自移式吸能防冲巷道支架研究

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冲击地压是煤矿开采中遇到的重大灾害之一,近年来研究发现,大多数冲击地压发生在巷道中。然而,目前巷道支护大多没有从防冲角度进行设计,抗冲击载荷能力有限,不能满足冲击地压矿井支护要求。针对冲击地压矿井,创新设计了自移式吸能防冲巷道支架,并对冲击地压巷道吸能防冲机理及支架进行了系统的理论、数值和实验研究。(1)探讨吸能防冲机理,建立了巷道冲击地压围岩支护作用动力学模型。将上覆岩层简化为由多个质量块组成的块系,岩块简化为刚体,岩块间的连接简化为Kelvin-Voigt模型,把支护系统简化为弹簧和耗能阻尼器,初始岩块受冲击载荷作用。支护系统中阻尼为零时,为常规支护系统;支护系统中阻尼大于零时,为吸能防冲支护系统。(2)提出了高强度吸能支护防治巷道冲击地压方法。对动力学模型分析得出:加强支护,提高支护强度,可以大幅度减少巷道冲击载荷作用下围岩加速度和位移幅值;支护系统中加入阻尼构件有利于快速平息围岩震动,增强支护抗冲击载荷能力,提高巷道围岩稳定性。基于能量守恒定律,理论推导也得出了吸能支护可大幅度增强支护系统的抗冲性能。(3)创新设计了六边管形顶梁吸能防冲构件。设计了圆形、八边形和六边形等径向吸能防冲构件。采用理论、数值和实验研究方法,从构件变形破坏规律、力-位移变化规律及5个性能评价指标等三方面对构件吸能防冲性能进行分析。得出六边管形吸能防冲构件具有稳定的可重复变形破坏模式、恒定的反作用力、较高的冲程效率和不可逆的能量转换形式等优点,是理想的顶梁吸能防冲构件。并确定了吸能防冲构件承载力为1.1倍支架工作阻力。(4)创新设计了扩径式液压立柱吸能防冲构件。设计了方形折痕、六边形折痕、内外翻转式和扩径式等轴向吸能防冲构件。采用理论、数值和实验研究方法,从构件变形破坏规律、力-位移变化规律及5个性能评价指标等三方面对构件吸能防冲性能进行分析。得出扩径式吸能防冲构件具有稳定的可重复变形破坏模式、恒定的反作用力、较高的冲程效率、不可逆的能量转换形式和变形不向四周膨胀等优点,是理想的液压立柱吸能防冲构件。并确定了扩径式吸能防冲构件承载力为1.2倍立柱工作阻力。(5)创新设计了自移式吸能防冲巷道支架。自移式吸能防冲巷道支架采用2架2列一组架型,支架左右两列相同,前后2架相同。支架顶梁与底座之间采用四连杆机构和2液压立柱连接,左右2列的顶梁、底座之间分别采用2个调架千斤顶连接,前后架底座之间采用推移千斤顶连接,前后架顶梁之间采用伸缩梁连接。其主要特点是液压立柱和项梁具有吸能防冲功能,采用前推后拉实现支架自移功能。(6)得出了自移式吸能防冲巷道支架防冲原理。支架防冲主要体现在抗和让两方面。抗体现在围岩静态压力下构件不发生变形破坏。让体现在冲击地压发生时,吸能防冲构件起到让位吸能降冲作用。让位吸能降冲作用又体现在三个方面:一方面,吸能防冲构件通过塑性变形直接耗散围岩冲击能;另一方面,构件恒力变形阶段改善了冲击载荷时支架受力情况,保护了支架;再一方面,吸能防冲构件变形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。自移式吸能防冲巷道支架从防冲角度进行设计,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,以满足冲击地压矿井巷道支护要求,对保障煤矿安全高效开采具有重大经济意义和重要的理论意义。
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