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第４１卷第６期煤炭科学技术Ｖｏｌ４１ Ｎｏ６ ２０１３年６月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＪｕｎｅ ２０１３ 深部冲击地压矿井刚柔一体化吸能支护技术刘 军１ꎬ欧阳振华２ꎬ３ꎬ齐庆新２ꎬ３ꎬ赵善坤２ꎬ３ꎬ李晓璐２ꎬ３(１义马煤业集团股份有限公司ꎬ河南义马 ４７２３００ꎻ２煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院ꎬ北京 １０００１３ꎻ３煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室ꎬ北京 １０００１３)摘 要:为了实现冲击地压发生时不造成人员伤亡和设备损坏的目的ꎬ基于深部矿井巷道围岩变形破坏特性ꎬ提出了一种刚柔一体化吸能支护方法ꎮ采用数值模拟的方法ꎬ对比研究了柔性让压支护和刚柔一体化吸能支护对冲击载荷的力学响应ꎬ数值模拟结果显示ꎬ相对于柔性让压支护ꎬ刚柔一体化吸能支护能有效吸收能量和释放应力ꎬ应力最大值降幅达７２％ꎬ能量最大降幅达９６５８％ꎬ最小降幅达６００２％ꎮ刚柔一体化吸能支护技术在跃进煤矿２５１１０工作面下平巷得以应用ꎬ有效避免了２次大能量冲击地压事故对巷道、人员和设备的破坏ꎬ验证了刚柔一体化吸能支护的防冲效果ꎮ关键词:深部开采ꎻ冲击地压ꎻ巷道支护ꎻ刚柔一体化吸能支护ꎻ柔性让压支护中图分类号:ＴＤ３２４ 文献标志码:Ａ 文章编号:０２５３－２３３６(２０１３)０６－００１７－０４Ｒｉｇｉｄ－ＦｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＥｎｅｒｇｙＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＳｕｐｐｏｒｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡｐｐｌｉｅｄｉｎＤｅｅｐＭｉｎｅｗｉｔｈＰｒｅｓｓｕｒｅＢｕｍｐｉｎｇＬＩＵＪｕｎ１ꎬＯＵＹＡＮＧＺｈｅｎ￣ｈｕａ２ꎬ３ꎬＱＩＱｉｎｇ￣ｘｉｎ２ꎬ３ꎬＺＨＡＯＳｈａｎ￣ｋｕｎ２ꎬ３ꎬＬＩＸｉａｏ￣ｌｕ２ꎬ３(１.ＹｉｍａＣｏａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｔｄ.ꎬＹｉｍａ ４７２３００ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＭｉｎｅＳａｆｅｔｙＢｒａｎｃｈꎬＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂｏｆＣｏａｌＲｅｓｏｕｒｃｅＨｉｇｈＥｆｆｉｃｉｅｎｔＭｉｎｉｎｇａｎｄＣｌｅａｎＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００１３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅａｇｏａｌｏｆｎｏｐｅｒｓｏｎｎｅｌｃａｓｕａｌｔｉｅｓａｎｄｎｏｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆａｉｌｕｒｅｗｈｅｎｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｇｏｃｃｕｒｒｅｄꎬｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆａｉｌｕｒｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋａｌｏｎｇｔｈｅｍｉｎｅｒｏａｄｗａｙｉｎｄｅｅｐｍｉｎｅꎬｔｈｅｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐ￣ｔｉｏｎｓｕｐｐｏｒｔｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｏｖｉｄｅｄ.Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｃｏｍｐａｒｅａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｙｉｅｌｄｓｕｐｐｏｒｔａｎｄｔｈｅｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｓｕｐｐｏｒｔｔｏｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｒｅｓｐｏｎｓｅｓｏｆｔｈｅｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｇｌｏａｄ.Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａ￣ｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｉｎｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｔｈｅｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｙｉｅｌｄｓｕｐｐｏｒｔꎬｔｈｅｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｓｕｐｐｏｒｔｃｏｕｌｄｅｆ￣ｆｅｃｔｉｖｅｌｙａｂｓｏｒｂｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｅｎｅｒｇｙ.Ｔｈｅｍａｘｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｒｅｄｕｃｅｄｂｙ７２％ꎬｔｈｅｍａｘｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｗａｓ９６.５８％ꎬｔｈｅｍｉｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎｗａｓ６０.０２％.Ｔｈｅｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｓｕｐｐｏｒｔｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｂｅｌｏｗｇａｔｅｗａｙｏｆＮｏ.２５１１０ｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅｉｎＹｕｅｊｉｎＭｉｎｅ.Ｔｗｏｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｇａｃｃｉｄｅｎｔｓｏｃｃｕｒｒｅｄｎｏｔｃａｕｓｅｄａｎｙｆａｉｌｕｒｅｔｏｔｈｅｍｉｎｅｒｏａｄｗａｙꎬｐｅｒｓｏｎｎｅｌａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔ.Ｔｈｅｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｇｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｓｕｐｐｏｒｔｗａｓｐｒｏｖｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇꎻｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｇꎻｍｉｎｅｇａｔｅｗａｙｓｕｐｐｏｒｔꎻｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｓｕｐｐｏｒｔꎻｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｙｉｅｌｄｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔ收稿日期:２０１３－０２－２２ꎻ责任编辑:杨正凯基金项目:国家重点基础研究发展(９７３计划)资助项目(２０１０ＣＢ２２６８０６)ꎻ国际科技合作专项资助项目(Ｓ２０１２ＺＲ０４００)ꎻ国家自然科学基金资助项目(５１１７４２７２)作者简介:刘 军(１９６２—)ꎬ男ꎬ辽宁抚顺人ꎬ高级工程师ꎬ现任义马煤业集团股份有限公司跃进煤矿总工程师ꎮＴｅｌ:０３９８－５８７５７７２引用格式:刘 军ꎬ欧阳振华ꎬ齐庆新ꎬ等.深部冲击地压矿井刚柔一体化吸能支护技术[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１３ꎬ４１(６):１７－２０.０ 引 言 随着国民经济的飞速发展ꎬ越来越多的煤炭资源被开采出来ꎬ浅部煤炭资源日趋枯竭ꎬ深部煤炭资源成为２１世纪我国能源的主体ꎮ煤炭进入深部开采后ꎬ受特殊的地球物理环境和复杂应力场的影响ꎬ冲击地压发生的频次和危害程度也急剧增加ꎬ冲击地压与深部巷道围岩破裂有较大的关系[１－２]ꎮ冲击地压释放的冲击能作用于巷道ꎬ造成巷道围岩体破裂ꎬ甚至整体破坏和坍塌ꎬ给煤矿安全生产带来严重的威胁[３－４]ꎮ因此ꎬ冲击地压巷道稳定支护成为我国亟需解决的关键问题之一ꎮ近年来ꎬ一些学者开７１DOICNKI:11-2402/TD.20130626.1733.0052013-06-2617:33２０１３年第６期煤炭科学技术第４１卷始关注冲击地压矿井的巷道支护问题ꎬ并开展了相应的研究工作ꎮ高明仕等[５－６]建立了冲击地压巷道围岩稳定性控制的强弱强结构力学模型ꎬ得到了巷道支护体发生冲击震动破坏的应力判据和能量准则ꎻ冯学武等[７]分析了深部巷道围岩变形特点和刚柔二次支护理论ꎬ确定了锚杆与锚索支护参数ꎻ吕祥锋等[８]将冲击波简化为一维应力波ꎬ研究了岩块冲击多孔金属材料－钢支护结构时ꎬ多孔金属材料对冲击波压力的衰减情况ꎬ以及多孔金属材料厚度、密度对冲击波压力衰减的影响ꎻ陈尚本等[９]采用理论研究、离散元数值计算分析了冲击地压煤巷破坏机制ꎬ研究了冲击地压条件下煤巷锚杆支护机理ꎬ利用数值分析方法确定了锚杆支护形式及支护参数ꎬ并在具有强烈冲击地压危险煤巷进行了应用实践ꎮ潘一山等[１０]建立了冲击吸能耦合支护模型(围岩－吸能材料－钢支架)ꎬ分析了吸能耦合支护结构冲击能耗散机理ꎬ提出了冲击地压巷道吸能耦合支护方式ꎻ赵毅鑫等[１１]研究了冲击地压形成过程中能量耗散特征ꎻ赵兴东等[１２]利用数值模拟ꎬ研究了冲击地压下煤巷锚杆支护机理ꎮ总之ꎬ冲击地压矿井巷道支护技术研究取得了一定的进展ꎬ但刚柔一体化吸能支护技术作为一种冲击地压矿井巷道支护技术ꎬ并未见有研究和应用ꎮ１ 刚柔一体化吸能支护防冲的基本原理 刚柔一体化吸能支护体系结构如图１所示ꎬ主要由锚网索支护、吸能材料、Ｕ型钢组成的Ｏ型棚和刚性支架组成ꎬ其防冲的基本原理:①巷道开挖后ꎬ及时进行锚网索支护ꎬ利用锚杆、锚索和金属网提供的支护阻力使深部冲击地压矿井巷道围岩由二向应力状态转变为三向受力状态ꎬ提高巷道围岩的强度和抗变形能力ꎮ②锚网索支护完成后ꎬ将Ｕ型钢组合成Ｏ型棚ꎬ形成一个闭合的支架体系ꎮ由于Ｕ型钢具有较好的可缩性ꎬ且铰链接之间允许其发生一定的位移ꎬ因而ꎬ在冲击荷载作用下ꎬＯ型棚能发生一定的变形ꎬ缓解冲击能量对支架的冲击ꎬ起到柔性让压的作用ꎮＵ型钢组成的Ｏ型棚闭合体系中ꎬ不但承载能力有较大的提高ꎬ而且由于支架底部封闭ꎬ对巷道底鼓有良好的控制作用ꎬ在发生冲击地压时ꎬ对巷道两帮和底板的煤岩体有较强的控制作用ꎮ③在锚网索支护和Ｕ型钢组合成的Ｏ型棚之间ꎬ充填一层吸能材料ꎬ在围岩和支架之间增加弱刚度的吸能材料ꎬ吸收大量冲击能ꎬ减少冲击载荷对支护结构的破坏ꎮ④在２组Ｏ型棚之间ꎬ架设１架刚度较大的支架ꎬ在柔性让压支护的基础上增加刚性支护体系ꎬ利用具有较大强度和刚度的支架抵抗最后没有被消耗的冲击能ꎬ防止冲击载荷对整个支护结构和巷道内的人员、设备造成破坏ꎮ图１ 刚柔一体化吸能支护体系结构２ 刚柔一体化吸能支护防冲数值模拟２１ 模型的建立 １)数值模型及边界条件ꎮ数值模拟采用的软件为ＦＬＡＣ３Ｄꎬ计算模型长２４ｍꎬ高２４ｍꎬ宽４ｍꎮ模型的底端设置位移边界ꎬ其他方向设置应力边界ꎬ在ｘ、ｙ、ｚ三个方向施加的应力条件为:σｘ＝９１ＭＰａꎬσｙ＝１７１ＭＰａꎬσｚ＝２２６ＭＰａꎮ ２)数值模拟方案ꎮ为了便于探讨不同支护形式下ꎬ巷道与支架对冲击载荷的力学响应ꎬ模拟了以下２种工况:①柔性让压支护ꎮ模型中间开挖半径ｒ为２８ｍ的巷道后ꎬ在顶板安装长度２２ｍ、间距０８ｍ、排距０８ｍ的锚杆和长度８ｍ、间距１５ｍ、排距０８ｍ的锚索ꎻ在两帮安装长度１８ｍ、间距０８ｍ、排距０８ｍ的锚杆ꎮ安装锚杆和锚索后ꎬ沿ｙ方向在０、０８、１６、２４、３２、４０ｍ处分别加Ｏ型棚ꎮ②刚柔一体化吸能支护ꎮ模型中间开挖半径ｒ为２８ｍ的巷道ꎬ在顶板和两帮安装与柔性让压支护参数相同的锚杆和锚索ꎬ安装锚杆和锚索后ꎬ在２８ｍ≤ｒ≤３６ｍ范围充填松散吸能材料ꎬ然后沿ｙ方向在０、０８、１６、２４、３２、４０ｍ处分别模拟加Ｏ型棚支护措施ꎬ其宽度０２ｍꎬ厚度０２ｍꎻ沿ｙ方向在０、２０、４０ｍ处分别模拟安设刚性支架ꎮ ３)力学参数ꎮ计算采用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ破坏准则ꎬ松散吸能体与围岩的物理力学参数根据经验和室内试验确定的物理力学参数折减获得ꎬ具体参数见表１ꎮ模拟柔性让压支护体系时ꎬ没有松散体ꎬ全部赋煤岩体的力学参数ꎮ ４)冲击载荷模拟ꎮ采矿过程中的爆破及顶板断裂等ꎬ都能引起岩土中的应力波传播ꎬ而这种应力８１刘 军等:深部冲击地压矿井刚柔一体化吸能支护技术２０１３年第６期波主要是传播压应力的纵波ꎬ因此又称作岩土中的压缩波ꎬ它们是岩土中防护结构的作用荷载源ꎮ在ＦＬＡＣ３Ｄ动力计算中ꎬ模型四周采用吸收边界条件来模拟无限大空间ꎬ在左侧施加一个三角形冲击荷载Ｐꎬ持续时间Ｔ为０００５ｓꎬ在０００２５ｓ时荷载达到最大５０ＭＰａꎬ荷载－时间历程曲线如图２所示ꎮ表１ 数值模拟采用的物理力学参数材料体积模量/ＧＰａ普氏系数抗压强度/ＭＰａ黏聚力/ＭＰａ内摩擦角/(°)容重/(ｋＮｍ－３)松散体１２０００８００３０１３５０００煤岩体４２８０２１０７５７１６３０４１３６８７５图２ 冲击荷载－时间历程曲线２２ 数值模拟结果及其分析 在相同的冲击载荷作用下ꎬ柔性让压支护和刚柔一体化吸能支护有不同的支护效果ꎬ表２中列出了不同位置处ꎬ数值模拟得到的应力和能量测试结果ꎮ表２ 不同支护方式下支护结构不同位置处应力及能量测点号柔性让压支护应力/ＭＰａ能量刚柔一体化吸能支护应力/ＭＰａ能量降幅/％应力能量１４５８ ７０