顶板-支护系统准共振诱发冲击地压机制研究_王凯兴.pdf

第 44 卷第 3 期 岩 土 力 学 Vol.44 No.3 2023 年 3 月 Rock and Soil Mechanics Mar.2023 收稿日期：2022-04-12 录用日期：2022-08-29 基金项目：国家自然科学基金（No.51874163）；辽宁省“兴辽英才计划”项目资助（No.XLYC2007021）。This work was supported by National Natural Science Foundation of China(51874163)and Liaoning Revitalization Talents Program(XLYC2007021).第一作者简介：王凯兴，男，1984 年生，博士，副教授，主要从事岩石动力学与矿山灾害力学方面的研究工作。E-mail:kaixing_ DOI：10.16285/j.rsm.2022.0498 顶板顶板支护系统准共振支护系统准共振诱发诱发冲击地压冲击地压机制研究机制研究 王凯兴1，薛佳琪1，潘一山1，窦林名2，肖永惠3（1.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；3.辽宁大学 物理学院，辽宁 沈阳 110036）摘摘 要：要：冲击地压的发生机制与防治是煤矿动力灾害研究的重要问题。巷道顶板支护系统在围岩扰动作用下存在接近共振状态的准共振现象将诱发顶板支护系统的冲击灾害，表现为顶板的位移、速度、加速度 3 种准共振强响应。依据支护失稳及支护塑性屈曲判别条件，给出支护动载破坏的 3 个安全系数及相应的危险扰动频率比区间，同时针对顶板支护系统准共振诱发的冲击灾害给出支护阻尼防冲控制分析。结果表明：在外界扰动力幅值低于静载下的支护临界破坏载荷时，顶板支护系统的准共振现象是导致支护冲击破坏的主要原因；支护破坏的准共振危险扰动频率比区间与顶板支护系统的阻尼比及力幅比有关，随着阻尼比的增加，顶板准共振时的位移、速度及加速度响应幅值均减小，支护阻尼是对 3 种准共振响应均敏感的控制量；随着顶板支护系统阻尼比的增大或力幅比（外界扰动力幅值与支护静载破坏临界载荷之比）的下降，支护的危险扰动频率比区间范围将缩小甚至消失，同时阻尼比和力幅比取值均较小时，顶板支护系统在 3 种准共振下的危险扰动频率比取值区间较为接近。该研究将丰富对冲击地压发生机制的认识，同时对支护防冲控制设计具有参考价值。关关 键键 词：词：冲击地压；顶板支护系统准共振；支护破坏；防冲控制 中图分类号：中图分类号：TD353 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10007598(2023)03071711 Study on the mechanism of coal bursts induced by quasi-resonance of roof-support system WANG Kai-xing1,XUE Jia-qi1,PAN Yi-shan1,DOU Lin-ming2,XIAO Yong-hui3(1.School of Mechanics and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin,Liaoning 123000,China;2.Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining of Ministry of Education,China University of Mining Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;3.School of Physics,Liaoning University,Shenyang,Liaoning 110036,China)Abstract:The mechanism and prevention of coal burst is an important issue in the study of coal mine dynamic disasters.The disturbance of surrounding rocks can trigger the quasi-resonance phenomena of roadway roof support system in close proximity to its resonant state,ultimately inducing impact disasters.This is manifested in three strong quasi-resonant responses,including roof displacement,velocity and acceleration.Based on the support instability and plastic buckling criteria,three safety factors and the corresponding dangerous disturbance frequency ratio interval for the dynamic failure of support are proposed,and the support damping control strategy is given,aiming at the impact disasters induced by the quasi-resonance of the roof support system.The results show that when the amplitude of disturbing force is lower than the critical failure force of the support under static loads,the quasi-resonant phenomena of roof support system is the main reason for the dynamic failure of support.The frequency ratio range of quasi-resonant dangerous disturbance for support failure is related to the damping ratio and force amplitude ratio of roof support system.With the increasing damping ratio,the displacement,velocity and acceleration response amplitudes at the roof quasi-resonance will decrease.The support damping is a controlling factor sensitive to these three types of quasi-resonant responses.When the damping ratio in the roof support system increases or the force amplitude ratio(the ratio between the amplitude of external disturbance and the critical load for static support failure)decreases,the dangerous disturbance frequency ratio interval of the support will narrow or even disappear.When the damping ratio and force amplitude ratio are small,the dangerous disturbance frequency ratio intervals of the roof support system under three quasi-resonant conditions are close.This study will enrich the understanding of the mechanism behind coal bursts and provide valuable insights for the design of support control.Keywords:coal bursts;quasi-resonance of roof-support system;support failure;control of preventing coal burst 718 岩 土 力 学 2023 年 1 引 言 冲击地压动力灾害严重威胁着煤炭资源的安全开采，国内外针对冲击地压发生机制及防治研究也在不断丰富发展。冲击地压发生机制的经典理论有强度理论1-2、刚度理论3、能量理论4、“三准则”理论5、“三因素”理论6、失稳理论7、煤岩体冲击倾向性理论8。近年来，冲击地压发生机制的研究不断取得进步。潘一山等9采用突变理论，得到了冲击地压发生的必要及充分条件。窦林名等10提出了冲击地压的强度弱化减冲理论。潘俊锋11提出了冲击能量启动理论。姜耀东等12采用双面剪切试验模型，解释了煤岩结构的滑动失稳孕育冲击启动的3 个阶段。马念杰等13基于岩体塑性区形态给出了蝶形冲击三准则。王恩元等14分析了应力波作用诱发冲击机制。鞠文君等15总结了煤岩冲击倾向的定性分析及定量评价研究进展，提出一种综合评价指标。谭云亮等16基于开采扰动原理，提出了冲击危险性动能评估指标。吴振华等17对地堑构造区冲击地压发生机制及矿震活动机械能了分析。杨科等18对真三轴单面临空下煤岩组合体的冲击破坏特征进行了试验研究。这些理论从煤岩体性质及地质构造，开采扰动因素等出发分析了冲击地压的发生过程，对认识冲击地压的发生机制提供了重要的理论依据。Kurlenya 等19通过对围岩爆破响应监测分析，发现深部岩体在受到爆破扰动作用时岩块位移发生交替变化，存在准共振现象。Kurlenya 等20分析了块系岩体准共振时的系统释放能量以及能量转换。钱七虎21在研究块系岩体运动规律时指出岩块系中的准共振现象，岩块的振动响应大小随时间变化，即具有频率特性，当激发动力冲量的频率与其相应时，可以预计岩块的振动将会加剧。Aleksandrova等22-24给出块系介质动力模型，研究了块系介质动力传播的频散特性和准共振特征。吴昊等25分析了岩体在扰动作用下的准共振现象。煤炭开采过程中巷道围岩与支护系统在围岩扰动下同样存在准共振现象，目前还没有从准共振的角度来解释顶板支护系统的冲击地压发生机制。同时，针对防冲控制近年来吸能支护防治冲击地压研究取得了显著发展，潘一山等26-28基于覆岩与支护系统动力模型提出防冲吸能支护理论，建立了冲击吸能耦合支护模型并提出三级吸能支护体系。欧阳振华等29分析了巷道上方不同位置冲击动力下巷道围岩和支护体系的动力响应规律。高明仕等30认为利用减震支护构件的强散射和释能作用可提高巷道支护效果。吴拥政等31发现通过高阻尼作用可快速抑制巷道围岩的冲击震动。支护阻尼对顶板支护系统准共振诱发的冲击破坏控制作用机制有待进一步研究。综上所述，本文对顶板支护系统准共振诱发的冲击机制及防冲控制进行研究将丰富和发展对冲击地压发生机制的认识，同时对顶板准共振作用下的防冲支护设计具有一定的指导意义。2 顶板支护系统动力响应与准共振分析 2.1 顶板顶板支护系统动力响应模型支护系统动力响应模型 巷道开掘后，支护与顶底板组成一个共同承载的力学系统，钱鸣高等32给出顶板支护系统示意模型