徐連滿，馬 柳，姜笑楠，路凱旋，肖永惠，朱麗媛

(1.遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036；2.遼寧大學(xué) 物理學(xué)院，遼寧 沈陽 110036)

0 引 言

巷道支護一直是沖擊地壓礦井開采過程中十分重要的問題，隨著煤礦開采向深部發(fā)展，巷道支護問題越來越突出。要維護巷道在生產(chǎn)期間的安全，就要發(fā)展沖擊地壓礦井的巷道支護理論，提高沖擊地壓礦井巷道支護的抗沖、防沖能力[1-2]。沖擊地壓產(chǎn)生的沖擊能部分以沖擊應(yīng)力波的形式通過煤巖介質(zhì)向巷道中傳播，通過巷道圍巖傳遞至巷道支護上，沖擊地壓發(fā)生過程中，巷道圍巖對巷道支護的高圍巖壓力直接導(dǎo)致巷道支護變形破壞[3-4]。

掌握作用于巷道支護上的沖擊載荷特征及巷道支架的動力響應(yīng)是提高巷道支護抗沖擊性能的關(guān)鍵。沖擊地壓載荷作用下巷道圍巖與支護相互作用，相互影響，了解沖擊載荷下巷道圍巖與支護相互作用關(guān)系，是發(fā)展巷道防沖支護技術(shù)、降低沖擊地壓巷道支護破壞的基礎(chǔ)。李祁等[5]應(yīng)用FLAC3D軟件分析了井下巷道在沖擊載荷作用下的速度響應(yīng)和應(yīng)力、位移演化規(guī)律，以及沖擊波在支護圍巖體系中的傳播及衰減規(guī)律；潘一山等[1]建立了沖擊地壓作用下的巷道圍巖與支護響應(yīng)的動力學(xué)模型，提出了沖擊地壓礦井巷道支護設(shè)計的2個新思路。王巖[6]建立了動靜載耦合作用下的數(shù)值模擬,對巷道支護方案進行沖擊載荷模擬；王正義等[7]建立平面 P 波與圓形錨固巷道相互作用簡化模型，研究了 P 波作用下錨固巷道圍巖與錨桿動態(tài)響應(yīng)規(guī)律。目前針對O型棚支架沖擊載荷特性及動力響應(yīng)的相關(guān)研究較少，且O型棚支架合理的支護需要確定支護力的大小，其各種因素的本構(gòu)關(guān)系過于復(fù)雜，涉及的各種參數(shù)甚多，計算非常復(fù)雜和困難，目前相關(guān)理論也尚不完備。

基于此，筆者分析了作用于巷道支護上的沖擊載荷特征，建立了沖擊載荷下O型棚支架的動力學(xué)方程，得到了沖擊載荷作用下巷道O型棚支架的動力響應(yīng)，并指導(dǎo)了某沖擊地壓礦井O型棚支架參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，為研究吸能防沖O型棚支架以及科學(xué)設(shè)計O型棚支架參數(shù)提供依據(jù)。

1 巷道支護體沖擊載荷特征

沖擊地壓產(chǎn)生的沖擊能部分以沖擊應(yīng)力波的形式通過煤巖介質(zhì)向巷道中傳播，通過巷道圍巖傳遞至巷道支護上，沖擊應(yīng)力波對巷道支護的影響可分為2個方面：①力效應(yīng)，表現(xiàn)為巷道圍巖作用在巷道支護上的壓力和拉力[8]；②應(yīng)力效應(yīng)，指沖擊應(yīng)力波從煤巖介質(zhì)傳遞到巷道支護上，引起巷道支護產(chǎn)生變形振動，進而造成巷道支護的變形振動破壞。沖擊地壓過程短暫，沖擊載荷作用在支架上的時間極短，并會引起巷道持續(xù)振動幾秒到幾十秒。沖擊地壓對巷道支護的沖擊振動不同于一般的地震，有著自身的特點。

波蘭的NIEROBISZ[9]通過連續(xù)測試架設(shè)在回采工作面前方巷道中的摩擦金屬支柱的承載力，得到了沖擊載荷作用時巷道支柱的承載力變化特征。潘一山等[10]研究發(fā)現(xiàn)沖擊載荷還會引起巷道支護的振動，若其引起的巷道支護振動頻率接近支護結(jié)構(gòu)固有頻率，還會使支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，造成巷道支護更大的變形破壞。大量現(xiàn)場監(jiān)測表明支護承載力較沖擊前會有所增加，但也可能低于沖擊前靜載條件下支撐力，因此沖擊地壓巷道支護要具備抗動載沖擊性能，就必須利用吸能材料和構(gòu)件的緩沖減振特性，降低沖擊載荷作用于巷道支護的沖擊力峰值，保護巷道支護主體的完整穩(wěn)定性[11-14]。

對沖擊地壓釋放能量、巷道支護到?jīng)_擊源距離和沖擊時支護承載力峰值三者之間的關(guān)系進行研究，發(fā)現(xiàn)沖擊地壓發(fā)生時，沖擊源距支護越近，釋放到巷道中的能量越大，支護的承載力增長率就越大，反之支護的承載力增長率越小，其關(guān)系如圖1所示[9]。

k—承載力增長率；Es—沖擊地壓釋放能量值；R—沖擊源到支柱距離

由此可以說明，沖擊能在煤巖介質(zhì)里面?zhèn)鬟f的過程中，衰減迅速，當(dāng)沖擊源距巷道達到一定值時，沖擊地壓產(chǎn)生的沖擊載荷對支護的作用力基本可以忽略不計；巷道圍巖的吸能量有限，當(dāng)沖擊能達到一定值后，沖擊地壓產(chǎn)生的沖擊載荷對支護的作用力快速增長[15-16]。要降低沖擊地壓對支護的沖擊壓力，可通過爆破松動和注水軟化等技術(shù)，使沖擊源向煤層深部轉(zhuǎn)移，增加圍巖的吸能量[17-19]。

2 巷道支架的動力響應(yīng)

沖擊地壓作用下的O型棚支架設(shè)計，不僅要考慮沖擊載荷對O型棚支架的拉壓力，還應(yīng)考慮沖擊地壓引起的O型棚支架振動問題，避免O型棚支架發(fā)生共振，造成支架內(nèi)產(chǎn)生較大變形和動應(yīng)力。

老虎臺礦、躍進礦等沖擊地壓礦井巷道圍巖破碎，常出現(xiàn)底鼓、片幫和冒頂?shù)痊F(xiàn)象，巷道變形較嚴(yán)重，通常采用圓形U型鋼支架復(fù)合支護。因此以圓形巷道為例，開展沖擊地壓載荷下O型棚的動力響應(yīng)規(guī)律研究。假設(shè)巷道內(nèi)O型棚支架與巷道圍巖之間使用均勻密實的填充物填充，O型棚與巷道壁煤巖體緊密接觸，填充物為黏彈性介質(zhì)，則可將填充層視為巷道內(nèi)O型棚支架與圍巖介質(zhì)間的一個彈性介質(zhì)層，將巷道內(nèi)金屬支架視為彈性梁[20]。在沖擊地壓的沖擊載荷作用下，圍巖煤巖體向巷道方向移動，引起巷道內(nèi)O型棚支架的變形，并使O型棚支架產(chǎn)生相應(yīng)的支護阻力。將O型棚支架離散為有限個有限自由度的等直桿單元[21]。

O型棚支架半徑為Ro，將O型棚支架離散為N段等長度剛性直桿單元，每個桿單元質(zhì)量為m，桿單元之間通過彈塑性鉸鏈連接，桿單元間的彎矩為Mi(i為第i段桿)，由桿間的相對轉(zhuǎn)角Δφi決定，則桿單元間的彎矩Mi可寫成如下形式。

(1)

支架的屈服破壞條件為

(2)

其中，Δφult為極限位移角。沖擊載荷作用下O型棚支架對巷道圍巖的支護阻力分為2部分，即徑向作用力和環(huán)向作用力[10]。

(3)

1)幾何關(guān)系方程。O型棚支架第i段弧形桿單元在給定的時刻t的變形狀態(tài)如圖2和圖3所示，uxi，uyi為該段弧形桿單元的中心相對于初始狀態(tài)的O型棚支架中心的位移，φi為支架弧形單元的瞬時角位移。

圖2 桿單元瞬時變形狀態(tài)

圖3 桿單元相對轉(zhuǎn)角

(4)

其中，N為整架O型棚的U型鋼段數(shù)?；⌒螚U單元的2個端點的坐標(biāo)(Axi,Ayi)、(Bxi，Byi)分別為

(5)

由支架各段節(jié)點的連續(xù)性可知Axi=Bxi+1，Ayi=Byi+1，則式(5)可以寫成

(6)

式中：i=1，…，N-1。

因此，任意一桿單元(i=1，…，N-1)的位移都可以由第 1 個桿單元中心位移和該桿單元轉(zhuǎn)角值求得，即

(7)

巷道O型棚支架為一全封閉形狀，則有uxN+1=ux1，uyN+1=uy1，根據(jù)該連續(xù)條件可得

(8)

由此可得到整個支架的中心位移，并可簡化為

(9)

由式(8)可知

(10)

將式(9)、(10)代入到(7)中，可得到單個桿單元的中心坐標(biāo)位移為：

(11)

桿單元相對角位移如圖3所示，為

Δφi=φi-φi-1(i=1,…,N;φ0=φN)

2)運動方程。圍巖沖擊載荷作用下，t時刻單個桿單元受力狀態(tài)如圖4，其中Xi，Yi為鉸鏈節(jié)點作用力，Mi為鉸鏈節(jié)點彎矩，F(xiàn)ri，F(xiàn)τi，M0i分別為圍巖作用在O型棚支架單元表面上的徑向載荷、切向載荷和極限屈服彎矩。則

m—每個弧形桿單元質(zhì)量；弧形桿單元質(zhì)心y軸方向加速度；弧形桿單元質(zhì)心x軸方向加速度；I—弧形桿單元相對于其瞬心的質(zhì)量慣性矩；弧形桿單元瞬心角加速度；弧形桿單元任意點絕對角位移

(12)

(13)

O型棚支架整體的運動方程為：

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

將式(11)代入到式(19)中可得

(20)

式中，

(21)

(22)

3)方程求解過程。不考慮圍巖對O型棚支架的初始靜壓力，令其等于0。O型棚支架的初始狀態(tài)方程為

(23)

方程(8)可以改寫成如下形式

(24)

(25)

式中，E為單位列向量。

式(25)為關(guān)于桿單元的角加速度的線性方程組，可用直接微分法對桿單元的鉸接點進行逐步回歸計算。

對方程(25)進行減法運算，可得到下式：

(26)

式中，

由[ΔJ](去掉第一行)可以導(dǎo)出下面的角加速度的遞推公式：

(27)

(28)

將式(28)代入到式(3)中，可以得到圍巖作用在O型棚支架的壓力，進而計算出O型棚支架的內(nèi)力與彎矩。

因此可知O型棚支架剛度對支架動力響應(yīng)影響較大，剛度越高，支架振動頻率越小，合理的支架剛度對有利于提高支架的抗沖擊性能；對沖擊載荷持續(xù)作用時間進行分析，發(fā)現(xiàn)支架變形與沖擊載荷作用時間密切相關(guān)，隨著沖擊載荷作用時間的增加，O型棚支架的彎曲變形逐漸減小。

3 O型棚支架參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

某沖擊地壓礦井隨著開采深度的增加，沖擊地壓次數(shù)逐漸增加，巷道破壞程度愈加嚴(yán)重，據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，平均每年沖擊地壓次數(shù)近90次，破壞巷道長度約950 m。該礦沖擊地壓巷道采用O型棚復(fù)合支護，極大提高巷道圍巖整體強度，但仍存在一定問題，因此需對O型棚支架參數(shù)進行優(yōu)化。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)該礦沖擊地壓巷道的O型棚支架破壞以彎折、屈曲和背板失效等為主，支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，支架承載力大幅衰減，造成支護抗沖擊性能減弱(圖5)。結(jié)合的O型棚支架動力響應(yīng)特征分析結(jié)果，并結(jié)合該礦巷道現(xiàn)場工程地質(zhì)條件和圍巖結(jié)構(gòu)狀況，對O型棚支架破壞原因進行研究，發(fā)現(xiàn)造成沖擊地壓巷道O型棚支架破壞的主要原因為：O型棚支架棚間距較大，支護整體強度不足，支護整體剛度較低；壁后填充厚度較低，耦合度差，無法提高沖擊載荷作用在O型棚支架上的時間，緩沖性能不足。

圖5 支架彎折破裂等破壞

為了提高巷道O型棚支架抗沖性能，結(jié)合沖擊載荷下O型棚支架動力響應(yīng)規(guī)律分析結(jié)果，對原支護參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。O型棚支架采用36U型鋼，原支護參數(shù)為：支護棚距800 mm；圍巖與支架間使用原木壘砌填充，原木尺寸80 mm×1 200 mm，填充厚度約200 mm；巷道壁圍巖采用端頭錨固型錨桿錨固，錨桿間距800 mm、排距1 000 mm，錨桿15根/排。優(yōu)化后的O型棚支架參數(shù)設(shè)計如下：原支護材料不變，O型棚支架棚距為600 mm；圍巖與支架間填充厚度約500 mm；錨桿間距為600 mm、排距800 mm，錨桿20根/排。

為了監(jiān)測優(yōu)化后的O型棚支架抗沖擊性能，在試驗巷道及其東西兩側(cè)每間隔5 m設(shè)置1個測點，共4個測點(勻布置在運輸巷中)，其中測點2和3在試驗巷道內(nèi)，測點1和4在原支護巷道內(nèi)，進行巷道礦壓觀測，采用位移計觀測O型棚支架接頭滑動量d1～d4(測點1～測點4)，并觀察O型棚支架破壞情況，同時利用礦井現(xiàn)有的微震監(jiān)測系統(tǒng)，記錄并監(jiān)測微震事件分布規(guī)律，對比分析微震事件前后各個測點監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

圖6 監(jiān)測點布置

檢測結(jié)果顯示，在幾次中等沖擊事件發(fā)生時，支護參數(shù)優(yōu)化后的O型棚支架接頭處滑動位移較小，基本都在10 mm以下；支護未發(fā)生明顯的彎折、屈曲等變形破壞現(xiàn)象。而在近似相同的沖擊條件下，其它沖擊地壓巷道的O型棚支架只能抵抗104J能量的沖擊地壓，支護參數(shù)優(yōu)化后的O型棚支架可抵抗106J能量的沖擊地壓。

4 結(jié) 論

1)沖擊地壓產(chǎn)生的沖擊載荷作用在支架上的時間極短，造成巷道支架在極短時間內(nèi)承載力急劇突變，在巷道支架上增設(shè)吸能材料和構(gòu)件，可起到緩沖減振的作用，降低沖擊載荷作用于巷道支護的沖擊力峰值，保護巷道支護主體的完整穩(wěn)定性。

2)沖擊地壓對巷道支護的沖擊力大小與沖擊源釋放能量大小和沖擊源距巷道距離遠近有關(guān)，釋放能量越大，距離越近，巷道支護受到的沖擊力越大。

3)理論分析了沖擊應(yīng)力波作用下O型棚支架的動力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)圍巖煤巖介質(zhì)煤巖介質(zhì)特性、O型棚支架剛度、O型棚支架半徑、沖擊載荷持續(xù)作用時間等因素均對O型棚動力響應(yīng)產(chǎn)生較大影響。合理設(shè)計圍巖錨固層強度與厚度、O型棚支架棚間距、填充層厚度，以及增加補強支護等，可降低沖擊載荷對O型棚支架的作用力與振動頻率，提高O型棚支架的抗沖性能。

4)根據(jù)O型棚支架動力響應(yīng)特征及規(guī)律，對某礦O型棚支架參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。通過減小O型棚支架棚距、增加木材填充層的填充厚度、增強錨固區(qū)的強度、縮短錨桿間距等方式，使得該礦O型棚支架可抵抗106J能量的沖擊地壓，支護破壞情況明顯改善，抗沖擊性能顯著增強。