吸能让位防冲支护结构与围岩协同作用体系研究*

许海亮,郭 旭,宋义敏,宋嘉祺,2,安 栋

(1.北方工业大学 土木工程学院，北京 100144；2.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京100083)

0 引言

近年来，我国浅层煤炭资源已逐渐枯竭，煤炭开采形式逐渐转向深部开采[1]。随开采深度不断增大，地层条件复杂，冲击地压引发严重事故[2-3]。通过对我国2 500余次破坏性冲击地压进行研究发现，90%以上的冲击地压发生在巷道内[4-5]，冲击地压发生时瞬间释放大量能量，导致围岩突发性破坏失稳，造成人员伤亡。吸能让位防冲支护技术可有效保护人员和设备安全，已成为巷道冲击地压防灾减灾主要研究内容。

国内外专家针对提高巷道稳定性开展大量研究后发现，通过对巷道进行支护可以提高冲击地压发生时的临界应力[6]，部分存在冲击地压灾害的矿井开始对巷道进行高强度支护，如单体液压柱、门式液压支架等[7-9]。强支护设备在一定程度上降低冲击地压发生概率，降低对巷道的破坏，但针对部分冲击能量较大的地压灾害仍无法避免。潘一山等[10]通过分析冲击地压巷道破坏原理和机理，建立围岩-吸能材料-钢支架冲击吸能耦合支护模型，验证吸能耦合支护在巷道支护中的有效性；文献[11-12]基于巷道围岩-支护系统的静力学与动力学理论，提出防冲支护设计6项原则，研制具有吸能让位功能的巷道防冲液压支架，现场应用取得较好防冲效果；文献[13-14]提出1种符合6项原则的折纹薄壁构件作为吸能让位液压支架的核心吸能装置，并对其力学性能进行研究。

巷道吸能让位防冲支护结构通过与巷道围岩的协同作用，即协同吸能、协同变形、协同支撑，有效提高冲击地压防治效果。本文以济南某矿地质条件为工程背景，采用数值计算方法建立吸能让位防冲液压支架与围岩协同作用体系模型，计算支架和围岩组合体系在静载和冲击载荷作用下力学状态，以巷道在竖向和水平方向位移、等效塑性应变以及吸能防冲支架在与围岩协同变形过程中的塑性能、塑性应变、位移等参数作为研究指标，对支架与巷道围岩协同作用进行分析研究。

1 支护结构与巷道围岩组合体系模型建立

1.1 支护结构模型建立

本文利用ABAQUS软件进行数值模拟计算。吸能防冲支架由顶梁、立柱和底梁3个部分组成，顶梁由55个零件组成，立柱由87个零件组成，底梁由42个零件组，模型如图1所示。模型整体采用壳单元，网格尺寸大小为35 mm，共划分27 956个单元，屈服强度为550 MPa，弹性模量为203 GPa，泊松比为0.3。

图1 液压支架数值模型Fig.1 Numerical model diagram of hydraulic support

1.2 围岩模型建立

依据济南某矿实际工程地质条件，建立细砂岩-煤-粗砂岩地层结构模型，岩层及岩石力学参数见表1。查阅资料可知，围岩受巷道影响范围约为巷道面积的4倍，因此建立围岩截面为边长22.5 m的正方形，厚度0.5 m，煤层高度7.5 m，倾向35°，围岩底部完全固定。

表1 岩层及岩石力学参数Table 1 Mechanical parameters of strata and rock

巷道采用实体单元建模，网格尺寸45 mm，共划分199 787个单元，建立组合体系模型如图2所示。巷道在围岩中的深度约500 m，围岩密度为2 000 kg/m3(g取10 m/s2)，在模型两侧施加水平应力如图2(b)所示。根据式(1)计算此深度巷道需要承受竖向应力为10 MPa：

σv=ρgh

(1)

图2 围岩-支架模型Fig.2 Model of wall rock-support

式中：h为巷道埋深，m；ρ为围岩密度,kg/m3；g为重力加速度,m/s2；σv为围岩竖向应力,Pa。

2 静载作用下防冲支护结构与围岩间作用

分别取竖向应力的0.5，0.75，1，1.25，1.5倍，模拟不同工况下的围岩应力(简称围压比)。围压比1.5工况下，围岩整体Mises应力云图如图3(a)所示，巷道向四周偏移0.2 m的Mises应力云图如图3(b)所示。由图3可知，巷道拱肩与拱脚部位应力较为集中。为方便观察，提取拱肩与拱脚4个部位的Mises应力及等效塑性应变数据，Mises应力与巷道等效塑性应变随围压比变化如图4所示。由图4可知，巷道Mises应力与等效塑性应变均随围压比的增加而增加，其中右拱肩增长速度相对较快，表明当竖向荷载不变时，巷道随水平荷载增加更易发生破坏，其中右拱肩位置最易发生破坏，与现场发生破坏位置一致。

图3 巷道Mises应力云图Fig.3 Mises stress nephogram of roadway

图4 巷道Mises应力、等效塑性应变曲线Fig.4 Strain curves of roadway Mises stress and equivalent plastic

以围压比为1.5的工况为例，防冲支架竖向位移云图如图 5(a)所示，防冲支架竖向位移最大值为13.5 mm，中柱吸能装置竖向位移最大，竖向位移为8.7 mm；支架Mises应力云图如图5(b)所示，支架应力较大值出现在液压柱中间连接部分，其它部分应力相对较小，与现有液压支护中液压柱破坏位置一致。

图5 吸能防冲支架竖向位移、Mises应力云图Fig.5 Vertical displacement and Mises stress cloud of energy-absorbing anti-surge bracket

其余工况下竖向位移与Mises应力均小于此工况，表明支架在埋深500 m处可以正常工作。

3 冲击荷载作用下防冲支护结构与围岩间作用研究

3.1 竖向冲击荷载作用影响

在围压比为1.5的静载模型基础上，施加竖向冲击荷载研究防冲支护结构与围岩间的作用关系。竖直方向分别施加大小为30，35，40，45，50 MPa荷载，冲击时间为0.025 s，模拟冲击地压的发生。

1)竖向冲击荷载对围岩作用影响

竖向冲击荷载为50 MPa时，巷道水平位移云图如图6所示。由图6可知，巷道顶板与底板水平位移较小，但巷道侧壁水平位移较大。通过对不同竖向冲击荷载工况进行分析发现，随竖向冲击荷载增加，巷道两侧水平位移均不断增加，顶板、底板水平位移较小。当竖向冲击载荷为30，35，40，45，50 MPa时，巷道左侧壁水平位移大于右侧壁水平位移，左侧壁水平位移最大处在中间部分，水平位移最大值分别为36.0，45.6，54.5，62.9，71.3 mm；右侧壁水平位移最大处在中间部分，水平位移最大值分别为29.3，32.2，34.2，35.4，36.5 mm。

图6 巷道水平位移云图Fig.6 Nephogram of horizontal displacement of roadway

对不同竖向冲击荷载工况进行数值模拟可知，当竖向冲击荷载为30，35，40，45，50 MPa时，顶板中部为巷道竖向位移最大处其竖向位移分别为260，332，402，467，530 mm。巷道竖向冲击荷载50 MPa工况下巷道竖向位移矢量图如图7所示。

图7 50 MPa下巷道竖向位移矢量图Fig.7 Vector diagram of vertical displacement of roadway under 50 MPa

竖向冲击荷载为50 MPa工况下，巷道塑性应变云图如图8(a)所示，巷道2个拱肩与左侧拱脚塑性应变较大。为进一步分析，提取不同工况下巷道4个角的塑性应变值如图8(b)所示，随竖向冲击荷载增加，拱肩塑性应变不断增加，其中右拱肩塑性应变相对最大，拱脚塑性应变无明显变化，巷道右侧拱肩最容易发生破坏。

图8 巷道等效塑性应变云图与曲线Fig.8 Equivalent plastic strain clouds and curves of the roadway

2)竖向冲击荷载对支架作用影响研究

巷道竖向冲击荷载50 MPa工况下，吸能防冲支架水平位移云图如图9(a)所示，防冲支架液压柱上部存在不同程度的水平位移。为进一步研究，对不同竖向冲击荷载工况进行数值模拟，得到液压柱顶部水平位移曲线如图9(b)所示，中间与右侧液压柱顶部水平位移随冲击荷载不断增加而增大，左侧液压柱增加幅度相对较小。

图9 支架水平位移云图Fig.9 Nephogram of horizontal displacement of support

不同工况下防冲支架塑性应变云图如图10(a)～(e)所示，图中浅色部分为发生塑性应变区域，深色部分为未发生塑性应变区域。支架屈服面积曲线如图10(f)所示。

图10 支架屈服位置Fig.10 Yield positions of support

竖向冲击荷载50 MPa时，吸能支架发生变形时塑性应变云图如图11所示。由图11可知，液压柱上部为发生塑性变形的主要区域，其中中间液压柱连接处为塑性应变值最大处，最大值为2.3，其它工况下塑性变形最大值分别为2.0，2.1，2.2，2.28，2.3，这说明此处是防冲支架最易发生破坏的位置。

图11 支架等效塑性应变云图Fig.11 Equivalent plastic strain nephogram of support

3.2 支架与围岩间相互作用力分析

冲击地压发生时间短，释放能量大，在这一短暂过程中支架与巷道围岩体系受力状态也发生剧烈变化。文献[15]总结同等泊松比、埋深等地质条件下的峰值应力，因此在竖向施加1个50 MPa的荷载，冲击时间为0.02 s。在50 MPa竖向冲击荷载作用下支架底板与巷道围岩间作用力变化曲线如图12所示。

图12 支架底板反作用力曲线Fig.12 Counteracting force curve of support floor

由图12可知，冲击地压发生过程中，支架与围岩间相互作用力变化较大，总体可分为4个阶段，即振动段、平稳段、上升段、波动段。

冲击地压发生时间在0～1.8×10-3s范围内是振动段，该阶段支架与围岩间相互作用力高频振动调整，最大值为3.14×106N，频率约为2 000 Hz；冲击地压发生时间在1.8×10-3～7×10-3s范围内是平稳段，该阶段支架与围岩间相互作用力降低为0左右，轻微波动；冲击地压发生时间在7×10-3～8.5×10-3s范围内是上升段，该阶段支架与围岩间相互作用力值在短短1.5×10-3s时间内迅速增大到4.1×106N；冲击地压发生时间在8.5×10-3～2×10-2s为波动段，该阶段支架与围岩间相互作用力处于小幅变化波动调整阶段。

由此可见，冲击地压发生约2×10-2s极短时间内，支架与围岩间作用力发生剧烈的调整，主要是冲击地压发生迅速且冲击能量较大，支架与围岩体系受力状态转变调整过程的体现。

4 结论

1)在静载条件下，巷道易发生破坏的位置是巷道两侧拱肩及拱脚，且巷道右拱肩处应力与等效塑性应变值最大，此处是巷道最易发生破坏的位置。在静载工况下，吸能装置未发生塑性变形，满足其在防冲支架正常工作时不变形的条件，达到预定防冲效果。

2)动载条件下，随竖向荷载不断增大巷道两侧水平位移不断增大且左侧壁水平位移大于右侧壁，同时右侧拱肩处等效塑性应变值增大最明显，现场应加强对巷道拱肩、拱脚的支护。

3)动载条件下，随竖向荷载不断增大吸能防冲支架竖向位移、水平位移、塑性能不断增大，表明支架在应对竖向冲击荷载能起到很好的支护，支架中柱的中部套筒连接处是最易发生破坏的位置，需要对液压支柱中间套管连接处加强监控。

4)冲击地压发生过程中，支架与围岩间的相互作用力变化较大，可分为振动段、平稳段、上升段、波动段4个阶段。