【摘 要】
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煤矿冲击地压灾害随着开采深度的增加会愈发严重,造成严重的人员伤亡与财产损失。提高巷道液压支架支护能力是防范冲击地压灾害的重要手段之一。液压支架中加入防冲吸能器,通过吸能器变形耗能吸收冲击地压能量能为液压支架开阀排液提供缓冲时间,提高支架-围岩耦合支护体系支护能力。为了有效防范冲击地压灾害,提高液压支架支护能力,亟需研究性能更加优良的防冲吸能结构。本文将蜂窝结构引入冲击地压巷道支护中,结合试验与数值
【基金项目】
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重点实验室开放基金项目（GJNY-20-113-01）国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室“冲击载荷下煤柱坝体力学响应与破坏特征及防冲优化设计”项目；
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煤矿冲击地压灾害随着开采深度的增加会愈发严重,造成严重的人员伤亡与财产损失。提高巷道液压支架支护能力是防范冲击地压灾害的重要手段之一。液压支架中加入防冲吸能器,通过吸能器变形耗能吸收冲击地压能量能为液压支架开阀排液提供缓冲时间,提高支架-围岩耦合支护体系支护能力。为了有效防范冲击地压灾害,提高液压支架支护能力,亟需研究性能更加优良的防冲吸能结构。本文将蜂窝结构引入冲击地压巷道支护中,结合试验与数值仿真研究了不同单胞形状、不同单胞承载方向、不同单胞壁厚、不同单胞壁长下不同单胞形貌蜂窝结构的吸能特性及变形失稳模式,最终将蜂窝结构引入液压支架防冲吸能器核心结构之中,探究不同冲击速率与不同单胞尺寸下蜂窝吸能结构的防冲性能,为支护系统防冲吸能器的设计提供理论依据。主要研究结论如下:（1）本文开展了对角承载、横向承载两种单胞承载方向与四边形、六边形两种单胞形状组合下共四种蜂窝结构的准静态加载试验,结果表明:蜂窝结构变形可分为四阶段:Ⅰ.单胞变形阶段;Ⅱ.稳态塑性压溃段;Ⅲ.密实压缩段;IV.完全压密段;单胞形状与单胞承载方向会影响蜂窝结构力学性能及变形模式,但不改变蜂窝四阶段变形特征;对比了不同蜂窝结构力学响应参数,对角承载六边形蜂窝结构稳定吸收能量的能力较强;蜂窝结构整体的变形在第二阶段中因单胞形状与承载方向的不同出现初始横向变形带和斜向变形带两种单胞逐层坍塌模式;蜂窝结构初始变形带的出现源于胞壁屈曲失稳及胞壁屈曲失稳导致的蜂窝单胞剪切变形,且四边形单胞蜂窝结构相比六边形单胞蜂窝结构胞壁屈曲更加严重。（2）针对稳定吸能能力较优异的对角承载六边形蜂窝结构,本文深入研究了单胞壁厚以及单胞壁长对蜂窝结构吸能行为的影响,结果表明:减少单胞壁长与增加单胞壁厚都会提高蜂窝结构的平台应力,并增大蜂窝结构第二阶段应力波动幅度。但应力波动幅度的增长率远小于平台应力的增长率;同时单胞壁长与单胞壁厚的改变会影响蜂窝结构应力曲线四阶段行程占比的变化,且影响的主要是稳态塑性压溃段;单胞壁厚与单胞壁长会影响单胞变形模式,单胞壁厚越厚壁长越短蜂窝单胞越容易产生竖直对角节点相对位移,两侧竖直胞壁偏转变形的变形模式。单胞壁厚与壁长不改变蜂窝单胞剪切变形失稳的本质。（3）为了深入研究对角承载六边形蜂窝结构的动态吸能行为,本文进行了对角承载六边形蜂窝结构动态仿真模拟,探究了蜂窝结构整体失稳的吸能机制。结果表明:考虑惯性力作用的动态仿真模拟下对角承载蜂窝结构载荷位移曲线与静载下趋势相似,存在四阶段演化规律,但整体载荷位移曲线出现滞后现象;六边形单胞六个节点呈现统一向下的位移与跟随剪切方向的左右位移,且主要位移集中于稳态塑性压溃段;在蜂窝结构变形过程中单胞所承受应力主要集中于节点处,随着单胞变形程度的加剧,应力集中区域由节点两侧的对称分布逐渐转化为局部节点两侧的非对称分布;蜂窝单胞随着应力加剧会从对称变形模式转换到非对称剪切变形模式,最终单胞坍塌失效引发蜂窝结构逐层坍塌连锁反应。（4）为了将对角承载六边形蜂窝结构应用于冲击地压巷道支护中,本文对真实尺寸下对角承载六边形蜂窝结构进行了不同初始动能与不同单胞壁厚下的动态仿真模拟,材料选用了常用的合金钢。结果表明:冲击速率越高,冲击能量越高,对角承载六边形蜂窝结构变形模式存在转变。当能量超过蜂窝结构某一阶段可吸收能量阈值时蜂窝结构会进入下一变形阶段。例如当冲击速率为10m/s时蜂窝结构稳态塑性压溃段无法吸收全部动能,蜂窝结构进入密实压缩段继续吸收动能,载荷位移曲线呈上升趋势;当冲击能量一定时,随单胞壁厚的增加,蜂窝结构承载能力得到提升,同时稳态变形阶段波动幅度也会提升。但当单胞壁厚过小时,蜂窝结构会进入压密阶段,载荷曲线出现上升,整体载荷曲线波动幅度也随着变大。因此在280k J冲击能量下选用40mm壁长、10mm壁厚的对角承载蜂窝结构能满足基础承载力要求且不进入蜂窝结构第三变形阶段,对比折楞管结构拥有更高的承载能力、且波动幅度更小。
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