【摘 要】
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巷道冲击地压是煤矿冲击地压的一种主要形式,是采矿工程和岩石力学界一项亟待解决的科学难题。门式液压支架的应用对于缓解巷道在冲击地压中的破坏具有积极作用,但仍不能从根本上解决这一问题。为此,本文提出了让位吸能防冲支护理论,设计了具有吸能防冲功能的门式液压支架,并对支架的防冲性能进行了系统的研究,主要内容如下:分析了支护应力对巷道冲击地压发生的临界软化区深度和临界岩体应力的影响,得到:随支护应力增加,巷
【基金项目】
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国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2010CB226803); 国家自然科学基金面上项目11172121; 国家自然科学基金面上项目51174107,“多孔介质材料高速吸能特性与防冲支护技术研究”
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巷道冲击地压是煤矿冲击地压的一种主要形式,是采矿工程和岩石力学界一项亟待解决的科学难题。门式液压支架的应用对于缓解巷道在冲击地压中的破坏具有积极作用,但仍不能从根本上解决这一问题。为此,本文提出了让位吸能防冲支护理论,设计了具有吸能防冲功能的门式液压支架,并对支架的防冲性能进行了系统的研究,主要内容如下:分析了支护应力对巷道冲击地压发生的临界软化区深度和临界岩体应力的影响,得到:随支护应力增加,巷道冲击地压发生的临界软化区深度增大(E/λ不为零时);在实际支护应力所能达到的范围内随之增加,巷道冲击地压发生的临界岩体应力也增大(E/λ不为零时),并且,煤岩内摩擦角和E/λ值越大、强度越小,增大程度越显著。由此提出,高强度支护是防冲支护的重要条件。建立了吸能防冲支护体系与非连续块系岩体相互作用的系统动力学模型,分析了支护体系中摩擦片元件的吸能防冲支护作用,以及支护体系刚度、粘性阻尼系数和质量块质量对系统动力响应的影响,得到:摩擦片能够瞬间削弱岩体对支护体系的冲击载荷作用并吸收岩体冲击能,保护支护体不被过大的冲击载荷所损坏;而适当的支护体系刚度能够显著降低岩体震动幅值,减小支护体系的变形让位量;适当的粘性阻尼系数能够快速消耗岩体震动过程中的能量,平息围岩和支护体系的震动;合理的支护体重量能够有效减缓岩体对支护体系的冲击作用过程。由此提出,摩擦片元件的设计是吸能防冲的核心,而合理的支护体系刚度、粘性阻尼系数以及支护体重量是吸能防冲的前提。基于上述理论研究,设计了具有拱形框架结构的门式吸能液压支架。通过理论分析,研究了支架的结构力学性能和简化动力模型的吸能防冲特性。利用有限元数值模拟,分析了支架在初撑力和达到工作阻力时的支护状态,以及在不同冲击作用方式下的动力响应状况,得到了门式吸能液压支架的静态支护能力与动态让位吸能效果,验证了支架的吸能防冲支护特性,同时对支架的技术参数设计的合理性与可靠性进行了评价。设计了用于门式吸能液压支架中的摩擦片元件——预折纹方管吸能构件,并通过理论分析、数值模拟和实验室试验,对预折纹管吸能构件在静载下和冲击作用下的诱导式屈曲吸能特性进行研究,分析其在轴向冲压下的反作用力变化、吸能效率和屈曲形变的稳定性,并以此确定了满足门式吸能液压支架应用需求的吸能构件技术参数。将研制出的第一批门式吸能液压支架于义马矿区进行井下安装试用,同时对支架的支护状态和巷道的变形状况进行了跟踪监测和记录,并及时对支架的结构受力状况与吸能防冲效果进行分析。现场实际观测得:支架支护后巷道变形受到有效控制,支架支护状态稳定,自安装至今未有冲击地压发生。通过上述研究得,门式吸能液压支架能够明显改善巷道支护体系的性能,提高围岩稳定性,具有显著的吸能防冲支护能力,让位吸能防冲支护理论的研究能够正确指导门式吸能液压支架设计与应用,以最合理的支护方法防治巷道冲击地压,为彻底解决巷道冲击地压问题奠定一定基础。
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