防冲支架的核心吸能构件设计与吸能性能研究

为了解决巷道液压支架在冲击地压发生时结构失效以及立柱折损的问题,设计了一种能够快速变形让位、吸收冲击能的构件,用于门式吸能防冲液压支架中,从而保护液压立柱不损坏并且支架结构不失效。对吸能构件的构型进行设计并且研究了其吸能性能。首先,基于门式吸能液压支架的防冲功能提出吸能构件在承载力、反力变化、吸能方式、吸能量以及稳定性5个方面的性能要求。然后对吸能构件的构型设计及其吸能原理进行了详细论述,并结合数值模拟对构件的屈曲吸能机理进行了分析。最后通过室内实验,研究了1∶1吸能构件的力学性能,实验结果表明:吸能构件承载力均值为2 428 kN;后屈曲反力变化相对比较平稳;压缩量达50%时吸能量均值为357 kJ;吸收能量都转化为构件不可恢复的变形能;屈曲过程稳定且与数值模拟结果非常接近。     

自移式吸能防冲巷道超前支架设计与研究

为提高支架抗冲击性能,有效防治巷道冲击地压,针对冲击地压矿井,从防冲角度创新设计了自移式吸能防冲巷道超前支架。支架可调节支护宽度,采用前推后拉实现自动移架,顶梁安装薄壁六边形吸能防冲构件,立柱安装扩径式吸能防冲构件,支架具有吸能让位防冲功能。采用吸能防冲支架支护巷道,将形成“围岩-吸能支护”系统,冲击地压发生时,一是吸能防冲构件通过塑性变形直接耗散围岩冲击能;二是吸能防冲构件让位空间给煤岩提供了一定的能量释放空间,间接耗散围岩冲击能;三是构件恒力变形阶段改善了支架受冲击载荷时的受力情况,也为液压阀开启提供了时间,有效提高了支架抗冲性能;四是支架吸能让位过程中,支架与围岩自调节后又形成新的“围岩-支护”系统,有利于巷道稳定。吸能防冲支架具有较高的支护强度和较强的抗冲击载荷能力,为防治巷道冲击地压提供一种新型支架。     

巷道防冲支架吸能构件屈曲吸能可靠性研究

薄壁预折纹方筒是目前矿井下使用的吸能防冲液压支架的核心吸能构件,其屈曲让位吸能的可靠性对支架的防冲功能具有决定性作用.为探究预折纹方筒实际应用时的可靠性,提出4个指标作为其评价依据,即屈曲临界力、让位阻力降、比吸能和菱形折纹变形数量,并通过室内试验和现场监测研究1:1的预折纹方筒吸能构件的这4个指标.室内试验得到:预折...     

巷道围岩破碎区吸能防冲性能研究

为了掌握冲击载荷在围岩破碎区传播衰减规律,揭示巷道围岩破碎区的吸能防冲机理,提高巷道支护系统的防冲支护性能。从理论上分析了围岩破碎区形成机理与吸能防冲机理,给出了破碎区半径解析解。为了深入研究破碎区煤岩的吸能防冲性能,采用落球冲击筒内煤岩块实验装置,研究煤岩散体块径及厚度对破碎煤岩散体的吸能缓冲性能影响,实验结果表明：破碎煤岩散体具有良好的吸能缓冲性能,随着煤岩散体块径的增大,煤岩散体的吸能缓冲性能有所提高;随着煤岩散体厚度的增加,煤岩散体的吸能缓冲性能增加,煤岩散体厚度增加到一定程度时,其厚度对吸能缓冲性能影响不再明显。研究破碎区煤岩在冲击载荷作用下的吸能缓冲性能,揭示围岩破碎区的吸能防冲机理,为研究围岩破碎区防治冲击地压以及研发新型吸能防冲支护技术提供依据。     

冲击地压矿井巷道支护理论研究及应用

针对现有支护理论、支护方法不能有效解决煤矿巷道冲击地压的问题,建立了冲击地压作用下的巷道围岩与支护响应的动力学模型,分析了支护刚度和支护阻尼对上覆岩体动力响应的影响,并由此提出了冲击地压矿井巷道支护设计的两个新思路,即提高支护刚度和快速吸能让位支护。其中,提高支护刚度主要以研制高强度的巷道液压支架为主,通过采用刚度较大的梁体和工作阻力较高的液压支柱来增加支护体系的整体刚度;快速吸能让位支护则采用多孔泡沫金属材料或吸能构件来增大支护中的阻尼系数,即利用其优异的吸能特性使支护体系能够在围岩冲击下快速吸收冲击能并稳定地变形让位,最终防止支护体系失效与巷道破坏,并据此研发了一种新型防冲吸能巷道液压支架并准备进行现场试验研究。     

深部回采巷道锚杆(索)防冲吸能机理与实践

为解决深部冲击地压巷道大变形、支护体失效破断难题,以义马常村煤矿21220下巷典型冲击地压巷道为试验现场,采用井下调查、室内试验及理论分析等相结合的方法,分析了冲击载荷下巷道围岩变形破坏机制、高冲击韧性锚杆(索)防冲吸能机理及其应用效果。结果表明:深部回采巷道易冲击大变形的主要原因在于高叠加集中应力,使厚层坚硬岩层释放高积聚弹性能,而现有支护结构强度低、吸能特性差及无法协同防冲,导致支护结构各个被击破而失效;与传统支护材料相比,高冲击韧性锚杆(索)强度高、吸能能力强,合理布置锚杆(索)支护参数可提高其协同防冲的工作区间,通过支护系统吸收冲击地压释放的能量,降低剩余能量对巷道围岩的破坏效应。研究成果在井下进行了工业性试验,试验结果表明:新开发的高冲击韧性锚杆破断载荷342 kN,冲击吸收功166 J,高强锚索破断强度1 770 MPa,伸长率8%,高强金属网静载荷承载能力15.7 kN,单位面积吸收能量达到2.2 kJ/m²。冲击载荷作用下,锚杆和锚索分别在各自安全可靠工作区间内承载,锚杆和锚索轴力呈锯齿状波动,但高冲击韧性支护材料均未出现脆性断裂失效。巷道两帮移近...     

巷道防冲液压支架研究及应用

针对现有巷道支护难以抵抗冲击地压产生的强震强冲作用从而造成支护失效、巷道垮塌及人员伤亡这一难题,基于巷道围岩-支护系统的静力学与动力学理论分析,提出了防冲支护设计的6项原则,即让位阻力可变原则、让位位移可变原则、让位刚度可变原则、让位频率可变原则、让位速度可变原则和让位能量可变原则。研制了具有吸能功能的巷道防冲液压支架,通过实验室试验对支架防冲装置中的诱导式预折纹构件进行了吸能特性研究,得到:单节防冲构件平均让位阻力1 820 kN,让位位移100 mm,让位刚度和频率为0,让位速度为2.3 m/s,让位吸能为182 kJ;双节防冲构件平均让位阻力为2 010 kN,让位位移为200 mm,让位刚度和频率为0,让位速度为2.2 m/s,让位吸能为402 kJ,2种构件的实验结果都达到防冲液压支架的技术参数要求。进一步,对防冲液压支架在耿村煤矿井下的支护状态与吸能防冲效果进行了监测与分析,发现:防冲液压支架在M_L3.0级强震过程中让位最大达16 cm,发挥了预期的吸能防冲作用,同时间接地证明了防冲支护设计原则的合理性。     

吸能耦合支护模型在冲击地压巷道中应用研究

对冲击地压巷道围岩破坏原因和机理进行分析,建立了冲击吸能耦合支护模型(围岩-吸能材料-钢支架),分析了吸能耦合支护结构冲击能耗散机理,提出了冲击地压巷道吸能耦合支护方式,并提出建立安全巷道或部分安全区供避难场所.利用有限元计算方法,对直墙半圆拱形巷道吸能耦合支护前后应力和变形进行了数值分析.计算结果表明,无支护条件下,巷道顶、底部均形成应力集中区,顶角处应力最大,极易造成巷道两肩破坏;采用吸能耦合支护后,应力发生转移和扩散,围岩应力场和位移场趋于均匀化,应力集中区向两帮扩大,同时巷道整体变形明显降低,从而提高了冲击地压巷道安全程度,为巷道围岩安全支护提供了一种新方法.     

深部开采冲击地压煤层防冲支护系统研究

伴随矿山开采深度的增加和开采速度的提升,冲击地压成为严重危害我国矿山安全生产的重大隐患。一套安全可靠的支护系统,在冲击地压防治中具有重要作用。结合义煤集团跃进煤矿25110工作面实际地质情况,基于该区域矿压规律,针对性地设计了一套防冲支护系统,确保了回采过程中的巷道安全。     

煤矿冲击地压巷道三级吸能支护的强度计算方法

针对冲击危险巷道防冲吸能支护缺乏量化设计方法这一难题,从冲击地压巷道围岩的静-动力学环境与结构特征两方面,开展防冲吸能支护强度计算方法研究。结果表明:由于支护与卸压双重作用,巷道周围形成了以巷内支护层、锚固层、卸压层以及原岩层为主的多层圆环结构,各层圆环内的围岩材料性能在巷道围岩径向方向形成典型的梯度结构特征。基于拟静态法,将远场冲击动载荷与围岩静载荷叠加,通过简化锚固层内锚杆(索)支护作用,弱化卸压层内煤岩力学参数,建立了冲击地压巷道围岩梯度结构力学模型。利用梯度结构内多层圆环接触面上的应力计算方法,进行了梯度结构围岩内多层圆环接触面间的受力分析,验证了弱化卸压层内的煤岩力学性能、增加卸压层的结构尺寸、提高锚固层的支护强度,可减小冲击载荷对巷内支护层的作用,提高巷内支护层的抗冲击能力。引入冲击破坏等级系数,建立了吸能防冲支护强度与冲击地压等级间的关系,给出了冲击危险巷道三级吸能防冲支护的强度计算方法,实现了冲击危险巷道吸能防冲支护参数的量化设计。结合某矿具体工程实践,核算了该矿所采用的"锚杆(索)+可缩性36U棚支架+液压抬棚和吸能液压支架"三级吸能防冲支参数最大能够抵抗等级为2级(...     

高应力巷道钢管混凝土支架支护技术研究

针对煤炭资源深部开采中面临的高应力巷道围岩控制难题,在鹤壁三矿三水平变电所泵房硐室和带式输送机巷返修中进行了钢管混凝土支架支护实验。将巷道原支护结构拆除掉,将巷道扩大至原断面,并进行锚网喷初次支护,然后进行钢管混凝土支架支护,并在两帮和顶部预留围岩变形空间,便于围岩释放压力。     

冲击地压危险区域巷道三级吸能支护探索与应用

以峻德煤矿为研究对象,借鉴国内冲击地压矿井三级吸能支护体系的成功经验,分析了三级吸能支护体系防冲机理和实施条件,结合峻德矿区93172综放工作面冲击地压的实际情况,研发出一级支护围岩喷射混凝土、二级支护U型棚和三级微拱形液压单体框架吸能结构的支护技术,并在该矿冲击地压危险区域巷道支护中进行了实践应用,取得了良好效果。     

吸能防冲锚杆索-围岩耦合振动特征与防冲机理

为提高冲击危险巷道防冲支护的有效性,研发了由内置六角管衬里的吸能套筒、端部设有摩擦圆柱的螺纹钢锚杆、钢绞线锚索与锚杆尾部吸能装置组成的吸能锚杆索。将吸能锚杆索中吸能套筒的作用简化为设置在锚杆底部并联的弹簧与阻尼器,建立了吸能锚杆索-围岩在冲击载荷作用下的三维轴对称力学模型。对黏性阻尼围岩中吸能锚杆索与围岩耦合振动时锚杆顶部动力响应进行了解析研究,获得了锚杆顶部的位移阻抗函数的解析表达。结果表明:在相同频率的冲击载荷作用下,锚杆顶部位移振荡幅值随着围岩黏性阻尼、围岩强度、锚固长度以及锚杆底部阻尼的增加而衰减。采用吸能锚杆索支护时,吸能套筒能够吸收一部分作用在锚杆锚固岩体上的冲击能;后注浆全长锚固增强了支护系统抵抗纵向变形的能力;尾部吸能装置能够削减冲击波的发射拉伸作用;支护系统在冲击载荷作用下的稳定性得到显著提高。在此基础上,初步阐述了吸能锚杆索支护系统的缓冲-抗震-消波吸能防冲机理。     

基于防冲特厚煤层分层开采工作面巷道支护研究

华亭煤矿存在冲击地压危险倾向。250103工作面为首分层工作面,该工作面的巷道支护就尤为重要。文章通过在试验点调查,包括围岩强度、围岩结构、地应力及锚固性能测试等,进行地质力学评估和围岩分类,为巷道支护设计提供可靠的参数。巷道支护设计采用数值计算和经验法相结合进行,根据围岩参数和已有实测数据确定出比较合理的设计。     

轴裂式构件变形吸能特性研究及工程应用初探

为使锚杆适应深埋巷道围岩大变形,有效防治巷道冲击地压灾害,设计了一种适用于锚杆的轴裂式防冲吸能构件。通过理论分析与室内试验,研究了轴裂式吸能构件的变形特性、吸能效果等;探讨构件在锚杆中的应用方式与工作原理,初探了其工程试验效果。研究表明,轴裂式吸能构件撕裂变形稳定,形成螺旋式扩展板条,具有良好的可重复性与可控性;构件吸能作用全程具有峰值轴力波动吸能段、恒定轴力稳定吸能段两阶段特性,且吸能构件经过预撕裂加工可消除波动载荷,使恒定轴力稳定吸能行程效率达到100%;采用内径26 mm、壁厚4 mm,预制导裂切线4或6条的吸能构件,其恒定轴力达到111.8~143.1 k N,相应吸能量达5.77~8.93 k J,构件恒定载荷值及其吸能量的试验结果与理论分析结果相符合。现场试验表明,轴裂式构件能较好地启动劈裂,实现让压耗能。     

扩胀-摩擦式吸能防冲锚索及其力学特性

冲击危险巷道围岩冲击大变形造成锚固支护材料过载失效已成为深部煤矿巷道支护技术中亟待解决的工程难题.针对传统钢绞线锚索难以适应围岩冲击作用而出现的过载拉断问题,基于金属圆管扩胀塑性变形及摩擦耗能原理,研发了 一种扩胀-摩擦式吸能防冲锚索.采用塑性力学理论开展了吸能防冲锚索吸能原理解析分析,并结合正交模拟试验讨论了吸能装置...     

冲击地压薄壁圆管吸能构件仿真与试验研究

针对新型螺旋式抗冲击装置中的吸能构件,建立薄壁圆管镂空结构的有限元模型,利用试验对薄壁圆管镂空结构的吸能特性仿真结果进行验证。根据试验验证的模型参数,研究了薄壁圆管竖条结构的竖条数量及长度对其轴向静态压溃屈曲变形、初始峰值力、弹性阶段位移、平均支反力、吸能量、支反力均方差的影响。根据研究规律及防冲立柱实际工况设计薄壁竖条构件并试验,为后续现场冲击地压试验提供依据。研究表明：诱导结构在不改变薄壁圆管材料、厚度及截面形状前提下,使构件的变形更加稳定,压溃屈曲变形形态可控|对于薄壁圆管竖条结构,随着竖条数量增加和竖条长度增加,其初始峰值力、弹性阶段位移减小、吸能量与平均支反力降低,支反力均方差减小。