防冲液压支架在冲击倾向性巷道支护中的应用研究

李 岗，高 涛

（陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳 713500）

1 工程背景

1.1 工程概况

40309工作面位于三盘区，埋深531～731 m，设计开采4号煤层，煤层赋存连续完整，掘进过程中未发现大型断裂构造，煤层厚度19～28 m，煤层倾角0°～5°，煤层层位及结构简单稳定。40309工作面巷道顶底板物理力学参数见表1。

表1 巷道顶底板物理力学参数

1.2 工程问题

由工程概况可知，40309工作面巷道直接顶与底板稳定性较差，易发生变形破坏[1-4]，且顶板厚度变化不均，工作面整体稳定性较差[5]。因此，分析冲击倾向性工作面巷道失稳原因，并选取恰当的围岩控制方案显得尤为重要。

2 失稳原因及围岩控制方式

2.1 冲击矿压工作面巷道失稳原因

40309工作面巷道直接顶与底板稳定性较差，在较大的垂直地应力作用下工作面巷道顶底板积蓄大量变形能，当积蓄的变形能突然释放产生冲击矿压后，冲击载荷作用于工作面巷道围岩引发工作面巷道围岩的变形破坏；当冲击矿压产生的冲击动能瞬间作用于煤层时，工作面巷道受力激增，极易产生变形破坏。因此，需要通过降低冲击载荷的不良影响，进而保证工作面巷道的安全性、稳定性。

2.2 工作面巷道围岩控制方式

为降低冲击矿压导致的冲击载荷的不良影响，从防冲角度对40309工作面回风顺槽进行支护。普通的液压支架及工作面巷道支护形式在煤层受到静载荷作用时可以有效控制围岩变形，但对突发动载荷的控制较差，而防冲液压支架可以有效减缓动载荷对工作面巷道的不良影响。因此，采用防冲液压支架对40309工作面巷道进行支护。

3 防冲液压支架结构组成及工作原理

3.1 防冲液压支架的结构组成

防冲液压支架一般为两架成一组使用，每一架由前后两节组成，前节的中间梁与后节的伸缩梁相连，前架的底座后部与后架的底座前部通过移架千斤顶相连，前后架互为依托，达到移架的目的。图1为门式防冲液压支架结构图。

图1 门式防冲液压支架结构图

防冲液压支架由顶梁、底梁和液压支柱构成，顶梁是液压支架的主要承载部件之一，其变截面结构可以将载荷均匀作用于顶梁，提高顶梁抵抗破坏的能力；底座是支架的重要承载部件，将支架上部承受的顶板压应力作用传递至底板；液压系统由主进液管、主回液管、各种液压元件、立柱及各种用途的千斤顶组成，采用快速接头、U型卡及O型密封圈连接，拆装方便，性能可靠。

3.2 防冲液压支架的工作原理

防冲液压支架通过自身的吸能装置及吸能构件吸收突然作用于支架的冲击动能，降低支架承受的能量及外力。利用吸能装置的变形吸能作用保证支架在冲击载荷作用下正常支护。图2为门式吸能防冲液压支架3D效果图。

图2 门式吸能防冲液压支架3D效果图

由图2可知，门式吸能防冲液压支架三根支柱底部均存在吸能装置。冲击动载荷突然作用于支架上部时，吸能装置将能量积蓄在自身，大幅度减少传递至液压支架的能量，进而缓解液压支架受到冲击应力作用，有效降低液压支架在突发大动能作用下受到破坏的概率，保障工作面巷道围岩安全。

防冲液压支架实现防冲功能的核心构件是吸能构件。吸能构件在支架受静载荷作用时与液压支柱一起承担支架所受载荷的作用，当支架受到超过工作阻力的外力作用时，支架所受的超过工作阻力的那部分力由吸能构件通过开启安全阀进行排液泄压；当支架突然受到冲击矿压产生的传递至工作面的冲击载荷作用时，支架受力远大于工作阻力，安全阀无法及时泄压，吸能构件通过自身受力产生的形变吸收冲击动能，遏制冲击载荷对支架的整体破坏，使支架继续安全有效支护。图3为吸能构件的吸能机理图。

由图3所示，吸能构件预折纹设计的原理是通过折叠构件形状，增加能量在构件中的传送面积和体积，增加构件吸收的能量，并通过折叠的形状控制能量传输的方向，控制构件的变形部位。图4为预折叠杆结构图。

图3 吸能构件预折纹的吸能机理图

图4 预折叠杆结构图

由图4所示，假定材料是完全弹塑性材料，如果全正弦保持到杆屈服，那么塑性铰会出现在x=L/4或3L/4（L为杆长度）处。塑性铰链处杆体的抗弯与抗扭刚度远低于杆的其他部位，杆体塑性铰链处分担更多力，吸取更多的能量，产生较大的弯曲变形，阻止杆体受力变形为半正弦形状，杆体此刻可视为由两个塑性铰连接而成，也就是两个半正弦杆体相互连接，吸能远大于一个半正弦形态。

从防冲液压支架的工作原理可知，防冲液压支架的吸能让位功能可以有效遏制冲击载荷对工作面巷道的不良影响。选取ZQL2×3200/19/38型防冲液压支架提升巷道围岩稳定性。

4 防冲液压支架的应用与监测

4.1 回风顺槽超前支护方案

回风顺槽超前支护150 m，回风顺槽采用39台超前防冲液压支架支护137 m，其中回风顺槽采用2台ZQL2×3200/19/38六柱超前防冲液压支架支护10 m、35台ZQL2×3200/19/38中部防冲液压支架配合2台ZQL2×3200/19/38防冲液压支架（带绞车）支护127 m；“液压单体+铰接顶梁”超前单体支护13 m。

4.2 支护效果监测

为检验防冲液压支架对回风顺槽超前支护区段围岩的控制效果，在距工作面150 m处布置一组由三个测点组成的测站（三个测点分别位于巷道顶板中线，左、右两帮距底板1.5 m处），观测工作面回采期间巷道超前支护区段两帮移近量及顶板下沉量。下页图5为回风顺槽围岩变形监测图。

由图5可知：距工作面越近，回风顺槽的围岩变形值越大；顶板最大下沉值为93 mm，两帮最大移近量为76 mm；回风顺槽顶板下沉值与两帮移近量皆控制在100 mm以内。

图5 回风顺槽围岩变形监测图

5 结论

1）防冲液压支架吸能让位功能降低了冲击载荷对冲击倾向性工作面巷道围岩的冲击作用。

2）采用防冲液压支架可有效控制40309工作面回风顺槽超前支护区段巷道围岩变形。

3）回采期间回风顺槽超前支护区段的顶板与两帮变形量皆在100 mm以内。