冲击地压是煤矿开采中遇到的重大灾害之一^[1]，随着煤矿开采深度逐渐增加，冲击地压矿井越来越多，冲击地压造成的灾害越来越严重，冲击地压对支架的冲击是影响煤层开采安全的关键问题之一，而立柱是液压支架的关键动力元件^[2]。现有常规立柱的抗冲击性能有限，不能满足冲击地压巷道防冲支护要求，主要原因是突发冲击地压时，传递到立柱的外载表现为瞬间急增阻，常规立柱安全阀的动态响应速度跟不上冲击载荷造成的立柱增阻速度，在冲击急增阻阶段立柱发生弯曲破坏^[3-5]。因此，立柱的抗冲击性能亟待提高。在立柱上安装让位防冲装置能有效提高立柱的抗冲击力学能力^[6]，但需要让防冲装置压缩过程中具有恒定的承载力(无载荷波动性或较小的载荷波动系数)和稳定的变形破坏模式。而现有的锥形管、蜂窝管、复合材料管、泡沫填充管、折纹管等吸能装置或吸能构件在压缩过程中没有恒定承载力(均具有较大的载荷波动性)^[7-12]，不能满足立柱吸能装置的力学特性要求。

根据中华人民共和国国家标准^[13-14]，立柱应在承受1.5倍的额定力静载荷时和由机械冲击动载荷达到1.5倍的额定工作压力时，不出现功能失效，当液压控制系统产生冲击力时，冲击力在不大于安全阀工作压力150%的情况下，安全阀不应失效。因此，立柱让位防冲装置的承载力需要大于立柱工作阻力而小于1.5倍立柱工作阻力，这样可将防冲装置的承载力可设定为1.3倍立柱工作阻力。

矿用立柱恒阻让位防冲装置由接头、卡箍、吸能构件套、吸能构件和销钉构成，如图 1(a)。防冲装置是在圆形的金属管状的吸能构件套3内的下端插装有接头1，接头1的下端设一段空心段1-2，在空心段1-2处的接头1外圆周壁上设有卡箍槽1-1，在卡箍槽1-1中设有卡箍2，用于与常规立柱上端8连接时紧固。接头1的上端面与压头4的下端面接触连接，压头4为上端成带圆锥面4-1的圆柱体，在压头4的圆锥面4-1上连接喇叭形薄壁圆管5的喇叭口5-1，喇叭形薄壁圆管5采用薄壁的金属管制成，由压头4和喇叭形薄壁圆管5组成吸能构件。在吸能构件和吸能构件套3的上方固定连接带有销钉孔的吸能装置连接圆顶6，吸能装置连接圆顶6采用销钉通过圆顶6上销钉孔与支架顶梁连接。在接头1和吸能构件套3对应部位设有销钉孔1-3，在吸能构件套外圆周上对应设有圆柱销钉滑槽3-1，在圆柱销钉滑槽3-1中通过圆柱销钉7把吸能构件套3和接头1组合连接一起。防冲装置与立柱装配如图 1(b)。

图 1(Figure 1)

图 1 防冲装置示意图 Figure 1 Schematic diagram of anti-impact device 1—接头；1 -1—卡箍槽；1-2—空心段；1-3—销钉孔；2—卡箍；3—吸能构件套；3-1—圆柱销钉滑槽；4—压头；4-1—圆锥面；5—喇叭形薄壁圆管；5-1—喇叭口；6—吸能装置连接圆顶；7—圆柱销钉；8—常规立柱上端

当液压立柱受静载时，立柱正常工作，防冲装置不发生变形破坏，即使受较大静载，当达到立柱工作阻力时，液压阀正常开启，防冲装置承受力达不到防冲装置最大承载力，防冲装置也不发生变形破坏。当立柱受冲击载荷时，液压阀来不及打开，立柱受力大于工作阻力，当受力达到1.3倍的立柱工作阻力时(防冲装置最大承载力)，防冲装置中的吸能构件被压缩变形，吸能构件变形破坏过程有效避免立柱受力持续增加，吸能构件变形破坏时间为溢流阀开启提供时间，可有效提高支架的抗冲击性能。

将立柱恒阻让位防冲装置安装于液压支架立柱上用于巷道支护就将形成“围岩吸能支护”系统，突发冲击地压时，一是防冲装置本身吸收冲击能；二是防冲装置间接吸收冲击能(防冲装置被压缩后，让位空间给煤岩提供一定的能量释放空间)；三是将形成新的支护系统(防冲装置让位，支护体与围岩自调节后又形成新的“围岩支护”系统)；四是防冲装置变形破坏过程缓解立柱所受冲击力，也为溢流阀开启提供时间。这将大大提高“围岩支护”系统抵抗冲击地压能力，能有效防治和降低冲击地压灾害。

采用ABAQUS有限元分析软件建立吸能构件模型^[15-16]，压头假定为刚体，高160 mm，圆锥面粗端直径为110 mm，细端直径为100 mm。考虑薄壁圆管材料对构件防冲性能影响，对3种材料(T700L、Q550、Q235) 进行压缩模拟研究，材料参数见表 1。喇叭形薄壁圆管壁厚3 mm、内直径105 mm、圆管高度150 mm。3种材料构件的网状主要是四边形单元，单元特征长度为2 mm。构件压缩过程是约束压模头所有自由度，把薄壁圆管放在压头上方，采用一刚性板从薄壁圆管上方轴向以1 m/s恒定速度压下。刚性板与构件间采用自动点面接触，在变形过程中构件的内外表面设为自接触，摩擦系数均为0.3。

表 1(Table 1)

表 1 构件材料参数 Table 1 Material parameters of components 材料型号 ρ/(kg·m-3) E/GPa υ σs/MPa σb/MPa δ/% T700L 7850 210 0.3 720 790 16 Q550 7850 200 0.3 550 620 16 Q235 7850 200 0.3 235 380 16

表 1 构件材料参数 Table 1 Material parameters of components

部分材料吸能构件压缩变形数值模拟结果见图 2，图 2(a)为T700L材料吸能构件压缩变形过程图，图 2(b)为Q550材料吸能构件压缩变形过程图，图 2(a)、(b)从左至右变形图压缩率分别为0、30%、60%、100%。结果表明不同材料吸能构件压缩过程中均具有相同的稳定变形破坏模式。

图 2(Figure 2)

图 2 吸能构件变形 Figure 2 Deformations of energy-absorption component

不同材料的吸能构件压缩过程中力位移曲线、吸能位移曲线见图 3、4。从图 3、4可得：不同材料吸能构件压缩过程中均具有恒定的承载力，构件吸收能量随压缩距离增加而近线性增大。

图 3(Figure 3)

图 3 不同材料力位移 Figure 3 Force-displacement with different matirals

图 4(Figure 4)

图 4 材料吸能特性 Figure 4 Energy absorption characteristicwith

采用ABAQUS软件对防冲装置安装在常规立柱上受冲击载荷进行模拟分析，将常规液压立柱简化为无液压功能立柱，立柱长2 m，直径11 cm，立柱材料密度为7 850 kg/m³、弹性模量为210 GPa、泊松比为0.3、屈服应力为80 MPa。防冲装置简化为吸能构件，长0.3 m，其中薄壁圆管壁厚4 mm、内直径105 mm、圆管高度150 mm，材料为T700L。用一个刚体来模拟冲击物，给冲击物质量和速度来模拟冲击能量。

模拟冲击物的速度为2 m/s，冲击能为1 000 kJ，常规立柱变形如图 5(a)，安装防冲装置的立柱变形见图 5(b)，图 5(a)、(b)从左至右变形图受冲击时间分别为0、0.03、0.06、0.09、0.12、0.15s。常规立柱与安装防冲装置立柱受冲击时间力对比见图 6，时间变形对比见图 7。

图 5(Figure 5)

图 5 立柱变形 Figure 5 Column deformation

图 6(Figure 6)

图 6 立柱时间受力 Figure 6 Time force of columns

图 7(Figure 7)

图 7 立柱时间变形 Figure 7 Time deformation of columns

由图 5可知：冲击载荷作用下，常规立柱在0.03 s时就发生了弯曲变形；而吸能防冲立柱是吸能防冲构件先变形破坏(吸收部分冲击能)，然后立柱再开始弯曲变形破坏，在0.09 s时还未发生弯曲变形，且防冲立柱变形大大小于常规立柱变形，说明防冲装置的使用能有效增强立柱的抗冲击性能。

由图 6可得：常规立柱受冲击时，立柱受力瞬间增加，达到承载极限后，开始弯曲变形，抵抗冲击时间为20 ms。防冲立柱受冲击时，时间力曲线主要分为吸能防冲构件恒承载力变形让位阶段、吸能防冲构件变形完成后立柱受力增大阶段和立柱弯曲变形后受力减小等3个阶段，抵抗冲击时间为90 ms，其中吸能构件抗冲击时间为70 ms。吸能防冲构件恒承载力变形让位阶段有效降低了冲击载荷时立柱承受的冲击力；防冲构件变形让位阶段吸收了部分冲击能量，降低了作用于立柱上的冲击能量，增加了立柱抗冲击时间，这说明防冲立柱抗冲击性能明显优于常规立柱。

由图 7可得：强大冲击载荷作用下，常规立柱变形随冲击时间增加而增大，0.14 s时立柱变形量为268 mm；吸能防冲立柱在0~70 ms间不发生变形，70 ms后变形随冲击时间增加而增大，0.14 s时立柱变形量为120 mm，吸能立柱变形量仅为常规立柱的45%，这也说明防冲立柱抗冲击性能明显优于常规立柱。

1) 设计了一种矿用立柱恒阻让位防冲装置，防冲装置由接头、卡箍、吸能构件套、吸能构件和销钉构成，并给出了防冲装置工作及防冲原理。

2) 吸能构件压缩过程中具有恒定的承载力，不同材料吸能构件具有相同的稳定变形破坏模式。

3) 冲击载荷作用下，安装防冲装置立柱的变形大大小于常规立柱变形，吸能防冲构件变形阶段有效降低了冲击载荷时立柱承受的冲击力，防冲装置的使用大大增强了立柱的抗冲击性能。