巷道支护围岩相互作用及防冲液压支架研究

来源 :辽宁工程技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:mahuihui
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冲击地压是煤矿开采中遇到的严重动力灾害。巷道冲击地压目前占煤矿冲击事故总数的90%左右,且随着采深的增加巷道冲击地压的破坏程度愈加严重,巷道围岩在高地应力条件下受扰动或叠加冲击动载时稳定性难以控制,导致巷道及支护严重变形或破坏。针对当前支护技术与装备难以满足冲击危险巷道的支护需求,从巷道支护与围岩构成的系统角度出发,建立巷道防冲支护理论模型,研究静载和动载下支护与围岩的相互作用关系,提出考虑围岩残余区的防冲支护理论,进而研制具有诱导式吸能让位功能的巷道防冲液压支架,为巷道支护-围岩复合调控防冲提供一种可靠的新装备与新技术。主要研究内容和结论如下:(1)巷道防冲支护理论以冲击地压扰动响应失稳理论为基础,建立了巷道支护-围岩(残余区+弹塑性区)系统力学模型,提出了考虑巷道围岩残余区的防冲支护理论,得到了支护-围岩弹塑性介质系统微分方程解析解。对比分析出了影响冲击地压巷道围岩-支护系统支护效果的影响因素。(2)支架支护力学参数对冲击地压巷道围岩-支护的动力学模型进行了解析分析,并通过动力响应微分方程讨论支护下支护端岩块动力响应,分析了围岩频率特性。基于此对巷道支护参数进行研究,得到了支护-围岩粘弹性介质系统波动微分方程和解析解,进而分析了围岩自由振动衰减特性曲线,得到:随着时间的增加,围岩的振动位移会逐渐减小。从而提出巷道防冲液压支架支护参数需要有合理的支护强度、支护位移、支护刚度、支护频率、支护速度以及支护能量。(3)防冲构件防冲性能通过实验和理论分析的方法,创新设计了巷道防冲液压支架的预折纹诱导式防冲构件并且获得了静载下、冲击载荷下的可变阻力、可变位移、可变刚度、可变频率、可变速度与可变吸能六个力学性能的防冲指标。以防冲指标为基础,研究了预折纹诱导式防冲构件的防冲性能。确定156°预折纹诱导式防冲构件、四边形截面预折纹诱导式防冲构件以及8mm厚的预折纹诱导式防冲构防冲性能优。(4)防冲液压支架和立柱防冲性能创新设计了防冲构件与限压溢流安全阀相配合的防冲支架液压大立柱,考虑了粘性、弹性、塑性与惯性,并采用静-动组合加载液压冲击试验系统对其六个力学性能指标进行了防冲实验验证。应用巷道冲击地压发生机制和理论,对防冲液压支架的防冲性能进行分析,得到了可变阻力、可变位移、可变刚度、可变频率、可变速度与可变吸能六个防冲功能指标。(5)支护-围岩相互作用根据耿村煤矿具体支护参数以及围岩性质,对巷道围岩与支护系统的相互作用进行研究,得到巷道围岩-支护系统对外载荷的控制效果。采用数值模拟的方法分析静压不同支护下巷道的应力应变、位移场的分布情况,发现排距为0.8m的U型支架支护围岩时,最大应力的大小大于3.2m排距的防冲液压支架支护系统,并且顶底板收敛位移与两帮收敛位移都比3.2m排距的防冲液压支架小。对比分析了巷道围岩-支护系统在受冲击作用时,竖向冲击与斜向冲击对整个系统的应力、应变、变形作用。发现当支护系统受到竖向垂直冲击时,最大应力的大小小于斜向冲击,并且最大应力处离巷道的距离大于斜向冲击。当围岩-支护受到冲击时,巷道收敛变形也是垂直冲击变形小于斜向冲击。(6)支架现场应用通过对巷道防冲液压支架支护现场研究,根据对耿村煤矿13230工作面、巷道支架的监测结果分析看出巷道防冲液压支架能够抵抗住107J的能量冲击,支架完好,整个支护体系完整,以防冲液压支架为主的围岩-支护系统支护效果好。该论文有图110幅,表26个,参考文献130篇。
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