劉少虹

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

隨著我國(guó)煤礦開采深度及強(qiáng)度的不斷增大，沖擊地壓災(zāi)害數(shù)目逐年增多。而采場(chǎng)圍巖的支護(hù)系統(tǒng)作為抵抗沖擊地壓發(fā)生的最后一道屏障，其作用至關(guān)重要。自2010年以來(lái)，內(nèi)蒙平莊古山煤礦開始出現(xiàn)沖擊地壓災(zāi)害，其中最為嚴(yán)重的一次，工作面上下兩巷均出現(xiàn)垮塌。事故發(fā)生后，古山礦優(yōu)化了支護(hù)方式，效果較為顯著。

關(guān)于采場(chǎng)圍巖支護(hù)的研究，康紅普，王金華[1]建立了煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)；鞠文君[2]分析了沖擊礦壓巷道錨桿支護(hù)原理；潘俊鋒等[3-4]將支護(hù)結(jié)構(gòu)納入到?jīng)_擊地壓發(fā)生機(jī)理中，建立了沖擊地壓?jiǎn)?dòng)理論；吳擁政，林健等[5-6]通過(guò)優(yōu)化支護(hù)構(gòu)件及材質(zhì)，提升了圍巖整體的支護(hù)質(zhì)量；潘一山等[7]提出了“提高支護(hù)剛度和快速吸能讓位支護(hù)”等沖擊地壓礦井巷道支護(hù)設(shè)計(jì)思路，并由此開發(fā)了一種新型防沖吸能液壓支架。王愛(ài)文等[8]建立了吸能支護(hù)圍巖在沖擊載荷作用下的力學(xué)模型，獲得了支護(hù)錨桿頂板位移阻抗函數(shù)的解析公式；高明仕，竇林名等[9]分析了錨桿變形對(duì)震動(dòng)波的適應(yīng)性，并計(jì)算了錨網(wǎng)支護(hù)吸能防沖能力；王桂峰等[10]對(duì)巷道支護(hù)的防沖能力進(jìn)行計(jì)算，并探討微震反求支護(hù)參數(shù)方法的可行性。

綜上所述，目前對(duì)于動(dòng)力顯現(xiàn)巷道支護(hù)系統(tǒng)抗沖擊能力的定量計(jì)算方法的研究尚有不足，因而不能準(zhǔn)確地比較支護(hù)方式間抵抗沖擊地壓能力的優(yōu)劣。這里基于沖擊啟動(dòng)理論，采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合，建立巷道支護(hù)系統(tǒng)抗沖擊能力的計(jì)算方法，對(duì)于沖擊地壓治理具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 支護(hù)系統(tǒng)抗沖擊能力計(jì)算原理

1.1 沖擊啟動(dòng)判據(jù)[3]

1.1.1 集中靜載荷型沖擊啟動(dòng)判據(jù)

巷道開挖后，兩幫圍巖內(nèi)形成支承壓力區(qū)。由廣義虎克定理，三向受力狀態(tài)下煤體彈性應(yīng)變能計(jì)算公式為：

(1)

式中，E為彈性模量，Pa；μ為泊松比；σ1，σ2，σ3為三向主應(yīng)力，Pa。

假設(shè)巷幫的極限平衡區(qū)處承載的彈性應(yīng)變能為EΩ0，它是巷道圍巖中彈性應(yīng)變能極大值。通常為巷道煤幫主承載區(qū)發(fā)生失穩(wěn)破壞，破壞條件是應(yīng)力超過(guò)單軸抗壓強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度即σ>σc或τ>τc，對(duì)應(yīng)的能量消耗準(zhǔn)則為

(2)

由此建立沖擊啟動(dòng)能量判據(jù)為

EΩ0-Ec>0

(3)

式中，EΩ0為支承壓力峰值區(qū)三向主應(yīng)力，Pa，代入式(1)求解。

1.1.2 集中動(dòng)載荷型沖擊啟動(dòng)判據(jù)

集中動(dòng)載荷型沖擊啟動(dòng)受工作面超前支承壓力和采場(chǎng)上覆堅(jiān)硬頂板垮斷共同影響。采場(chǎng)堅(jiān)硬頂板斷裂傳遞至煤壁極限平衡區(qū)的能量Ed由式(4)計(jì)算得：

Ed=Ed0R-η

(4)

式中，Ed0為頂板斷裂時(shí)震源能量，J；R為頂板斷裂震源至煤壁極限平衡區(qū)的距離，m；η為彈性波在煤巖介質(zhì)中傳播時(shí)能量衰減指數(shù)。

由此建立沖擊啟動(dòng)能量判據(jù)為

E0+Ed-Ec>0

(5)

1.2 支護(hù)系統(tǒng)抗沖擊能力計(jì)算原理

支護(hù)系統(tǒng)是阻擋沖擊地壓發(fā)生的最后一道屏障，從而“巷道圍巖支護(hù)系統(tǒng)究竟能抵抗多大程度的沖擊”就成為十分關(guān)鍵的問(wèn)題，以下對(duì)支護(hù)系統(tǒng)的吸能防沖能力進(jìn)行討論。由上述沖擊啟動(dòng)能量判據(jù)，當(dāng)外部動(dòng)、靜載荷的能量大于系統(tǒng)自身破壞所消耗的能量時(shí)，沖擊地壓就會(huì)發(fā)生。因此，沖擊地壓發(fā)生主要由支護(hù)系統(tǒng)破壞消耗的能量Ec、支護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部蘊(yùn)藏的彈性能E0以及支護(hù)系統(tǒng)受到的外部載荷能Et、沖出煤體所含有的動(dòng)能4部分決定，以下對(duì)前兩部分能量進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.2.1 支護(hù)系統(tǒng)耗散能量分析[11]

首先來(lái)看支護(hù)系統(tǒng)耗散能Ec。為了對(duì)Ec進(jìn)行計(jì)算，需要對(duì)支護(hù)能量進(jìn)行分析，并引入能量守恒、轉(zhuǎn)化以及彈性能做功理論。在沖擊地壓礦井混凝土噴層通常較薄，并不起承載作用，所吸收的能量也十分有限，這里忽略。支護(hù)系統(tǒng)就像在圍巖表面存在著許多小彈簧，包括了支護(hù)材料與材料間的煤巖體，如圖1所示。錨桿、索、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)屬于主動(dòng)支護(hù)形式，能夠?qū)ο锏绹鷰r產(chǎn)生支護(hù)力Fs(Pa)，與支護(hù)材料之間煤巖體形成支護(hù)結(jié)構(gòu)，且支護(hù)結(jié)構(gòu)還受到其外部煤巖體對(duì)它的壓力P(Pa)，如圖1所示。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

由于支護(hù)材料大多采用鋼材質(zhì)，發(fā)生塑性變形的過(guò)程較為短暫，認(rèn)為支護(hù)材料在受拉超過(guò)其彈性變形極限后立即發(fā)生破斷，即將沖擊地壓發(fā)生過(guò)程中，支護(hù)系統(tǒng)所消耗的能量Ec分為彈性變形和破斷兩部分加以考慮，如式(6)：

Ec=Wl+Wb+Wm

(6)

式中，Wl為支護(hù)結(jié)構(gòu)變形耗能，J；Wb為支護(hù)材料破斷耗能，J；Wm為煤巖體破壞耗能，J。

根據(jù)溫克爾(Winkler)假設(shè)，支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的合力Ft為

Ft=P-Fs=ζΔ

(7)

式中，ζ為支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛性系數(shù)，Pa/m；Δ為支護(hù)結(jié)構(gòu)的伸長(zhǎng)量，m。

此時(shí)由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的受拉伸長(zhǎng)所消耗的能量Wl為

dWl=Ftdx=(P-Fs)dx=ζxdx

(8)

由此可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)伸長(zhǎng)變形所消耗的最大能量Wlmax為

(9)

由于巖石的抗壓強(qiáng)度較低，則支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛性系數(shù)主要由鋼質(zhì)支護(hù)材料決定，由此可知

(10)

式中，Es為支護(hù)材料的彈性模量，Pa；As為支護(hù)材料的截面面積，m2；Lsf為支護(hù)材料的自由段長(zhǎng)度，m。

而支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大伸長(zhǎng)量Δmax，可由式(11)求得

Δmax=Lsfω

(11)

式中，ω為支護(hù)材料的延伸率，通常左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿的延伸率按8%計(jì)算，而錨索的延伸率按6%計(jì)算[1]。

將式(10)、(11)分別代入式(9)整理得到，支護(hù)材料受拉發(fā)生彈性變形而消耗能量的表達(dá)式

(12)

式中，nl為支護(hù)材料的數(shù)目，根。

以上部分主要對(duì)變形階段加以分析，接下來(lái)對(duì)支護(hù)材料在破斷階段所消耗的能量進(jìn)行討論。

沖擊地壓發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察發(fā)現(xiàn)，沖擊發(fā)生后支護(hù)材料大多被拉斷，因此材料破斷所消耗的能量Wb為

(13)

式中，σcs為支護(hù)材料的抗拉強(qiáng)度，Pa；Vb為支護(hù)材料自由段的體積，m3。

煤巖體破壞耗能Wm由式(14)求得

(14)

式中，σm為煤巖體的單軸抗拉強(qiáng)度，Pa；Em為煤巖體的彈性模量，Pa；Vm為沖出煤體的體積，m3。

最后，將式(12)、(13)、(14)代入式(6)可得支護(hù)系統(tǒng)耗散能Ec的計(jì)算公式

(15)

1.2.2 支護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部蘊(yùn)藏彈性能分析

由沖擊啟動(dòng)能量判據(jù)可知，集中動(dòng)載荷型和集中靜載荷型沖擊地壓外部能量源是不同的，但是無(wú)論哪種類型的沖擊，在發(fā)生過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)本身不但消耗能量，而且其內(nèi)部所蘊(yùn)藏的彈性能Ei也必然會(huì)釋放，這部分能量可由式(16)計(jì)算，其中彈性能密度ε可以通過(guò)將式(1)寫入到FLAC3D中求得，如圖2所示，以全錨索支護(hù)方案為例。

Ei=εVm

(16)

圖2 全錨索支護(hù)方案下彈性能分布

1.2.3 沖擊過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系

除了上述得出的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)蘊(yùn)藏的彈性能，沖擊發(fā)生所需其他能量均來(lái)自于支護(hù)結(jié)構(gòu)外的集中動(dòng)載源或集中靜載源，根據(jù)能量守恒定律得到?jīng)_擊地壓發(fā)生時(shí)的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系為

(17)

(18)

(19)

式中，Eu為支護(hù)系統(tǒng)受到的外部載荷能，J；Ey為沖出煤巖體具有的動(dòng)能，J；Ec為支護(hù)系統(tǒng)的耗散能，J；v0為煤體沖出的初始速度，m/s。

由上式即可得到各支護(hù)形式巷道發(fā)生沖擊所需的能量。

1.2.4 關(guān)于沖擊范圍的討論

沖擊地壓的發(fā)生范圍是另一個(gè)在計(jì)算巷道支護(hù)抗沖擊能力的影響因素。事實(shí)上，沖擊地壓范圍越小，沖擊時(shí)支護(hù)系統(tǒng)對(duì)能量消耗的越小，從而對(duì)外部載荷能的需求就越小，沖擊地壓就越容易發(fā)生。按照沖擊地壓發(fā)生范圍的大小分為輕度沖擊和強(qiáng)烈沖擊，本節(jié)首先對(duì)輕度沖擊地壓進(jìn)行討論，分析發(fā)生這種類型的沖擊所需能量的大小，以及沖出煤體的最大初始速度。以此為基礎(chǔ)，再對(duì)強(qiáng)烈沖擊地壓進(jìn)行討論。

首先看情況1，最為輕度的沖擊地壓是單根支護(hù)材料及其周圍煤巖體的損壞，圖3(a)為情況1的煤壁破壞范圍示意圖。此時(shí)，nl=1，Vm=4abdp，由式(19)可知，巷道臨界沖擊能量Eu的計(jì)算公式為

(20)

式中，a為支護(hù)材料的間距，m；b為支護(hù)材料的排距，m；dp為沖出煤體的深度，m。式(20)，當(dāng)v0=0即是發(fā)生輕度沖擊地壓情況1的臨界條件。

隨著外部載荷能逐漸升高，煤體沖出的初始速度逐漸增大。當(dāng)能量升高至可以將2根支護(hù)材料及其周圍煤巖體同時(shí)破壞時(shí)，就進(jìn)入情況2，圖3(b)為情況2的煤壁破壞范圍示意圖。此時(shí)，nl=2，Vm=6abdp，由式(19)可知，巷道臨界沖擊能量Eu的計(jì)算公式為

(21)

注意到，式(21)中v0=0時(shí)，即是情況1和情況2之間的臨界情況，這時(shí)將式(21)代入式(20)，進(jìn)行整理，能夠得到情況1的煤體沖出最大初速度v0max，如下：

(22)

情況3，如圖3(c)，nl=3，Vm=8abdp，情況3的巷道臨界沖擊能量Eu和情況2的沖出煤體最大初速度v0max，圖3(c)為情況3的煤壁破壞范圍示意圖，計(jì)算結(jié)果如下：

(23)

由上式，能夠得到情況2的煤體沖出最大初速度v0max，如下：

(24)

情況4，如圖3(d)，nl=4，Vm=9abdp，情況4的巷道臨界沖擊能量Eu和情況3的沖出煤體最大初速度v0max，圖3(d)為情況4的煤壁破壞范圍示意圖，計(jì)算結(jié)果如下：

(25)

由式(25)，能夠得到情況3的煤體沖出最大初速度v0max：

(26)

圖3 不同范圍的沖擊地壓發(fā)生示意

對(duì)強(qiáng)烈沖擊地壓進(jìn)行討論。這里的強(qiáng)烈沖擊地壓指的是巷幫或頂板整體發(fā)生沖擊，沖出煤體數(shù)量較多的情況。此時(shí)，煤體沖出的初始速度v0可以通過(guò)如下過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。

古山煤礦多采用直墻半圓拱形巷道，巷高H為3.5m，巷寬D為4.7m，考慮到巷道上部為拱形，計(jì)算中煤壁的高度取2.5m。對(duì)于巷幫沖擊地壓，情況1是v0=0時(shí)，此時(shí)是巷幫強(qiáng)烈沖擊發(fā)生的臨界狀態(tài)，用以計(jì)算臨界沖擊能量。情況2是煤壁1/2高度處煤體沖出至巷道中間位置時(shí)，可以認(rèn)為巷道一半空間被充填，如圖4(a)，此時(shí)每米巷道沖出煤體的體積為12.2m3，沖出煤體的碎脹系數(shù)取1.3，那么沖擊煤體的深度dp為3.7m。情況3是煤壁1/2高度處煤體沖出至巷道另一端時(shí)，可以認(rèn)為巷道約3/4的空間被充填，如圖4(b)，同理可計(jì)算出此時(shí)沖擊煤體的深度dp為5.55m。由此建立力學(xué)模型，求取煤體沖出的初始速度v0，如式(27)和式(28)。強(qiáng)烈沖擊地壓的沖出煤體深度大于錨桿長(zhǎng)度2.2m，說(shuō)明此時(shí)錨桿被整根沖出，其防沖效果較低。

圖4 巷幫沖擊地壓示意

(27)

(28)

由式(27)，(28)計(jì)算，得到巷幫沖擊地壓情況1的v0為6.65m/s，情況2的v0為13.3m/s。以此計(jì)算不同大小的外載能量導(dǎo)致的沖擊地壓強(qiáng)度。由式(19)，當(dāng)v0=0m/s時(shí)，求得不同支護(hù)形式巷道發(fā)生強(qiáng)烈沖擊地壓的臨界沖擊能量；對(duì)于巷幫沖擊地壓，v0=6.65m/s時(shí)，求得巷幫沖擊煤體將巷道1/2空間充填所需的外在能量；v0=13.3m/s時(shí)，求得巷幫沖擊煤體將巷道3/4充填所需的外載能量。而對(duì)于頂板沖擊地壓，只要當(dāng)煤體沖出即會(huì)對(duì)設(shè)備和人員產(chǎn)生較大傷害，因此僅對(duì)情況1，即v0=0m/s時(shí)，頂板強(qiáng)烈沖擊發(fā)生的臨界沖擊能量進(jìn)行計(jì)算。

強(qiáng)烈沖擊地壓發(fā)生的最小范圍是幫部或頂板上單排支護(hù)材料及其周圍煤巖體的沖出，由此能夠算出發(fā)生強(qiáng)烈沖擊的臨界沖擊能量。

以上是通過(guò)理論計(jì)算，探索各支護(hù)系統(tǒng)下不同類型沖擊地壓發(fā)生所需的能量，但是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中支護(hù)強(qiáng)度隨時(shí)間降低或局部煤體較為破碎等原因均會(huì)導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生所需的能量有所減少。因此，為了將理論計(jì)算結(jié)果更加地符合實(shí)際，這里將理論計(jì)算結(jié)果乘以安全系數(shù)0.8。

2 各支護(hù)方案抗沖擊能力計(jì)算

計(jì)算(方案一)全錨桿支護(hù)、(方案二)錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)和(方案三)全錨索支護(hù)的抗沖擊能力。由模擬結(jié)果，提取各支護(hù)方案的煤壁附近的頂?shù)装寮皟蓭蛦挝惑w積蘊(yùn)藏彈性能數(shù)值的平均值，如表1所示。

表1 各支護(hù)方案下巷道不同位置的彈性能密度 J/m3

2.1 全錨桿支護(hù)抗沖擊能力計(jì)算

2.1.1 計(jì)算參數(shù)

全錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)：錨桿為φ22mm×2200mm，錨固長(zhǎng)度不小于1000mm，間排距800mm×800mm，拉斷載荷1.36×105N，彈性模量200GPa；每排錨桿13根，其中頂錨桿5根，左右兩幫錨桿各4根。煤體：彈性模量4.0GPa，抗拉強(qiáng)度1.36MPa，密度1.3×103kg/m3。

2.1.2 抗沖擊能力計(jì)算

由1.2節(jié)的理論推導(dǎo)，得到每根錨桿變形所消耗的能量為2.919×105J，每個(gè)錨桿斷裂所消耗的能量為1.47×102J，單位體積的煤巖體破碎消耗的能量為2.31×102J。由表1可知，頂板及幫部支護(hù)系統(tǒng)的彈性能密度。

對(duì)于輕度沖擊地壓，將計(jì)算參數(shù)代入式(20)～(26)，可得到各種情況的抗沖擊能力，結(jié)果詳見表2。

表2 支護(hù)方案一抗輕度沖擊能力計(jì)算

對(duì)于強(qiáng)烈沖擊地壓，計(jì)算情況1(強(qiáng)沖擊發(fā)生的臨界狀態(tài))、情況2(強(qiáng)沖擊發(fā)生后1/2巷道被充填)、情況3(強(qiáng)沖擊發(fā)生后3/4巷道被充填)所需的沖擊能量。將計(jì)算參數(shù)代入式(19)，(27)，(28)，可得到各種情況的抗沖擊能力，結(jié)果詳見表3。

表3 支護(hù)方案一抗強(qiáng)烈沖擊能力計(jì)算

2.2 錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)抗沖擊能力計(jì)算

2.2.1 計(jì)算參數(shù)

錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)：錨桿為φ22mm ×2200mm，錨固長(zhǎng)度不小于1000mm，間排距800mm×800mm，拉斷載荷1.36×105N，彈性模量200GPa；每排錨桿13根，其中頂錨桿5根，左右兩幫錨桿各4根。錨索：頂錨索規(guī)格為φ21.8mm×5.3m，幫錨索規(guī)格為φ21.8mm×4.3m，拉斷載荷6.07×105N，彈性模量200GPa，每排3根或者4根，其中幫錨索2根，其余為頂錨索。煤體：彈性模量4.0GPa，抗拉強(qiáng)度1.36MPa，密度1.3×103kg/m3。

2.2.2 抗沖擊能力計(jì)算

由1.2節(jié)的理論推導(dǎo)，得到每根錨桿變形所消耗的能量為2.919×105J，每個(gè)錨桿斷裂所消耗的能量為1.47×102J；每根錨索變形所消耗的能量幫部為3.83×105J，頂部為6.38×105J，每根錨索斷裂所消耗的能量幫部為7.03×103J，頂板為1.17×104J；單位體積的煤巖體破碎消耗的能量為2.31×102J。由表1可知頂板及幫部，以及支護(hù)系統(tǒng)的彈性能密度。

相對(duì)于全錨桿支護(hù)，錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)在抵抗強(qiáng)烈沖擊地壓的能力上有所提高。但是由于錨索是局部補(bǔ)強(qiáng)，而輕度沖擊地壓往往發(fā)生在巷道局部薄弱區(qū)域，因此錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)在抗輕度沖擊的能力上與全錨桿支護(hù)一致，結(jié)果參照表2。

對(duì)于強(qiáng)烈沖擊地壓，由于沖擊范圍較大，錨索將會(huì)參與抗沖擊能力的計(jì)算，計(jì)算情況1(強(qiáng)沖擊發(fā)生的臨界狀態(tài))、情況2(強(qiáng)沖擊發(fā)生后1/2巷道被充填)、情況3(強(qiáng)沖擊發(fā)生后3/4巷道被充填)所需的沖擊能量，將計(jì)算參數(shù)代入式(19)，(27)，(28)，可得到各種情況的抗沖擊能力，結(jié)果詳見表4。

表4 支護(hù)方案二抗強(qiáng)烈沖擊能力計(jì)算

2.3 全錨索支護(hù)抗沖擊能力計(jì)算

2.3.1 計(jì)算參數(shù)

錨索：頂錨索規(guī)格為φ21.8mm×6.25m，幫錨索規(guī)格為φ21.8mm×4.3m，拉斷載荷6.07×105N，彈性模量200GPa，每排13根，其中頂錨索5根，幫錨索4根。煤體：彈性模量4.0GPa，抗拉強(qiáng)度1.36MPa，密度1.3×103kg/m3。

2.3.2 抗沖擊能力計(jì)算

由1.2節(jié)的理論推導(dǎo)，得到每根錨索變形所消耗的能量幫部為3.83×105J，頂部為6.45×105J，每根錨索斷裂所消耗的能量幫部為7.03×103J，頂板為1.17×104J；單位體積的煤巖體破碎消耗的能量為2.31×102J。由表1可知，頂板及幫部，支護(hù)系統(tǒng)的彈性能密度。

對(duì)于輕度沖擊地壓，將計(jì)算參數(shù)代入式(20)～(26)，可得到各種情況的抗沖擊能力，結(jié)果詳見表5。

表5 支護(hù)方案三抗輕度沖擊能力計(jì)算

對(duì)于強(qiáng)烈沖擊地壓，計(jì)算情況1(強(qiáng)沖擊發(fā)生的臨界狀態(tài))、情況2(強(qiáng)沖擊發(fā)生后1/2巷道被充填)、情況3(強(qiáng)沖擊發(fā)生后3/4巷道被充填)所需的沖擊能量。將計(jì)算參數(shù)代入式(19),(27),(28)，可得到各種情況的抗沖擊能力，結(jié)果詳見表6。

表6 支護(hù)方案三抗強(qiáng)烈沖擊能力計(jì)算

3 大傾角軟煤巷道支護(hù)的抗沖擊能力分析

依據(jù)上述理論計(jì)算結(jié)果，對(duì)各支護(hù)方案下巷道的抗沖擊能力進(jìn)行如下分析：

對(duì)于輕度和強(qiáng)烈沖擊地壓，全錨桿支護(hù)和錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的巷道頂板和兩幫的臨界沖擊能量、最大沖擊速度均相差較小，表明了這兩種支護(hù)形式下頂板和幫部的抗沖擊能力相差較小，并且?guī)筒亢晚敯宓臎_擊速度也較為相似；但是全錨索支護(hù)巷道的頂板的臨界沖擊能量是幫部沖擊能量的近2倍，表明了這種支護(hù)形式對(duì)于頂板沖擊的抵抗能力要遠(yuǎn)大于幫部沖擊。由圖2可知，古山煤礦巷道圍巖內(nèi)靜載彈性能主要位于頂?shù)装鍍?nèi)，也就是說(shuō)頂?shù)装逅枰惺艿臎_擊載荷會(huì)遠(yuǎn)大于巷道兩幫，說(shuō)明了全錨索支護(hù)更符合古山煤礦的原巖應(yīng)力及地質(zhì)條件。

對(duì)于輕度沖擊地壓，隨著發(fā)生范圍的逐漸增大，引發(fā)沖擊地壓的臨界能量在不斷增大，而最大沖擊速度逐漸降低，表明范圍越大的輕度沖擊地壓，支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)其的抵抗能力越強(qiáng)，且其發(fā)生強(qiáng)度越低。

對(duì)3種支護(hù)方案進(jìn)行縱向比較可知，隨著支護(hù)強(qiáng)度的增大，發(fā)生沖擊時(shí)煤體最大的沖出速度也相應(yīng)地增大，表明了支護(hù)強(qiáng)度的增大能夠更好地阻止沖擊地壓地發(fā)生，但是一旦沖擊發(fā)生，沖擊的強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)增大。巷道同一位置對(duì)輕度沖擊地壓的抵抗能力大小的排序是“全錨桿支護(hù)=錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)<全錨索支護(hù)”；而對(duì)強(qiáng)烈沖擊地壓的抵抗能力大小的排序是“全錨桿支護(hù)<錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)<全錨索支護(hù)”，表明了3種支護(hù)方案中全錨索支護(hù)抗沖擊能力最強(qiáng)。

4 結(jié) 論

(1)基于沖擊啟動(dòng)理論、彈性力學(xué)、能量轉(zhuǎn)化與守恒理論，建立了巷道支護(hù)的力學(xué)模型，定量計(jì)算了不同支護(hù)形式的巷道對(duì)輕度沖擊地壓以及強(qiáng)烈沖擊地壓的抵抗能力，并且得出了輕度沖擊發(fā)生的最大強(qiáng)度。

(2)基于計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得到全錨索支護(hù)抗沖擊能力最強(qiáng)，更符合古山煤礦的原巖應(yīng)力及地質(zhì)條件，適合古山煤礦大傾角軟煤巷道的抗沖擊支護(hù)方案。

(3)對(duì)巷道抗沖擊能量的計(jì)算，是基于巷道支護(hù)施工質(zhì)量良好，并且支護(hù)強(qiáng)度隨著時(shí)間流逝沒(méi)有下降來(lái)進(jìn)行的。而對(duì)于沖擊地壓礦井，需要對(duì)支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行定期檢查，發(fā)現(xiàn)支護(hù)薄弱環(huán)節(jié)及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)，以確保巷道圍巖保持較高的抗沖擊能力。