李 崗，高 濤

（陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500）

1 工程背景

1.1 工程概況

40309工作面位于三盤區(qū)，埋深531～731 m，設計開采4號煤層，煤層賦存連續(xù)完整，掘進過程中未發(fā)現(xiàn)大型斷裂構(gòu)造，煤層厚度19～28 m，煤層傾角0°～5°，煤層層位及結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定。40309工作面巷道頂?shù)装逦锢砹W參數(shù)見表1。

表1 巷道頂?shù)装逦锢砹W參數(shù)

1.2 工程問題

由工程概況可知，40309工作面巷道直接頂與底板穩(wěn)定性較差，易發(fā)生變形破壞[1-4]，且頂板厚度變化不均，工作面整體穩(wěn)定性較差[5]。因此，分析沖擊傾向性工作面巷道失穩(wěn)原因，并選取恰當?shù)膰鷰r控制方案顯得尤為重要。

2 失穩(wěn)原因及圍巖控制方式

2.1 沖擊礦壓工作面巷道失穩(wěn)原因

40309工作面巷道直接頂與底板穩(wěn)定性較差，在較大的垂直地應力作用下工作面巷道頂?shù)装宸e蓄大量變形能，當積蓄的變形能突然釋放產(chǎn)生沖擊礦壓后，沖擊載荷作用于工作面巷道圍巖引發(fā)工作面巷道圍巖的變形破壞；當沖擊礦壓產(chǎn)生的沖擊動能瞬間作用于煤層時，工作面巷道受力激增，極易產(chǎn)生變形破壞。因此，需要通過降低沖擊載荷的不良影響，進而保證工作面巷道的安全性、穩(wěn)定性。

2.2 工作面巷道圍巖控制方式

為降低沖擊礦壓導致的沖擊載荷的不良影響，從防沖角度對40309工作面回風順槽進行支護。普通的液壓支架及工作面巷道支護形式在煤層受到靜載荷作用時可以有效控制圍巖變形，但對突發(fā)動載荷的控制較差，而防沖液壓支架可以有效減緩動載荷對工作面巷道的不良影響。因此，采用防沖液壓支架對40309工作面巷道進行支護。

3 防沖液壓支架結(jié)構(gòu)組成及工作原理

3.1 防沖液壓支架的結(jié)構(gòu)組成

防沖液壓支架一般為兩架成一組使用，每一架由前后兩節(jié)組成，前節(jié)的中間梁與后節(jié)的伸縮梁相連，前架的底座后部與后架的底座前部通過移架千斤頂相連，前后架互為依托，達到移架的目的。圖1為門式防沖液壓支架結(jié)構(gòu)圖。

圖1 門式防沖液壓支架結(jié)構(gòu)圖

防沖液壓支架由頂梁、底梁和液壓支柱構(gòu)成，頂梁是液壓支架的主要承載部件之一，其變截面結(jié)構(gòu)可以將載荷均勻作用于頂梁，提高頂梁抵抗破壞的能力；底座是支架的重要承載部件，將支架上部承受的頂板壓應力作用傳遞至底板；液壓系統(tǒng)由主進液管、主回液管、各種液壓元件、立柱及各種用途的千斤頂組成，采用快速接頭、U型卡及O型密封圈連接，拆裝方便，性能可靠。

3.2 防沖液壓支架的工作原理

防沖液壓支架通過自身的吸能裝置及吸能構(gòu)件吸收突然作用于支架的沖擊動能，降低支架承受的能量及外力。利用吸能裝置的變形吸能作用保證支架在沖擊載荷作用下正常支護。圖2為門式吸能防沖液壓支架3D效果圖。

圖2 門式吸能防沖液壓支架3D效果圖

由圖2可知，門式吸能防沖液壓支架三根支柱底部均存在吸能裝置。沖擊動載荷突然作用于支架上部時，吸能裝置將能量積蓄在自身，大幅度減少傳遞至液壓支架的能量，進而緩解液壓支架受到?jīng)_擊應力作用，有效降低液壓支架在突發(fā)大動能作用下受到破壞的概率，保障工作面巷道圍巖安全。

防沖液壓支架實現(xiàn)防沖功能的核心構(gòu)件是吸能構(gòu)件。吸能構(gòu)件在支架受靜載荷作用時與液壓支柱一起承擔支架所受載荷的作用，當支架受到超過工作阻力的外力作用時，支架所受的超過工作阻力的那部分力由吸能構(gòu)件通過開啟安全閥進行排液泄壓；當支架突然受到?jīng)_擊礦壓產(chǎn)生的傳遞至工作面的沖擊載荷作用時，支架受力遠大于工作阻力，安全閥無法及時泄壓，吸能構(gòu)件通過自身受力產(chǎn)生的形變吸收沖擊動能，遏制沖擊載荷對支架的整體破壞，使支架繼續(xù)安全有效支護。圖3為吸能構(gòu)件的吸能機理圖。

由圖3所示，吸能構(gòu)件預折紋設計的原理是通過折疊構(gòu)件形狀，增加能量在構(gòu)件中的傳送面積和體積，增加構(gòu)件吸收的能量，并通過折疊的形狀控制能量傳輸?shù)姆较?，控制?gòu)件的變形部位。圖4為預折疊桿結(jié)構(gòu)圖。

圖3 吸能構(gòu)件預折紋的吸能機理圖

圖4 預折疊桿結(jié)構(gòu)圖

由圖4所示，假定材料是完全彈塑性材料，如果全正弦保持到桿屈服，那么塑性鉸會出現(xiàn)在x=L/4或3L/4（L為桿長度）處。塑性鉸鏈處桿體的抗彎與抗扭剛度遠低于桿的其他部位，桿體塑性鉸鏈處分擔更多力，吸取更多的能量，產(chǎn)生較大的彎曲變形，阻止桿體受力變形為半正弦形狀，桿體此刻可視為由兩個塑性鉸連接而成，也就是兩個半正弦桿體相互連接，吸能遠大于一個半正弦形態(tài)。

從防沖液壓支架的工作原理可知，防沖液壓支架的吸能讓位功能可以有效遏制沖擊載荷對工作面巷道的不良影響。選取ZQL2×3200/19/38型防沖液壓支架提升巷道圍巖穩(wěn)定性。

4 防沖液壓支架的應用與監(jiān)測

4.1 回風順槽超前支護方案

回風順槽超前支護150 m，回風順槽采用39臺超前防沖液壓支架支護137 m，其中回風順槽采用2臺ZQL2×3200/19/38六柱超前防沖液壓支架支護10 m、35臺ZQL2×3200/19/38中部防沖液壓支架配合2臺ZQL2×3200/19/38防沖液壓支架（帶絞車）支護127 m；“液壓單體+鉸接頂梁”超前單體支護13 m。

4.2 支護效果監(jiān)測

為檢驗防沖液壓支架對回風順槽超前支護區(qū)段圍巖的控制效果，在距工作面150 m處布置一組由三個測點組成的測站（三個測點分別位于巷道頂板中線，左、右兩幫距底板1.5 m處），觀測工作面回采期間巷道超前支護區(qū)段兩幫移近量及頂板下沉量。下頁圖5為回風順槽圍巖變形監(jiān)測圖。

由圖5可知：距工作面越近，回風順槽的圍巖變形值越大；頂板最大下沉值為93 mm，兩幫最大移近量為76 mm；回風順槽頂板下沉值與兩幫移近量皆控制在100 mm以內(nèi)。

圖5 回風順槽圍巖變形監(jiān)測圖

5 結(jié)論

1）防沖液壓支架吸能讓位功能降低了沖擊載荷對沖擊傾向性工作面巷道圍巖的沖擊作用。

2）采用防沖液壓支架可有效控制40309工作面回風順槽超前支護區(qū)段巷道圍巖變形。

3）回采期間回風順槽超前支護區(qū)段的頂板與兩幫變形量皆在100 mm以內(nèi)。