冲击地压矿井巷道支护理论研究及应用

许 冰

（山西平舒煤业有限公司， 山西 寿阳 045400）

引言

煤矿生产过程中对人身安全危害最大的是冲击地压。目前，国内外关于矿井巷道支护理论的研究有很多，如垮落拱理论、松动圈理论等，而这些理论研究都建立在静力学基础上，极少将冲击地压动力载荷的因素加入到巷道支护理论的研究[1]。近些年来，很多专家学者都研究出了很多方法，我们也对这些方法做出一定的模拟实验，比较以及实地操作，对比出最有效果的一种。

1 冲击载荷作用下巷道围岩与支护的动力学模型

一般来说，引起冲击地压的原因大致可以归纳为三种，分别是构造应力、水的影响和弹性变形。其中构造应力以水平应力为主，比较容易造成底板岩层破坏。而水流一方面可以减少岩石缝隙之间的摩擦力，使表面光滑联结度变小，另一方面有些矿物质遇水膨胀，很容易对岩石强度造成影响。根据中外学者的大量研究报告与分析不难看出，岩层中的垂直应力是极小的，更多是受到上述第一种的水平应力。如果要考虑到巷道受水平应力影响最小，就必须使巷道在支护后水平应力平衡。

根据动力学知识，把冲击载荷作用下巷道围岩与支护相应的转化为物理模型：巷道支护中岩石的刚性系数Ks；岩石在水平方向挤压后的摩擦系数Cs；上覆岩层块体质量T；支护体的面积S。当支护体周围受到的应力平衡，也就保证了围岩的支护的稳定性。建立承载的冲击载荷F与上覆岩层和支护的动力学模型[2]，即 F=TKs/SCs。

2 冲击地压矿井巷道支护技术的研究

2.1 冲击地压矿井巷道支护理论基础

通过有限元软件和动力学研究，在初始冲击载荷F不变的情况下，承载的支护有限元为n，围岩动力随支护刚度P1和支护阻力Fa的变化规律为P1=Fn/Fa[3]。

在此理论分析上研发出新式的巷道液压支架。它由四部分组成：顶梁、底梁、连杆和三根液压支柱。顶梁为平面，能够有效增加对巷道上部围岩的支护面积；中间立柱能够防止两端长直底梁的底臌；两侧连杆对支架变形具有控制作用；三根液压支柱可承载6 000 kN，是支架承载的主要结构。该结构极大提高了支护系统的刚度，有效改善了支护的防护能力，加强了围岩抗冲击性能，确保了支护系统的安全性[4]。为了提高支架的支护强度，即承载的冲击载荷F，当上覆岩层块体质量T越大，需要的顶梁支护面积S也越大，方可提高支护强度。

2.2 支护阻力对巷道冲击地压的影响

在实际的应用中支护不仅具有刚度支撑，也需要弹性支撑。在上述动力学基础上，支护阻力Fa能够有效降低围岩应力影响。当围岩动力随支护刚度P1一定，承载的支护有限元n一定，支护阻力Fa越大时，即支护刚度P1越小，即受力相对越平衡，最终构成有机支护整体[5]。

2.2.1 泡沫金属材料的注入对支护系统阻力的影响

通过不断地实验，发现一系列多孔泡沫注入金属材料可极大提高支护系统的阻力。经验证实，采用密实孔洞具有很强增阻作用，可被应用在冲击地压巷道支护中[6]。

为了选取最优材料，设计静载荷和动载荷实验来验证不同基制泡沫金属材料的阻力效果。根据实验分析：在静载荷下，Al基多孔泡沫金属材料具有较大的摩擦阻力和较短的反应时间，注入后的支护效果较好；随着材料中硅含量的增加，材料强度也随之增强，最大的抗压压强可以高达5 MPa左右。在载荷试验中，Al基多孔泡沫金属材料强度也有所提高。

2.2.2 吸能构件增大支护阻力的方法

根据屈曲理论经过不断的探索，发现了一种特殊几何结构的吸能构件——曲壳折棱管。该构件是一种薄壁的金属件，在受到轴向载荷时按照自身结构发生定向的结构屈服变形，具有吸能和让位增阻的特点，并且变形后很稳定[7]。

3 防冲吸能巷道液压支架的研制应用

在有限元软件中得到曲壳折棱管的增阻曲线与实验结果基本一致。根据上述原理可尝试一种具有本性能支架来支护顶板，试验后可知：

1）承载峰值可调节。在不同支护条件下设定相应的承载力，既能满足承载需求，又能在冲击载荷超过设定值时折棱管立即变形达到让位增阻的效果，进而降低支架结构所受到的冲击力。

2）变形让位行程长。较大的变形量可以有效缓解支架所受到的冲击载荷，释放冲击能。

3）反作用力保持稳定。在自身的结构变形中，该结构可以保持稳定的反作用力，能够有效支持围岩，延缓让位带来支架结构变形的趋势。

4）变形模式稳定。即使在复杂的冲击力下变形也具有导向作用，变形模式稳定。

5）能量转换不可逆转。通过自身的塑形变形将释放的外部动能消耗掉。

6）结构简单、吸能比高、拆装方便。

该支架相对之前的结构加入了特定吸能装置，使支架具有较大刚性同时也具有快速吸能让位的特性[8]，即当有冲击载荷发生时，首先能够提供强大的支撑力以防止围岩在压力的作用坍塌；在出现不可预测的围岩冲力时，支架又能够通过自身的吸能作用，和刚性部分共同作用以达到快速让位变形和吸能的效果，为人员、设备和巷道空间提供有力保护[9]。

目前该设备已研制出100架，应用在井下实验，目的在于在实际应用中进一步优化新型巷道液压支架的功能，评估支架参数设计的适用性，为下一步的研究奠定坚实的基础。

4 结论

1）指出支护刚度和支护阻力对冲击地压矿井巷道支护的影响规律，即增加顶梁的支护面积S或加大支护阻力Fa，方可提高支护强度。

2）采用多孔泡沫注入金属材料可极大提高支护系统的阻力，有很强的增阻作用，可应用在冲击地压巷道支护中，效果较好。

3）根据屈曲理论经过不断的探索，一种特殊几何结构的吸能构件——曲壳折棱管的原理来研制高强度巷道液压支架，选用大刚度的支架结构和部件来增强整个支护体系刚度，为围岩提供有效支撑；多空泡沫金属材料和吸能构件的研制有效实现了支护的稳定。

4）研制出的新型防冲吸能巷道液压支架应用在实际中，为进一步完善该机构提供实验基础。