項(xiàng)目名稱: 大采高復(fù)合泥巖頂板煤巷桁架錨索組合支護(hù)研究
申報單位: 霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司
主要完成人：曹耀豐 何富連 楊新華 張小康 馬文芳
樊啟文 郭新紅 劉云虎 楊廣斌 王俊虎 劉立東
主要完成單位：霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司、中國礦業(yè)大學(xué)（北京）、北京科技大學(xué)
專業(yè)（學(xué)科）分類名稱代碼：礦山支護(hù)工程440.3020、礦山壓力工程440.3010、煤礦開采440.3510
所屬國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)：B類型
計劃（基金）名稱和編號：霍州煤電集團(tuán)2006年科技項(xiàng)目HZMDJSHT060002
項(xiàng)目起止時間: 2006年7月----2007年12月
項(xiàng)目簡介: 項(xiàng)目所屬科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域(礦井建設(shè)類巷道支護(hù)工程及煤礦開采),本項(xiàng)目主要用于煤系地層巷道的安全高效支護(hù)，為煤炭資源的高產(chǎn)高效高安全開采提供安全可靠的礦井通道和開采空間。本項(xiàng)目針對復(fù)雜地質(zhì)條件下大采高大斷面巷道圍巖控制原理及技術(shù)存在的突出問題，在高預(yù)應(yīng)力桁架錨索主動支護(hù)原理的基礎(chǔ)上綜合現(xiàn)場調(diào)研分析、計算機(jī)數(shù)值模擬、力學(xué)理論分析、工程類比法、現(xiàn)場試驗(yàn)和礦壓觀測等方法，深入研究桁架錨索組合支護(hù)機(jī)理并對支護(hù)參數(shù)作合理設(shè)計，配套研發(fā)了新型的高預(yù)應(yīng)力桁架錨索系統(tǒng)，并形成了大采高復(fù)合泥巖頂板煤巷桁架錨索組合支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)條件巷道圍巖的有效控制。特點(diǎn)：本項(xiàng)目以桁架錨索弧形連接鎖緊器為核心部件，研發(fā)成功新型高可靠性桁架錨索主動支護(hù)結(jié)構(gòu)，并對一系列條件下煤巷，如高地應(yīng)力（埋深達(dá)1200米）、圍巖強(qiáng)度低（10余米厚的泥巖頂板）、大斷面（跨度可達(dá)10米）、長期受高支承壓力影響（采動和沿空留巷）、復(fù)雜水文地質(zhì)條件（頂板淋水）、圍巖劇烈變形和惡性垮冒的煤巷，深入研究聯(lián)合控制技術(shù)。最終形成的項(xiàng)目研究成果集桁架錨索系統(tǒng)、支護(hù)新構(gòu)件、支護(hù)參數(shù)設(shè)計、現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)、礦壓觀測和控制技術(shù)為一體，軟、硬件配套且達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：新技術(shù)的應(yīng)用有效地控制大采高煤巷的嚴(yán)重垮冒和片幫事故，巷道兩幫移近量最大不超過145mm，頂板下沉量最大不超過166mm，顯著降低工程綜合成本和提高綜合效益。
應(yīng)用推廣情況：研究成果滿足礦井安全生產(chǎn)需要并有利于礦井合理集中生產(chǎn)和高產(chǎn)高效開采，推動了巷道圍巖控制技術(shù)的進(jìn)步，對復(fù)雜地質(zhì)條件巷道支護(hù)難題或相似條件巷道具有重要的指導(dǎo)意義、參考價值和良好的推廣應(yīng)用前景。目前，已在霍州煤電、平煤、潞安、峰峰、金牛能源、中煤等煤業(yè)集團(tuán)十個礦推廣應(yīng)用，累計新增產(chǎn)值5.18億元，新增利稅2.89億元，取得了顯著的技術(shù)、社會和經(jīng)濟(jì)效益。
立項(xiàng)背景、科技內(nèi)容、特點(diǎn)及應(yīng)用推廣情況：大采高綜合機(jī)械化開采是二十一世紀(jì)國際采煤工業(yè)的發(fā)展方向和中國煤炭工業(yè)高產(chǎn)高效高安全開采方法之一，相比一般采高綜合機(jī)械化開采厚煤層具有無可比擬的優(yōu)越性，而大采高綜采必然帶來大斷面巷道支護(hù)難題，尤其是復(fù)合泥巖頂板、高地應(yīng)力等復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面煤巷的支護(hù)問題已成為制約大采高綜合機(jī)械化開采技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵難題。近年來，我國煤巷錨桿支護(hù)已有了長足發(fā)展，但總體來說仍存在以下幾個方面問題：①我國煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，對不同地質(zhì)條件巷道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理還沒有充分科學(xué)的把握，從而未能有效地對癥下藥，運(yùn)用科學(xué)的設(shè)計方法及設(shè)計出更科學(xué)合理的巷道支護(hù)方案；②部分復(fù)雜條件下的支護(hù)效果不理想，惡性冒頂事故時有發(fā)生。傳統(tǒng)的支護(hù)方式及相應(yīng)的支護(hù)理論已不適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下的大采高大斷面切眼煤巷圍巖控制的需要，給煤礦生產(chǎn)與安全帶來很大困難和隱患；③設(shè)計思想不夠先進(jìn)和合理，錨桿（索）尺寸及支護(hù)密度需進(jìn)一步優(yōu)化，錨桿索之間受力不匹配，同時制約了掘進(jìn)速度的提高，技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢不能充分體現(xiàn)；④煤巷錨桿（索）支護(hù)在施工、管理、及配套支護(hù)材料生產(chǎn)加工和質(zhì)量監(jiān)測等方面還存在一定的盲目性，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，造成了錨桿（索）支護(hù)巷道中存在許多安全隱患，制約了煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的進(jìn)一步推廣和發(fā)展。
該項(xiàng)目透徹地分析大采高大斷面復(fù)合泥巖頂板巷道礦壓顯現(xiàn)的實(shí)質(zhì)，從大采高綜采工作面切眼煤巷支護(hù)技術(shù)進(jìn)步的需要出發(fā)，充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力桁架錨索結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，克服單純錨索支護(hù)不能提供水平張緊力的缺陷，從根本上解決了錨索鋼帶聯(lián)合支護(hù)的被動承載問題，開展大采高切眼煤巷預(yù)應(yīng)力桁架錨索組合支護(hù)技術(shù)研究。項(xiàng)目研究成果為大采高復(fù)合泥巖頂板巷道或相似條件巷道的圍巖控制提供理論指導(dǎo)和實(shí)用技術(shù)手段。項(xiàng)目研究成果既有利于控制巷道惡性冒頂事故和節(jié)省施工成本，又提高了支護(hù)可靠性和改善支護(hù)效果，對于推動全國采準(zhǔn)巷道支護(hù)技術(shù)改革的進(jìn)程有著重要意義。
發(fā)現(xiàn)、發(fā)明及創(chuàng)新點(diǎn)：（1）針對高地應(yīng)力和支承壓力、圍巖強(qiáng)度低及眾多地質(zhì)水文因素等影響的煤巷圍巖控制難題，分析大采高復(fù)合泥巖頂板煤巷圍巖及其維護(hù)特點(diǎn)、泥巖中性軸及位移的工程響應(yīng)，進(jìn)而提出桁架錨索組合支護(hù)的總體新方案。
（2）提出了以桁架錨索弧形連接鎖緊器（專利號ZL 2008 2 0079194.9）為核心部件的新型高可靠性桁架錨索主動支護(hù)結(jié)構(gòu)，研發(fā)的弧形連接鎖緊器集成了桁架錨索系統(tǒng)的連接和鎖緊功能，解決了高水平預(yù)緊力的張拉難題。
（3）桁架錨索系統(tǒng)能在水平和鉛垂方向同時提供有效支護(hù)力，有效降低煤巷中部區(qū)域煤巖體最大拉應(yīng)力。
（4）桁架錨索系統(tǒng)錨固點(diǎn)位于巷道兩肩窩深部不易破壞的三向受壓巖體，其承載基礎(chǔ)穩(wěn)固可靠。
（5）建立凹槽型桁架錨索結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，推導(dǎo)得出極限錨固力和預(yù)緊力的計算公式。采用正交試驗(yàn)設(shè)計優(yōu)選桁架錨索組合支護(hù)的數(shù)值模擬計算方案，綜合FLAC2D、3D數(shù)值計算方法優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，形成了大采高泥巖煤巷桁架錨索組合支護(hù)最優(yōu)化方案。
應(yīng)用情況：項(xiàng)目研究人員對已取得的成果分階段及時組織推廣，最終通過多種途徑應(yīng)用推廣至其他煤業(yè)集團(tuán)。實(shí)際應(yīng)用推廣的過程和方法為：
1、在白龍煤礦2-1101大采高切眼煤巷進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，采用桁架錨索組合支護(hù)技術(shù)解決了白龍礦大采高復(fù)合泥巖頂板煤巷支架損毀及惡性冒頂難題，受到了現(xiàn)場的高度評價和普遍歡迎。
2、霍州煤電集團(tuán)組織所屬礦井在白龍煤礦參觀學(xué)習(xí)，并繼續(xù)與中國礦業(yè)大學(xué)（北京）合作，將項(xiàng)目研究成果推廣應(yīng)用到三交河、龐龐塔、辛置等煤礦，效果顯著。
項(xiàng)目研究人員現(xiàn)就應(yīng)用情況在一些典型煤礦進(jìn)行了取證，十個煤礦提供的應(yīng)用證明表明：項(xiàng)目研究成果成功解決了6～10m寬煤巷的支護(hù)難題，消除了巷道支架損毀、惡性冒頂及片幫事故，保障了工人安全、減輕了工人勞動強(qiáng)度，有利于礦井采掘銜接和高效生產(chǎn)，節(jié)約了巷道支護(hù)材料費(fèi)、維修費(fèi)，累計新增產(chǎn)值5.18億元，新增利稅2.89億元。
經(jīng)濟(jì)效益：新增利潤＝新增產(chǎn)值×15％＋節(jié)支
節(jié)支＝2134.58＋1669.44＋1027.57＋1254.35＋454.23＝6540.17萬元
新增利潤＝15941.23×15％＋6540.17＝8931.35萬元
新增稅收＝8931.35×32％＝2858.03萬元
年增收節(jié)支總額：8931.35×12/26＝4122.16萬元
社會效益：項(xiàng)目研究成果豐富了高預(yù)應(yīng)力桁架錨索組合支護(hù)設(shè)計范例，為復(fù)合泥巖頂板大斷面巷道或相似條件下巷道的圍巖控制提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)用技術(shù)手段;煤巷的支架-圍巖系統(tǒng)保持穩(wěn)定，圍巖變形小，確保了礦井通風(fēng)、瓦斯、運(yùn)輸對巷道斷面的要求；消除了巷道支架損毀、惡性冒頂及片幫事故，避免因此帶來的人員傷亡;減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了支護(hù)安全性和掘進(jìn)效率;有利于提高成巷速度和掘進(jìn)效率;簡化切眼煤巷設(shè)備的安裝工序、改善安裝施工條件。
獎勵情況：霍州煤電集團(tuán)2007年度“大采高復(fù)合泥巖頂板煤巷桁架錨索組合支護(hù)研究”一等獎；
中國煤炭工業(yè)協(xié)會2009年度“大采高復(fù)合泥巖頂板煤巷桁架錨索組合支護(hù)研究”一等獎。
專利情況：桁架錨索弧形連接鎖緊器項(xiàng)目成功獲得國家專利號（中國 ZL 2008 20079194.9 ）
