剪切破坏释放能量型，优势频率分别在25~40Hz、10~25Hz和1~10Hz。功能一频率让位功能功能一支架固有频率在15HZ到40HZ，与围岩冲击频率共同交叉频带，会产生共振，支架让位频率为零附近，防止了共振。功能一让位吸收能量功能功能一冲击地压发生时释放的能量很大，当巷道围岩释放能量大于支架吸收的能量，支架被冲击破坏。而防冲支架设置吸能构件，当围岩发生冲击，支架中特设的快速防冲构件立即启动变形、吸收外来冲击能，实现支架整体的一个快速让位吸能过程，从而消减围岩对支架的冲击能量，保护支架主要部件不受损坏，最终支架还能够达到另一个稳定支护状态。除了支护吸能外，塑性区围岩吸收了多少能量？222322111111Π8csscrppaKKEcc抚顺老虎台矿，采用在O型棚和煤壁之间充填背木的方法，缓解围岩冲击动力，且应用中发现，背木叠加的层数越多，卸压的效果越明显，支护体系越稳定。说明背木这种简单的吸能支护方式确实有良好防冲效果，是让位吸能支护的一种应用形式。支护让位吸收能量、只要支护没有遭到破坏，支护护住围岩，此时弹性区释放能量大量消耗在塑性围岩上，使冲击剩余能量降为零，冲击就停止下来，可见使支护不坏，围岩保持完整，真正吸收能量的还是围岩49冲击地压巷道支护的新理论从源头做起，控制震源确定震源，改善震源特性断层向背斜轴部煤柱煤岩层变化处从围岩做起，控制内因改善围岩特性削弱冲击倾向性峰前弹性特性抗压强度峰后软化特性残余强度蠕变特性从围岩做起，控制外因改善围岩特性降低岩体应力钻孔卸压爆破卸压开采保护层断顶断底卸压弱化煤层煤柱从支护做起，控制显现改善支护特性，快速让位吸能提高支护刚度，增加阻尼耗散门式吸能支架迈步式吸能支架吸能锚杆索吸能O型棚大流量卸压阀4、冲击地压矿井巷道防冲吸能支护薄壁折纹控制的自适应防冲器55数值试验冲击试验薄壁折纹控制的自适应防冲构件，冲击载荷下，折纹诱导整体结构屈曲，形成较大的让位位移和很快的让位速度。020406080100120140160180200050010001500200025003000R-1R-2R-3R-4力/kN位移/mm防偏柱防偏座连接环防偏缸铰接头防冲件自适应防冲器泡沫让位柱扩径让位筒其让位阻力满足支架静载下支护需求，围岩冲击下超过该值，防冲构件立即屈服其让位位移满足支架结构让位吸能行程需求，又不会使支架变形占用巷道空间其刚度是可变的，可调控支架整体结构刚度其固有频率远离支架，支架过载时改变支架频率，使支架远离围岩频率，避免共振其弹性变形让位速度最快且可恢复性，塑性变形让位速度稍低，也具有最快变形速度，实现支架的快速让位其弹性让位能量吸收小震的冲击能，可恢复；塑性让位能量是结构的塑性大变形耗能，不可恢复，用以吸收大震级的围岩冲击能123456预折纹自引导防冲器的6个特性支柱导向套筒吸能构件让位阻力让位位移让位刚度让位频率让位速度让位能量预折纹诱导式防冲构件静态压缩试验屈曲形态-0255075100125150175200050010001500200025003000R-1R-2R-3R-4阻力/kN位移/mm（a）R-1（b）R-2（a）R-3（b）R-4（a）R-1（b）R-2（a）R-3（b）R-4薄壁折纹控制的自适应防冲液压支柱围岩动载冲击变形支柱快速让位收缩围岩静载流变变形支柱缓慢收缩12薄壁折纹控制的自适应防冲液压支柱60静载流变变形下，小流量安全阀使支柱缓慢收缩，在动载冲击下，薄壁折纹控制的自适应防冲器快速让位收缩。小流量安全阀：让位速度0.17m/s防冲器：让位速度3.16m/skN时间支撑阻力支柱支撑阻力与时间关系mm薄壁折纹控制的自适应巷道防冲液压支架61三柱不对称式单排垛式单排护顶自移式双排护顶自移式三柱对称式序号技术指标参数1型号ZHDF-4150/52/362工作阻力(kN)4150支架刚度（108N/m）1.343让位阻力(kN)4800（近似恒阻）4让位位移(mm)200（近似恒阻）5让位刚度（N/m）0（近似恒阻）6让位频率（Hz）0（近似