0.   引　　言

液压支架支护是巷道冲击地压防治重要环节，随着我国冲击地压发生机理和理论研究的不断深入和完善，巷道液压支架在冲击地压发生启动和破坏过程所起的作用逐步得到重视^[1-3]。2020年7月1日，国家煤监局颁布实施的《煤矿安全生产标准化管理体系基本要求及评分方法(试行)》中首次提出“冲击地压矿井使用工作面端头支架、两巷超前支护液压支架和吸能装置”，并作为煤矿采煤标准化评分项^[4]。在传统的巷道液压支护装备上安装吸能装置，是近几年我国冲击地压矿井支护的重大进步，巷道防冲支架可以有效提升巷道防冲能力^[5-7]。吸能液压支架立柱是巷道防冲支架的关键承载部件，支架的抗冲性能主要通过吸能液压支架立柱实现^[8-9]，开展冲击载荷下巷道吸能液压支架立柱防冲性能研究对于支架参数及结构设计具有重要的理论和实践意义。

近年来，学者们在巷道支护方面进行了大量研究。潘一山等^[2]提出了冲击地压巷道三级支护理论、冲击地压矿井巷道支护理论^[10]，设计出的防冲液压支架在义马耿村矿安装应用，经受住了M_L3.0级冲击地压，巷道支护完好无人员伤亡^[11]。唐治等^[12]设计出了自移式吸能防冲巷道超前支架。刘欣科等^[13]对液压立柱在冲击载荷作用下动态响应进行了数值模拟研究，赵忠辉等^[14]分析了立柱的应力、应变分布，研究了立柱的抗冲击性能。安栋等^[15]探究了防冲吸能构件的力学特性及其应用效果，肖永惠等^[16]对支架吸能构件屈曲吸能可靠性进行了研究，许海亮等^[17]依据塑性变形区域最大化原则提出了一种新型矿用吸能构件。学者们在巷道支架支护和吸能防冲领域取得了许多有价值的研究成果，但现有研究大多集中于吸能构件设计和单一立柱的防冲能力，吸能液压支架立柱整体的防冲性能、吸能装置与液压系统的整体受冲过程等方面还需要进一步研究。

笔者采用有限元与光滑粒子流体动力学方法建立了吸能液压支架立柱流固耦合、流体大变形模型，实现了立柱在冲击载荷作用下的数值模拟。根据防冲支护设计六项原则，对比了普通液压支架立柱与吸能液压支架立柱的防冲性能，为后续吸能液压支架立柱优化设计、防冲支架的改进提供参考。

1.   吸能液压支架立柱设计

1.1   巷道液压支护现状

冲击地压多发生于巷道中^[18]，提高支护应力可显著提高冲击地压发生的临界荷载^[19-20]，液压支架支护被广泛应用于巷道冲击地压的防治。但由于冲击地压的复杂性，某些情况下冲击地压仍会不可避免的发生。传统液压支架受冲时普遍存在抗不住、让不及、吸不了的问题，支架受冲破坏照片如图1所示，难以在冲后形成有效防护。

图  1  支架受冲破坏照片

Figure  1.  Photo of support damage

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1.2   防冲吸能装置

潘一山等^[11]根据冲击地压扰动响应失稳理论、巷道防冲支护理论，提出了防冲支护设计6项原则，从让位位移、让位阻力、让位速度、让位刚度、让位频率、让位能量6个方面设计了防冲装置。该装置是一种带有预折纹的薄壁结构，由高强钢采用固定模具压制而成，是液压立柱防冲吸能的核心构件^{[8, 15]}，装置外观及尺寸如图2所示。

图  2  吸能装置外观及尺寸

Figure  2.  Appearance and dimensions of the energy-absorbing device

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1.3   吸能防冲液压立柱

某单元式巷道吸能液压支架装载的FCZ1650/25/42型吸能液压立柱结构简化模型如图3所示，包括液压活塞、高压缸、低压缸、吸能套筒4个部分，缸内填充乳化液，吸能套筒装载吸能装置。当围岩发生剧烈冲击时，吸能装置达到启动荷载后将高速吸能让位，使液压缸体在引导下发生位移，保护柱体各部分不受损坏。该立柱的核心参数见表1，设计满足国家标准GB25974.2—2010《液压支架立柱技术条件》^[21]，本课题组研制的不同结构与防冲性能的巷道防冲液压支架如图4所示，目前已在耿村煤矿、龙家堡煤矿、辽宁老虎台等矿开展应用。

图  3  吸能防冲液压支架立柱结构

Figure  3.  Model of energy-absorbing hydraulic bracing column

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表  1  吸能液压支架立柱核心参数

Table  1.  Energy-absorbing hydraulic bracing column core parameters

（a）液压立柱参数
缸壁内径/ mm	缸壁壁厚/ mm	初撑力			工作阻力
		液压/MPa	反力/kN		液压/MPa	反力/kN
ø230/ø180	21.5/17.5	31.5	1309		39.5	1650
（b）吸能装置参数
让位阻力/ kN	材料强度/ MPa	壁厚/ mm			设计让位位移/ mm
2500	890	8			130

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图  4  吸能防冲液压支架架型

Figure  4.  Suction anti-impact hydraulic support frame type

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2.   液压支架立柱有限元模拟

2.1   液压模拟

液压缸内充满高压乳化液，乳化液与液压缸壁接触部位对模拟精度有较高要求，光滑粒子流体动力学方法(SPH)可用于处理具有高应力、大变形特点的乳化液^[22-24]。首先对乳化液基本属性进行定义，乳化液密度设置为1.08 t/mm³，选用US-UP状态方程，取c₀=1400 m/s，s=0，Gamma=0。使用有限元模拟软件提供的无网格粒子化模拟方法，在单元控制属性界面将其转化为粒子，设置为三次(Cubic)样条曲线差值，取PPD=1，实现乳化液的粒子化。

2.2   立柱模拟

模拟中防冲吸能装置及缸体材料与实际完全一致。缸体高强钢的屈服强度取835 MPa，弹性模量206 GPa，泊松比0.3；吸能装置钢材屈服强度取890 MPa，弹性模量206 GPa，泊松比0.26。缸体采用实体单元以C3D8R、单元尺寸30划分网格；吸能装置采用壳单元以S4R、单元尺寸6划分网格。吸能套筒底部施加固定约束，活塞顶部限制水平位移，其余部位不设约束。通用接触，摩擦系数取0.3^{[2, 6]}，吸能液压立柱有限元计算模型如图5所示，普通液压立柱模型不设置吸能套筒。

图  5  立柱有限元模型

Figure  5.  Finite element model of the column

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3.   液压支架立柱冲击试验

3.1   试验布置

对吸能液压支架立柱进行冲击试验。立柱底端安装于试验台下方凹槽内，柱顶施加1000 kN静载，0.9 s后叠加4000 kN冲击荷载。使用传感器记录立柱缸内液体压力、支护阻力等数据，使用2000 Hz高速摄相机捕捉立柱冲击过程中油缸壁标识点的位移量，试验现场环境如图6所示。

图  6  试验环境照片

Figure  6.  Experimental environment photos

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3.2   试验过程

立柱阻力在0.9 s叠加冲击后突然增大，并在0.9473 s时增至3662.9 kN，位移由118.36 mm增至282.51 mm，静动转换过程在47.3 ms内完成，液体压力迅速由0.9 s时的26.37 MPa增至91.44 MPa，伴随震动现象，固有频率约为12.5 Hz。在3.24 s时立柱缸体产生屈服现象，出现活塞杆密封失效、液控单向阀损坏等多种失效现象，负载阻力与液体压力均下降，位移持续上升。

3.3   结果对比

同时进行立柱的模拟加载，模拟采用与试验相同的荷载设置。施加冲击荷载后试验与模拟位移结果对比如图7所示。液压立柱在加荷后约10 ms开始变形，立柱变形迅速增大。在冲击后约38 ms时刻位移曲线逐渐平缓并最终保持稳定，试验立柱位移从3.9 mm增至159.0 mm，增加了155.1 mm；模拟立柱位移从9.2 mm增至171.9 mm，增加了162.7 mm，模拟与试验结果基本一致。

图  7  现场试验与模拟结果对比

Figure  7.  Comparison of on-site experimental and simulation results

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4.   液压支架立柱防冲性能

4.1   荷载设置

在液压活塞上端逐步施加0.6倍工作阻力的集中力，代表液压立柱的初撑力，待系统稳定后施加冲击荷载。防冲支架放置于煤矿巷道内，冲击地压发生后仍需其提供足够的承载力避免二次灾害，故冲击全程预压不卸载。参考国家标准^[21]，该尺寸液压立柱可使用7 t重锤经自由落体进行冲击试验^[25-26]。取系数为1.5，使用4.5、7、10.5 t的重锤以8 m/s的速度对普通液压立柱和吸能液压立柱进行模拟加载。

4.2   让位位移

以7 t重锤冲击为例，2种液压立柱位移时程如图8所示，图中0时刻为冲击开始时刻。对于普通液压立柱，在冲击后39 ms达到最大位移260 mm；对于吸能液压立柱，吸能装置在冲击后23 ms启动变形、迅速让位，立柱位移从200 mm降低至123 mm，39 ms时吸能装置被完全压溃，装置失效后立柱位移回升，出现第2个位移峰值。不同质量重锤冲击下2种立柱位移最大值见表2。在4.5、7、10.5 t重锤冲击下吸能立柱位移比普通立柱分别降低了16%、23%、30%。

图  8  立柱位移时程曲线

Figure  8.  Column displacement time history curve

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表  2  立柱位移最大值

Table  2.  Maximum column displacement

立柱类型	不同冲击锤质量下的位移/mm
	4.5 t	7 t	10.5 t
普通立柱	222	261	291
吸能立柱	187	199	204
吸能装置	101	135	136

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4.3   让位阻力

立柱缸壁应力可反映支护阻力水平。以7 t重锤冲击为例，2种立柱缸壁应力最大时刻应力云图如图9所示。

图  9  缸壁应力云图

Figure  9.  Stress cloud map of cylinder wall

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7 t重锤冲击下2种立柱高压缸缸壁应力随时间变化曲线如图10所示。吸能立柱在冲击后23 ms缸壁应力升至600 MPa，吸能装置开始变形，2 ms后缸壁应力达到690 MPa后出现下降，冲击39 ms后吸能装置失效，缸壁应力回升；普通立柱在冲击后26 ms缸壁应力达到材料屈服应力不再进一步上升，在冲击后43 ms开始下降。不同重锤冲击下立柱缸壁应力最大值见表3。

图  10  立柱应力时程曲线

Figure  10.  Column stress time history curve

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表  3  立柱缸壁应力最大值

Table  3.  Maximum stress on column cylinder wall

立柱类型	不同冲击锤质量下的应力/MPa
	4.5 t	7 t	10.5 t
普通立柱	781	835	835
吸能立柱	677	690	744

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4.4   让位速度

冲击荷载下立柱最大让位速度见表4。吸能液压立柱发生弹性变形时让位速度最快，且具有可恢复性，适应频繁的围岩小震冲击；面对大震时吸能装置塑性变形让位速度稍低，理想情况是粘性小塑性大，当理想塑性时同样具有最快变形速度，实现支架的快速让位，满足防冲支护的速度指标。由表4可见，强冲击下吸能装置压溃速度更快、变形持续时间更短。受立柱回弹与外载双重作用，吸能装置让位速度均大于重锤冲击速度，可以瞬时响应高速围岩冲击。

表  4  立柱让位速度

Table  4.  Column yielding velocity

冲击锤 质量/t	液压立柱最大 让位/(m·s−1)	吸能装置最大 让位/(m·s−1)	吸能装置压溃 总用时/(m·s−1)
4.5 t	7.89	11.1	18
7 t	8.12	13.4	15
10.5 t	8.33	18.5	13

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4.5   让位刚度

普通液压立柱仅存在弹性刚度；吸能装置具有可变刚度，可调控吸能液压立柱整体结构刚度。冲击荷载下2种立柱位移−支护阻力曲线如图11所示。吸能液压立柱在吸能装置变形前后表现为弹性刚度，吸能装置压溃期间则表现为塑性刚度，弹性刚度为K_t1= 3.08×10⁷ N/m和K_t2= 3.49×10⁷ N/m，塑性刚度K_s= −4.31×10⁷ N/m，其中塑性刚度为负。弹性让位刚度使支架对围岩具有合理的变形约束能力和弹性缓冲作用，防御小震的频繁冲击；塑性让位刚度能够调控支架过载后的结构刚度，以迅速降低围岩冲击力峰值，满足防冲支护的刚度指标。

图  11  立柱的位移与支护阻力

Figure  11.  Column displacement and bracing resistance

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4.6   让位频率

围岩震动频率与支架固有频率接近时,会与支架产生共振，此时较小的震级也会造成支架的严重破坏。理想的吸能装置塑性变形阶段频率为0，能够在立柱过载时瞬时改变立柱固有频率。7 t重锤冲击下对2种立柱冲击荷载下的地基反力进行快速傅里叶变换（FFT），立柱反力和反力频谱如图12所示。吸能液压立柱在受冲变形下频率为0，能够彻底防止立柱及支架在围岩冲击、震动下发生共振。

图  12  立柱基底反力时程与频谱

Figure  12.  Base reaction force time history and spectrum of the column

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4.7   让位能量

液压立柱应具有储能吸能能力，保证支架结构不受损坏。液压缸体发生弹性变形储存弹性能，吸能装置则发生塑性变形吸收能量。7 t重锤冲击下2种立柱能量时程如图13所示。普通液压立柱缸体弹性能达到280 kJ后不再上升，并开始产生塑性变形，最终塑性变形能达96 kJ；吸能液压立柱缸体弹性能峰值为204 kJ，比普通立柱降低了27%，吸能装置塑性吸能量为266 kJ。

图  13  立柱能量时程

Figure  13.  Column energy time history

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不同重锤冲击下2种立柱让位能量见表5。对于普通液压立柱，在7 t和10.5 t重锤冲击下缸体弹性能达到最大值后产生塑性变形；对于吸能液压立柱，立柱最大弹性能在200 kJ附近，缸体不发生塑性变形。

表  5  立柱让位能量

Table  5.  Yielding energy of the column

指标类型	不同冲击锤质量下的能量/kJ
	4.5 t	7 t	10.5 t
吸能立柱 缸体弹性变形能	198	204	223
吸能装置 塑性变形能	112	266	272
普通立柱 缸体弹性变形能	247	279	280
普通立柱 塑性变形能	0	96	210

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5.   液压支架立柱防冲过程

5.1   立柱的工作阶段

在7 t重锤冲击下吸能液压立柱防冲响应如图14，可分为4个阶段。第1阶段为弹性承压阶段，从冲后10 ms时起立柱弹性能与缸壁应力开始稳步攀升。第2阶段为吸能装置作用阶段，在25 ms时刻吸能装置开始被压溃，高速让位吸能，39 ms时刻达到设计位移后停止变形，立柱出现震动现象，在39～44 ms内立柱震荡约3次后吸能装置位移稳定在135 mm；在吸能装置变形后2 ms立柱弹性能达到极大值204 kJ、缸壁应力达到690 MPa，随后开始回落，弹性能经震动保持在70 kJ，缸壁应力300 MPa。第3阶段为阻力回升阶段，在44～61 ms内冲击锤动能逐步被立柱消耗吸收，57 ms时刻立柱弹性能回升至98 kJ并开始保持，缸壁应力499 MPa。第4阶段为泄压阶段，冲击锤动能在61 ms时降为0，立柱弹性能保持约12 ms后逐步降低。

图  14  立柱防冲响应阶段

Figure  14.  Column impact response stages

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5.2   立柱的抗冲能力

2种液压支架立柱抗冲指标见表6。围岩冲击能量过大时，吸能液压立柱在阻力回升阶段无法负荷剩余的冲击能，缸体结构将发生塑性变形而失去承载能力，该型号吸能液压立柱可承受最大重锤冲击能为368 kJ，是普通液压立柱的2.3倍。矿用液压支架立柱的泄压阀需要在立柱受冲后尽快启动，保护立柱不被冲坏，工程上一般要求泄压阀在立柱缸壁应力过高而发生塑性应变之前完全启动，对缸体和泄压阀有较高要求。该型号吸能液压立柱泄压阀允许开启时间为39 ms，是普通液压立柱的2倍。

表  6  立柱的抗冲参数

Table  6.  Column impact resistance parameters

立柱类型	可承受最大 冲击能/kJ	最大弹性让位 位移/mm	泄压阀允许 开启时间/ms
普通立柱	160	264	18
吸能立柱	368	396	39

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6.   结　　论

1)采用有限元和SPH方法建立了吸能液压支架立柱数值模型，使用冲击试验台进行了吸能液压支架立柱受冲试验，试验立柱位移增量与模拟结果差距为5%，模拟与试验结果基本一致。

2)根据防冲支护设计6项原则探讨了防冲液压支架立柱的防冲性能。让位位移方面，吸能立柱最大位移比普通立柱降低了25%；让位阻力方面，吸能立柱比普通立柱最大让位阻力降低了18%；让位速度方面，吸能装置压溃速度远大于重锤冲击和立柱压溃速度，10.5 t重锤冲击下可在13 ms内完全压溃，让位速度达18.5 m/s；让位刚度方面，吸能立柱具有可变刚度，在吸能装置启动前后表现为弹性刚度，吸能装置压溃时表现为塑形刚度；让位频率方面，吸能立柱让位防冲时的固有频率为0，避免与围岩发生共振；让位能量方面，吸能立柱整体吸能量比普通立柱提高了80%。

3)总结了吸能液压支架立柱的防冲响应过程可分为4个阶段：弹性承压阶段、吸能装置作用阶段、阻力回升阶段、泄压阶段。发现防冲液压立柱可承受最大冲击能为368 kJ，是普通液压立柱的2.3倍，液压阀开启时间则可达到40 ms，为普通液压立柱的2倍。