項目名稱: 大采高復(fù)合泥巖頂板煤巷桁架錨索組合支護研究
申報單位: 霍州煤電集團有限責(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)濟行業(yè)：B類型
計劃（基金）名稱和編號：霍州煤電集團2006年科技項目HZMDJSHT060002
項目起止時間: 2006年7月----2007年12月
項目簡介: 項目所屬科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域(礦井建設(shè)類巷道支護工程及煤礦開采),本項目主要用于煤系地層巷道的安全高效支護，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原理的基礎(chǔ)上綜合現(xiàn)場調(diào)研分析、計算機數(shù)值模擬、力學(xué)理論分析、工程類比法、現(xiàn)場試驗和礦壓觀測等方法，深入研究桁架錨索組合支護機理并對支護參數(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技術(shù)，實現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)條件巷道圍巖的有效控制。特點：本項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結(jié)構(gòu)，并對一系列條件下煤巷，如高地應(yīng)力（埋深達1200米）、圍巖強度低（10余米厚的泥巖頂板）、大斷面（跨度可達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)。最終形成的項目研究成果集桁架錨索系統(tǒng)、支護新構(gòu)件、支護參數(shù)設(shè)計、現(xiàn)場工業(yè)性試驗、礦壓觀測和控制技術(shù)為一體，軟、硬件配套且達到國際領(lǐng)先水平。
技術(shù)經(jīng)濟指標(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)的進步，對復(fù)雜地質(zhì)條件巷道支護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)濟效益。
立項背景、科技內(nèi)容、特點及應(yīng)用推廣情況：大采高綜合機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問題已成為制約大采高綜合機械化開采技術(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結(jié)構(gòu)相互作用機理還沒有充分科學(xué)的把握，從而未能有效地對癥下藥，運用科學(xué)的設(shè)計方法及設(shè)計出更科學(xué)合理的巷道支護方案；②部分復(fù)雜條件下的支護效果不理想，惡性冒頂事故時有發(fā)生。傳統(tǒng)的支護方式及相應(yīng)的支護理論已不適應(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)計思想不夠先進和合理，錨桿（索）尺寸及支護密度需進一步優(yōu)化，錨桿索之間受力不匹配，同時制約了掘進速度的提高，技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢不能充分體現(xiàn)；④煤巷錨桿（索）支護在施工、管理、及配套支護材料生產(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）支護巷道中存在許多安全隱患，制約了煤巷錨桿支護技術(shù)的進一步推廣和發(fā)展。
該項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)的實質(zhì)，從大采高綜采工作面切眼煤巷支護技術(shù)進步的需要出發(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技術(shù)研究。項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)和實用技術(shù)手段。項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，又提高了支護可靠性和改善支護效果，對于推動全國采準(zhǔn)巷道支護技術(shù)改革的進程有著重要意義。
發(fā)現(xiàn)、發(fā)明及創(chuàng)新點：（1）針對高地應(yīng)力和支承壓力、圍巖強度低及眾多地質(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特點、泥巖中性軸及位移的工程響應(yīng)，進而提出桁架錨索組合支護的總體新方案。
（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。采用正交試驗設(shè)計優(yōu)選桁架錨索組合支護的數(shù)值模擬計算方案，綜合FLAC2D、3D數(shù)值計算方法優(yōu)化支護參數(shù)，形成了大采高泥巖煤巷桁架錨索組合支護最優(yōu)化方案。
應(yīng)用情況：項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。實際應(yīng)用推廣的過程和方法為：
1、在白龍煤礦2-1101大采高切眼煤巷進行現(xiàn)場試驗，采用桁架錨索組合支護技術(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。
項目研究人員現(xiàn)就應(yīng)用情況在一些典型煤礦進行了取證，十個煤礦提供的應(yīng)用證明表明：項目研究成果成功解決了6～10m寬煤巷的支護難題，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、減輕了工人勞動強度，有利于礦井采掘銜接和高效生產(chǎn)，節(jié)約了巷道支護材料費、維修費，累計新增產(chǎn)值5.18億元，新增利稅2.89億元。
經(jīng)濟效益：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：項目研究成果豐富了高預(yù)應(yīng)力桁架錨索組合支護設(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度，提高了支護安全性和掘進效率;有利于提高成巷速度和掘進效率;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2007年度“大采高復(fù)合泥巖頂板煤巷桁架錨索組合支護研究”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研究”一等獎。
專利情況：桁架錨索弧形連接鎖緊器項目成功獲得國家專利號（中國 ZL 2008 20079194.9 ）
