許海亮,郭 旭,宋義敏,宋嘉祺,2,安 棟

(1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)淺層煤炭資源已逐漸枯竭，煤炭開(kāi)采形式逐漸轉(zhuǎn)向深部開(kāi)采[1]。隨開(kāi)采深度不斷增大，地層條件復(fù)雜，沖擊地壓引發(fā)嚴(yán)重事故[2-3]。通過(guò)對(duì)我國(guó)2 500余次破壞性沖擊地壓進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，90%以上的沖擊地壓發(fā)生在巷道內(nèi)[4-5]，沖擊地壓發(fā)生時(shí)瞬間釋放大量能量，導(dǎo)致圍巖突發(fā)性破壞失穩(wěn)，造成人員傷亡。吸能讓位防沖支護(hù)技術(shù)可有效保護(hù)人員和設(shè)備安全，已成為巷道沖擊地壓防災(zāi)減災(zāi)主要研究?jī)?nèi)容。

國(guó)內(nèi)外專家針對(duì)提高巷道穩(wěn)定性開(kāi)展大量研究后發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)可以提高沖擊地壓發(fā)生時(shí)的臨界應(yīng)力[6]，部分存在沖擊地壓災(zāi)害的礦井開(kāi)始對(duì)巷道進(jìn)行高強(qiáng)度支護(hù)，如單體液壓柱、門(mén)式液壓支架等[7-9]。強(qiáng)支護(hù)設(shè)備在一定程度上降低沖擊地壓發(fā)生概率，降低對(duì)巷道的破壞，但針對(duì)部分沖擊能量較大的地壓災(zāi)害仍無(wú)法避免。潘一山等[10]通過(guò)分析沖擊地壓巷道破壞原理和機(jī)理，建立圍巖-吸能材料-鋼支架沖擊吸能耦合支護(hù)模型，驗(yàn)證吸能耦合支護(hù)在巷道支護(hù)中的有效性；文獻(xiàn)[11-12]基于巷道圍巖-支護(hù)系統(tǒng)的靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)理論，提出防沖支護(hù)設(shè)計(jì)6項(xiàng)原則，研制具有吸能讓位功能的巷道防沖液壓支架，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得較好防沖效果；文獻(xiàn)[13-14]提出1種符合6項(xiàng)原則的折紋薄壁構(gòu)件作為吸能讓位液壓支架的核心吸能裝置，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行研究。

巷道吸能讓位防沖支護(hù)結(jié)構(gòu)通過(guò)與巷道圍巖的協(xié)同作用，即協(xié)同吸能、協(xié)同變形、協(xié)同支撐，有效提高沖擊地壓防治效果。本文以濟(jì)南某礦地質(zhì)條件為工程背景，采用數(shù)值計(jì)算方法建立吸能讓位防沖液壓支架與圍巖協(xié)同作用體系模型，計(jì)算支架和圍巖組合體系在靜載和沖擊載荷作用下力學(xué)狀態(tài)，以巷道在豎向和水平方向位移、等效塑性應(yīng)變以及吸能防沖支架在與圍巖協(xié)同變形過(guò)程中的塑性能、塑性應(yīng)變、位移等參數(shù)作為研究指標(biāo)，對(duì)支架與巷道圍巖協(xié)同作用進(jìn)行分析研究。

1 支護(hù)結(jié)構(gòu)與巷道圍巖組合體系模型建立

1.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)模型建立

本文利用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。吸能防沖支架由頂梁、立柱和底梁3個(gè)部分組成，頂梁由55個(gè)零件組成，立柱由87個(gè)零件組成，底梁由42個(gè)零件組，模型如圖1所示。模型整體采用殼單元，網(wǎng)格尺寸大小為35 mm，共劃分27 956個(gè)單元，屈服強(qiáng)度為550 MPa，彈性模量為203 GPa，泊松比為0.3。

圖1 液壓支架數(shù)值模型Fig.1 Numerical model diagram of hydraulic support

1.2 圍巖模型建立

依據(jù)濟(jì)南某礦實(shí)際工程地質(zhì)條件，建立細(xì)砂巖-煤-粗砂巖地層結(jié)構(gòu)模型，巖層及巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。查閱資料可知，圍巖受巷道影響范圍約為巷道面積的4倍，因此建立圍巖截面為邊長(zhǎng)22.5 m的正方形，厚度0.5 m，煤層高度7.5 m，傾向35°，圍巖底部完全固定。

表1 巖層及巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of strata and rock

巷道采用實(shí)體單元建模，網(wǎng)格尺寸45 mm，共劃分199 787個(gè)單元，建立組合體系模型如圖2所示。巷道在圍巖中的深度約500 m，圍巖密度為2 000 kg/m3(g取10 m/s2)，在模型兩側(cè)施加水平應(yīng)力如圖2(b)所示。根據(jù)式(1)計(jì)算此深度巷道需要承受豎向應(yīng)力為10 MPa：

σv=ρgh

(1)

圖2 圍巖-支架模型Fig.2 Model of wall rock-support

式中：h為巷道埋深，m；ρ為圍巖密度,kg/m3；g為重力加速度,m/s2；σv為圍巖豎向應(yīng)力,Pa。

2 靜載作用下防沖支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間作用

分別取豎向應(yīng)力的0.5，0.75，1，1.25，1.5倍，模擬不同工況下的圍巖應(yīng)力(簡(jiǎn)稱圍壓比)。圍壓比1.5工況下，圍巖整體Mises應(yīng)力云圖如圖3(a)所示，巷道向四周偏移0.2 m的Mises應(yīng)力云圖如圖3(b)所示。由圖3可知，巷道拱肩與拱腳部位應(yīng)力較為集中。為方便觀察，提取拱肩與拱腳4個(gè)部位的Mises應(yīng)力及等效塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)，Mises應(yīng)力與巷道等效塑性應(yīng)變隨圍壓比變化如圖4所示。由圖4可知，巷道Mises應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變均隨圍壓比的增加而增加，其中右拱肩增長(zhǎng)速度相對(duì)較快，表明當(dāng)豎向荷載不變時(shí)，巷道隨水平荷載增加更易發(fā)生破壞，其中右拱肩位置最易發(fā)生破壞，與現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生破壞位置一致。

圖3 巷道Mises應(yīng)力云圖Fig.3 Mises stress nephogram of roadway

圖4 巷道Mises應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變曲線Fig.4 Strain curves of roadway Mises stress and equivalent plastic

以圍壓比為1.5的工況為例，防沖支架豎向位移云圖如圖 5(a)所示，防沖支架豎向位移最大值為13.5 mm，中柱吸能裝置豎向位移最大，豎向位移為8.7 mm；支架Mises應(yīng)力云圖如圖5(b)所示，支架應(yīng)力較大值出現(xiàn)在液壓柱中間連接部分，其它部分應(yīng)力相對(duì)較小，與現(xiàn)有液壓支護(hù)中液壓柱破壞位置一致。

圖5 吸能防沖支架豎向位移、Mises應(yīng)力云圖Fig.5 Vertical displacement and Mises stress cloud of energy-absorbing anti-surge bracket

其余工況下豎向位移與Mises應(yīng)力均小于此工況，表明支架在埋深500 m處可以正常工作。

3 沖擊荷載作用下防沖支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間作用研究

3.1 豎向沖擊荷載作用影響

在圍壓比為1.5的靜載模型基礎(chǔ)上，施加豎向沖擊荷載研究防沖支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間的作用關(guān)系。豎直方向分別施加大小為30，35，40，45，50 MPa荷載，沖擊時(shí)間為0.025 s，模擬沖擊地壓的發(fā)生。

1)豎向沖擊荷載對(duì)圍巖作用影響

豎向沖擊荷載為50 MPa時(shí)，巷道水平位移云圖如圖6所示。由圖6可知，巷道頂板與底板水平位移較小，但巷道側(cè)壁水平位移較大。通過(guò)對(duì)不同豎向沖擊荷載工況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨豎向沖擊荷載增加，巷道兩側(cè)水平位移均不斷增加，頂板、底板水平位移較小。當(dāng)豎向沖擊載荷為30，35，40，45，50 MPa時(shí)，巷道左側(cè)壁水平位移大于右側(cè)壁水平位移，左側(cè)壁水平位移最大處在中間部分，水平位移最大值分別為36.0，45.6，54.5，62.9，71.3 mm；右側(cè)壁水平位移最大處在中間部分，水平位移最大值分別為29.3，32.2，34.2，35.4，36.5 mm。

圖6 巷道水平位移云圖Fig.6 Nephogram of horizontal displacement of roadway

對(duì)不同豎向沖擊荷載工況進(jìn)行數(shù)值模擬可知，當(dāng)豎向沖擊荷載為30，35，40，45，50 MPa時(shí)，頂板中部為巷道豎向位移最大處其豎向位移分別為260，332，402，467，530 mm。巷道豎向沖擊荷載50 MPa工況下巷道豎向位移矢量圖如圖7所示。

圖7 50 MPa下巷道豎向位移矢量圖Fig.7 Vector diagram of vertical displacement of roadway under 50 MPa

豎向沖擊荷載為50 MPa工況下，巷道塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖8(a)所示，巷道2個(gè)拱肩與左側(cè)拱腳塑性應(yīng)變較大。為進(jìn)一步分析，提取不同工況下巷道4個(gè)角的塑性應(yīng)變值如圖8(b)所示，隨豎向沖擊荷載增加，拱肩塑性應(yīng)變不斷增加，其中右拱肩塑性應(yīng)變相對(duì)最大，拱腳塑性應(yīng)變無(wú)明顯變化，巷道右側(cè)拱肩最容易發(fā)生破壞。

圖8 巷道等效塑性應(yīng)變?cè)茍D與曲線Fig.8 Equivalent plastic strain clouds and curves of the roadway

2)豎向沖擊荷載對(duì)支架作用影響研究

巷道豎向沖擊荷載50 MPa工況下，吸能防沖支架水平位移云圖如圖9(a)所示，防沖支架液壓柱上部存在不同程度的水平位移。為進(jìn)一步研究，對(duì)不同豎向沖擊荷載工況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到液壓柱頂部水平位移曲線如圖9(b)所示，中間與右側(cè)液壓柱頂部水平位移隨沖擊荷載不斷增加而增大，左側(cè)液壓柱增加幅度相對(duì)較小。

圖9 支架水平位移云圖Fig.9 Nephogram of horizontal displacement of support

不同工況下防沖支架塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖10(a)～(e)所示，圖中淺色部分為發(fā)生塑性應(yīng)變區(qū)域，深色部分為未發(fā)生塑性應(yīng)變區(qū)域。支架屈服面積曲線如圖10(f)所示。

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

豎向沖擊荷載50 MPa時(shí)，吸能支架發(fā)生變形時(shí)塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖11所示。由圖11可知，液壓柱上部為發(fā)生塑性變形的主要區(qū)域，其中中間液壓柱連接處為塑性應(yīng)變值最大處，最大值為2.3，其它工況下塑性變形最大值分別為2.0，2.1，2.2，2.28，2.3，這說(shuō)明此處是防沖支架最易發(fā)生破壞的位置。

圖11 支架等效塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.11 Equivalent plastic strain nephogram of support

3.2 支架與圍巖間相互作用力分析

沖擊地壓發(fā)生時(shí)間短，釋放能量大，在這一短暫過(guò)程中支架與巷道圍巖體系受力狀態(tài)也發(fā)生劇烈變化。文獻(xiàn)[15]總結(jié)同等泊松比、埋深等地質(zhì)條件下的峰值應(yīng)力，因此在豎向施加1個(gè)50 MPa的荷載，沖擊時(shí)間為0.02 s。在50 MPa豎向沖擊荷載作用下支架底板與巷道圍巖間作用力變化曲線如圖12所示。

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

由圖12可知，沖擊地壓發(fā)生過(guò)程中，支架與圍巖間相互作用力變化較大，總體可分為4個(gè)階段，即振動(dòng)段、平穩(wěn)段、上升段、波動(dòng)段。

沖擊地壓發(fā)生時(shí)間在0～1.8×10-3s范圍內(nèi)是振動(dòng)段，該階段支架與圍巖間相互作用力高頻振動(dòng)調(diào)整，最大值為3.14×106N，頻率約為2 000 Hz；沖擊地壓發(fā)生時(shí)間在1.8×10-3～7×10-3s范圍內(nèi)是平穩(wěn)段，該階段支架與圍巖間相互作用力降低為0左右，輕微波動(dòng)；沖擊地壓發(fā)生時(shí)間在7×10-3～8.5×10-3s范圍內(nèi)是上升段，該階段支架與圍巖間相互作用力值在短短1.5×10-3s時(shí)間內(nèi)迅速增大到4.1×106N；沖擊地壓發(fā)生時(shí)間在8.5×10-3～2×10-2s為波動(dòng)段，該階段支架與圍巖間相互作用力處于小幅變化波動(dòng)調(diào)整階段。

由此可見(jiàn)，沖擊地壓發(fā)生約2×10-2s極短時(shí)間內(nèi)，支架與圍巖間作用力發(fā)生劇烈的調(diào)整，主要是沖擊地壓發(fā)生迅速且沖擊能量較大，支架與圍巖體系受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變調(diào)整過(guò)程的體現(xiàn)。

4 結(jié)論

1)在靜載條件下，巷道易發(fā)生破壞的位置是巷道兩側(cè)拱肩及拱腳，且巷道右拱肩處應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變值最大，此處是巷道最易發(fā)生破壞的位置。在靜載工況下，吸能裝置未發(fā)生塑性變形，滿足其在防沖支架正常工作時(shí)不變形的條件，達(dá)到預(yù)定防沖效果。

2)動(dòng)載條件下，隨豎向荷載不斷增大巷道兩側(cè)水平位移不斷增大且左側(cè)壁水平位移大于右側(cè)壁，同時(shí)右側(cè)拱肩處等效塑性應(yīng)變值增大最明顯，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)巷道拱肩、拱腳的支護(hù)。

3)動(dòng)載條件下，隨豎向荷載不斷增大吸能防沖支架豎向位移、水平位移、塑性能不斷增大，表明支架在應(yīng)對(duì)豎向沖擊荷載能起到很好的支護(hù)，支架中柱的中部套筒連接處是最易發(fā)生破壞的位置，需要對(duì)液壓支柱中間套管連接處加強(qiáng)監(jiān)控。

4)沖擊地壓發(fā)生過(guò)程中，支架與圍巖間的相互作用力變化較大，可分為振動(dòng)段、平穩(wěn)段、上升段、波動(dòng)段4個(gè)階段。