牟建 羅明國(guó)

目前我國(guó)在礦井開拓部署和采區(qū)巷道布置方面，各礦普遍采用的分層開拓、分層布置采區(qū)的方法，逐步地改為集中開拓、聯(lián)合布置采區(qū)的方法，這樣就出現(xiàn)集中開拓大巷和采區(qū)集中上（下）山等底板巖石集中巷?，F(xiàn)階段對(duì)跨采動(dòng)壓巷道圍巖破壞機(jī)理及巷道支護(hù)技術(shù)已經(jīng)有了許多研究，也取得了許多成果。但這些成果并不能解決所有動(dòng)壓巷道的穩(wěn)定性問題，受多次采動(dòng)影響的巷道的變形及失穩(wěn)情況與許多因素有關(guān)，不能用普適理論來解決這些問題。通過對(duì)跨采底板巷道圍巖穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)研究，開展代池壩煤礦錨桿支護(hù)與加固技術(shù)與工藝改革，促進(jìn)高強(qiáng)錨注支護(hù)技術(shù)配套性日臻完善，對(duì)整個(gè)礦區(qū)急傾斜煤層跨采底板巷道支護(hù)具有重要的意義，同時(shí)實(shí)施無煤柱護(hù)巷跨采不僅可以提高煤炭資源回收率，改善巷道的維護(hù)條件，而且對(duì)于降低巷道掘進(jìn)率，改善礦井生產(chǎn)系統(tǒng)也有重要意義。

1主要研究?jī)?nèi)容、技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)路線

1.1主要研究?jī)?nèi)容

項(xiàng)目擬采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與測(cè)試、理論分析、數(shù)值模擬、工業(yè)性試驗(yàn)等綜合研究方法，研究分析巷道應(yīng)力分布規(guī)律，巷道圍巖變形破壞特征，通過對(duì)+320東大巷巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究和數(shù)值模擬研究，針對(duì)性提出急傾斜煤層跨采底板動(dòng)壓巷道圍巖控制方案，并在+320東大巷中開展工業(yè)性試驗(yàn)和相關(guān)礦壓觀測(cè)驗(yàn)證工作，最終形成急傾斜煤層跨采底板動(dòng)壓巷道支護(hù)技術(shù)體系用于進(jìn)一步推廣應(yīng)用。具體研究?jī)?nèi)容為：

（1）跨采動(dòng)壓巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

急傾斜煤層跨采底板動(dòng)壓巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析評(píng)判研究對(duì)象自身?xiàng)l件和力學(xué)響應(yīng)特性的過程，是進(jìn)行巷道圍巖礦壓治理研究工作的基礎(chǔ)，主要內(nèi)容包括現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)工程條件調(diào)查和資料收集分析、圍巖結(jié)構(gòu)與力學(xué)特征測(cè)試分析、圍巖應(yīng)力環(huán)境實(shí)測(cè)與評(píng)估、支護(hù)材料錨固特性評(píng)估和研發(fā)選型等內(nèi)容。

通過對(duì)急傾斜煤層跨采底板動(dòng)壓巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究獲得本項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)資料，掌握巷道圍巖穩(wěn)定性控制的主要影響因素，指明原支護(hù)方案存在的問題和解決思路，為下一步進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)研究和巷道初始支護(hù)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（2）數(shù)值模擬試驗(yàn)研究

基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估結(jié)果利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件深入分析工作面回采等引起的礦山應(yīng)力變化趨勢(shì)和規(guī)律，巷道支護(hù)方案對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響程度和對(duì)比分析，為巷道支護(hù)初始設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

急傾斜煤層跨采底板動(dòng)壓巷道支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行的數(shù)值模擬試驗(yàn)研究，主要內(nèi)容包括：急傾斜煤層跨采底板動(dòng)壓巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、上部工作面回采期間巷道變形規(guī)律及特征、跨采底板動(dòng)壓巷道支護(hù)方案對(duì)比優(yōu)化試驗(yàn)研究等。

（3）錨注支護(hù)機(jī)理研究

基于急傾斜煤層跨采底板動(dòng)壓巷道巖體變形破壞規(guī)律，以及錨注巖體力學(xué)性質(zhì)變化特征，結(jié)合FLAC數(shù)值模擬分析結(jié)果，得到回采期間錨注支護(hù)巷道變形及應(yīng)力分布特征，分析支護(hù)材料強(qiáng)度、長(zhǎng)度、布置方式、漿液類型等參數(shù)對(duì)巷道圍巖的控制效果，進(jìn)而揭示錨注支護(hù)材料作用原理以及高強(qiáng)錨注加固機(jī)理。

（4）支護(hù)材料的研發(fā)與選型

針對(duì)急傾斜煤層跨采底板動(dòng)壓巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)及生產(chǎn)技術(shù)條件，研究注漿支護(hù)材料合理的初錨力及匹配的錨固長(zhǎng)度，確定適用的注漿支護(hù)材料長(zhǎng)度、初錨長(zhǎng)度、預(yù)緊力等參數(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)化，滿足跨采動(dòng)壓巷道圍巖控制技術(shù)要求，并具有高強(qiáng)度、高延伸率、高錨固力、低成本等特點(diǎn)，滿足巷道長(zhǎng)期使用的支護(hù)要求。

（5）錨注支護(hù)初始方案和工業(yè)性試驗(yàn)研究

基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估結(jié)果，結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)論，提出急傾斜煤層跨采底板動(dòng)壓巷道初始錨注支護(hù)方案，包括材料選型、支護(hù)參數(shù)、施工工藝和技術(shù)要求等，并開展工業(yè)性試驗(yàn)研究，對(duì)施工設(shè)備的適應(yīng)性和配套性進(jìn)行試驗(yàn)改進(jìn)，對(duì)錨注施工工藝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)指導(dǎo)和培訓(xùn)，并根據(jù)礦壓觀測(cè)對(duì)比分析，及時(shí)調(diào)整和修正支護(hù)初始方案。

（6）礦壓觀測(cè)與信息反饋

利用先進(jìn)成熟的礦壓觀測(cè)技術(shù)手段，包括巷道表面變形監(jiān)測(cè)、圍巖深部變形監(jiān)測(cè)、圍巖結(jié)構(gòu)破壞觀測(cè)等，對(duì)工業(yè)試驗(yàn)段巷道進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)和支護(hù)效果評(píng)價(jià)，作為評(píng)估和優(yōu)化巷道初始支護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。同時(shí)對(duì)施工工藝和支護(hù)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)和與工業(yè)性驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題，優(yōu)化調(diào)整支護(hù)方案，進(jìn)而形成正式支護(hù)設(shè)計(jì)。

1.2技術(shù)指標(biāo)

（1）掌握急傾斜煤層跨采底板動(dòng)壓巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

（2）根據(jù)不同圍巖條件針對(duì)性提出科學(xué)合理、技術(shù)科學(xué)的錨注支護(hù)方案。

（3）開展巷道錨注支護(hù)工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)巷道長(zhǎng)度不小于100m，技術(shù)推廣應(yīng)用不低于400m。

（4）試驗(yàn)巷道安全可靠，滿足上部工作面回采期間使用要求，返修率不超過10%。

1.3技術(shù)路線

本項(xiàng)目根據(jù)+320東大巷現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，擬開展地質(zhì)力學(xué)條件調(diào)研評(píng)估，借助現(xiàn)場(chǎng)資料分析、實(shí)驗(yàn)室物理力學(xué)試驗(yàn)、數(shù)值模擬分析等手段，掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，系統(tǒng)開展試驗(yàn)巷道圍巖控制技術(shù)研究，通過各種參數(shù)的調(diào)整和理論分析確定+320東大巷錨注支護(hù)初始方案，形成以預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)支護(hù)技術(shù)體系，開展工業(yè)性試驗(yàn)，通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)和大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)包括深部位移觀測(cè)、支護(hù)體受力觀測(cè)對(duì)初始方案進(jìn)行驗(yàn)證和修正，便于形成正式支護(hù)方案。進(jìn)而形成示范工程以供進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

2.項(xiàng)目實(shí)施的可行性分析

2.1現(xiàn)有基礎(chǔ)與技術(shù)條件

（1）研究人員基礎(chǔ)及技術(shù)條件

廣旺公司具有專業(yè)的巷道掘進(jìn)和維護(hù)隊(duì)伍和技術(shù)力量，在巷道支護(hù)方面積累了豐富現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)參與了多個(gè)科研項(xiàng)目，具有較高理論水平和專業(yè)知識(shí)，對(duì)完成本項(xiàng)目提供了有力的保證。

代池壩煤礦具有多年成功生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，形成了一批知識(shí)面廣、作風(fēng)扎實(shí)、年富力強(qiáng)的技術(shù)工作者，在長(zhǎng)期的開采實(shí)踐中，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有與項(xiàng)目所列設(shè)備相配套的先進(jìn)的技術(shù)裝備條件，相關(guān)工作人員具有豐富的開采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理經(jīng)驗(yàn)，具有高素質(zhì)的管理隊(duì)伍和經(jīng)驗(yàn)豐富的施工隊(duì)伍，能提供現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所需的人員、場(chǎng)地、材料和機(jī)具。

山東安科公司主要從事煤礦井巷支護(hù)和巖土工程加固領(lǐng)域的技術(shù)服務(wù)、產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)。有一支專業(yè)化、富有現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)隊(duì)伍，可從事煤礦原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)、開采引起的地應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)、井巷支護(hù)和加固設(shè)計(jì)、煤柱留設(shè)、沿空掘巷（留巷）等技術(shù)服務(wù)。公司配有國(guó)際先進(jìn)的地應(yīng)力實(shí)測(cè)與監(jiān)測(cè)設(shè)備，聲波探頭多點(diǎn)位移計(jì)、鉆孔窺視儀、應(yīng)變儀監(jiān)測(cè)儀器和最新版本FLAC3D數(shù)值模擬軟件，可承擔(dān)大型巖層控制領(lǐng)域的課題。公司自成立以業(yè)，先后完成了三項(xiàng)國(guó)家級(jí)的重點(diǎn)課題和幾十項(xiàng)技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目。

同時(shí)，公司針對(duì)我國(guó)煤礦開采埋藏深、地質(zhì)條件復(fù)雜積極進(jìn)行研發(fā)新型支護(hù)材料和配套施工設(shè)備，具有8項(xiàng)國(guó)家專利。公司巷道支護(hù)產(chǎn)品主要有三類，十幾種。一是新型煤礦巷道支護(hù)材料：主要有高強(qiáng)樹脂錨桿、左旋連續(xù)螺紋樹脂錨桿、中空注漿錨桿、中空錨注礦用錨索、U形和M型鋼帶;二是煤礦巷道支護(hù)施工機(jī)具：主要有高壓風(fēng)動(dòng)注漿系統(tǒng)、錨索張拉機(jī)具和風(fēng)動(dòng)油泵、攪拌器。三是煤礦巷道監(jiān)測(cè)儀器：主要有頂板離層監(jiān)測(cè)儀、測(cè)力錨桿、錨桿/錨索測(cè)力計(jì)、鉆孔窺視儀等。

在巷道礦壓治理方面，課題組多年來一直秉承“駐守工程現(xiàn)場(chǎng)，解決實(shí)際問題”的理念，研究人員長(zhǎng)期駐守工程現(xiàn)場(chǎng)，年均在礦現(xiàn)場(chǎng)科研時(shí)間超過300天。該團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)場(chǎng)一線與技術(shù)、施工人員共同跟班，密切交流，及時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)問題，親手指導(dǎo)設(shè)計(jì)及施工方案，引導(dǎo)礦方人員對(duì)施工材料、工藝、技術(shù)體系進(jìn)行熟練掌握，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況不斷優(yōu)化完善技術(shù)方案，指導(dǎo)進(jìn)行驗(yàn)收及質(zhì)量控制規(guī)范的制定，與礦方科技部門、施工區(qū)隊(duì)建立了“產(chǎn)學(xué)研管-協(xié)同創(chuàng)新”聯(lián)動(dòng)機(jī)制，達(dá)到了合作多贏的效果。以上均表明，在研究人員條件方面，可為本項(xiàng)目提供有力的技術(shù)支持與指導(dǎo)。

（2）實(shí)驗(yàn)室技術(shù)條件

山東安科公司與山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心長(zhǎng)期合作，具有較為齊全的試驗(yàn)場(chǎng)地和試驗(yàn)設(shè)備，擁有深部巷道圍巖分區(qū)破裂機(jī)理模擬試驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)測(cè)試采集分析系統(tǒng)有高速靜態(tài)應(yīng)變采集分析系統(tǒng)、柔性光柵微型多點(diǎn)位移采集分析系統(tǒng)等。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和模型試驗(yàn)儀器設(shè)備有多功能錨固試驗(yàn)機(jī)、電液伺服試驗(yàn)機(jī)（英國(guó)）、萬能試驗(yàn)機(jī)（德國(guó)）、美國(guó)MTS815試驗(yàn)機(jī)、3000KN剛性三軸巖石試驗(yàn)機(jī)和RC-1000KN伺服控制三軸應(yīng)力溫度滲流耦合流變儀，多通道定位聲發(fā)射儀（PCI-8美國(guó)）。

山東安科公司具有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備有多點(diǎn)位移計(jì)、礦井鉆孔窺視成像儀和地應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器等。在圍巖分析軟件方面，課題組已經(jīng)具有多種國(guó)內(nèi)外最新的分析軟件如FLAC3D等商業(yè)程序及自行開發(fā)的可用于節(jié)理巖體的三維斷裂損傷模型的分析程序，該程序內(nèi)包括分析效果更好的斷裂損傷錨固件模型的子程序，在國(guó)內(nèi)外具有領(lǐng)先水平。上述這些軟件都可進(jìn)行巖體變形破壞分析。此外，本課題組還有力量開發(fā)一些新的子程序來彌補(bǔ)上述分析軟件的不足。

因此，從研究基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)室條件、人員配備、儀器設(shè)備來看，課題組具備實(shí)施研究方案所需的研究基礎(chǔ)與條件。同時(shí)，礦山重視自主創(chuàng)新，在煤炭生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)投入了大量的人力、物力資源，為項(xiàng)目的順利實(shí)施提供了有力的保障。

2.2項(xiàng)目分工及保證體系

本項(xiàng)目由四川廣旺能源發(fā)展（集團(tuán)）有限責(zé)任公司代池壩煤礦與山東安科礦山支護(hù)技術(shù)有限公司完成。雙方分工如下：

（1）四川廣旺能源發(fā)展（集團(tuán)）有限責(zé)任公司代池壩煤礦

①提供生產(chǎn)地質(zhì)資料等基礎(chǔ)資料;

②組織實(shí)施和參與有關(guān)資料和數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)工作;

③負(fù)責(zé)技術(shù)方案的實(shí)施和安全管理;

④參與技術(shù)總結(jié)報(bào)告的編寫，組織驗(yàn)收;

（2）山東安科礦山支護(hù)技術(shù)有限公司

①參與現(xiàn)場(chǎng)資料的收集與整理工作;

②負(fù)責(zé)地應(yīng)力措施、巖體力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試;

③負(fù)責(zé)理論研究、數(shù)值模擬等工作;

④負(fù)責(zé)資料檢索和查新;

⑤指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)施工和效果檢驗(yàn)評(píng)價(jià);

⑥編寫研究總報(bào)告、完成項(xiàng)目驗(yàn)收。

3市場(chǎng)需求分析及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益預(yù)測(cè)

3.1市場(chǎng)狀況與推廣應(yīng)用前景

本項(xiàng)目以巷道穩(wěn)定性控制理論與技術(shù)提供支持為出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、物理模擬、數(shù)值模擬和理論分析等多種手段，研究解決急傾斜煤層跨采底板動(dòng)壓巷道圍巖變形破壞模式及失穩(wěn)機(jī)理、圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)，并制定急傾斜煤層跨采底板動(dòng)壓巷道錨注支護(hù)技術(shù)體系，可指導(dǎo)今后礦區(qū)其他巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工，有助于推動(dòng)煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，作為一項(xiàng)通用性很強(qiáng)的高新技術(shù)，同時(shí)具有良好的市場(chǎng)推廣前景和經(jīng)濟(jì)效益。

（1）增強(qiáng)巷道支護(hù)可靠性，保證巷道的正常使用。

預(yù)計(jì)通過本項(xiàng)目研究，提高支護(hù)效能，控制圍巖變形，減少返修率，節(jié)約綜合維護(hù)成本，增強(qiáng)支護(hù)可靠性，為礦方實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效打下良好基礎(chǔ)。

（2）項(xiàng)目創(chuàng)新性強(qiáng)，推廣價(jià)值大。

本項(xiàng)目研究成果能夠形成一套適合跨采動(dòng)壓條件、以預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)支護(hù)技術(shù)體系，通過運(yùn)用先進(jìn)的高強(qiáng)全錨技術(shù)有利于增強(qiáng)巷道承載性，構(gòu)建高效支護(hù)體系，降低支護(hù)綜合成本、提高巷道安全性能，項(xiàng)目研究成果的推廣應(yīng)用具有重要的社會(huì)效益。

（3）提高支護(hù)材料利用率，項(xiàng)目采用的材料對(duì)環(huán)境無負(fù)面影響，促進(jìn)了礦山節(jié)能環(huán)保建設(shè)。

（4）推動(dòng)企業(yè)科技發(fā)展，培養(yǎng)技術(shù)人才。

該課題的實(shí)施，通過建立科研機(jī)構(gòu)、礦方技術(shù)部門與施工區(qū)隊(duì)人員的產(chǎn)學(xué)研管協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)動(dòng)平臺(tái)，培養(yǎng)一批技術(shù)人才，對(duì)促進(jìn)企業(yè)發(fā)展有重要意義。

隨著礦井開采深度的增加，深部巷道支護(hù)問題越來越突出，需要采用錨注支護(hù)和加固的巷道會(huì)越來越多，同時(shí)項(xiàng)目研究成果可用于沿空留巷、沿空掘巷、巷道修復(fù)等復(fù)雜困難條件下的支護(hù)或加固，推廣應(yīng)用前景十分廣闊。

3.2經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益分析

通過本項(xiàng)目的研究，形成一套適應(yīng)代池壩煤礦急傾斜煤層跨采底板動(dòng)壓巷道支護(hù)技術(shù)體系，繼而降低礦井生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)的降本增效及技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化，保障礦井安全高效生產(chǎn)，取得顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，本項(xiàng)目的研究預(yù)計(jì)可取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（1）根據(jù)+320東大巷所處的應(yīng)力環(huán)境和圍巖條件，制定針對(duì)性的切實(shí)可行的錨注支護(hù)加固方案，對(duì)比巷道變形控制效果，使代池壩煤礦急傾斜煤層跨采底板動(dòng)壓巷道支護(hù)狀況大為改善。

（2）采用先進(jìn)的支護(hù)技術(shù)，大幅降低巷道維護(hù)工作量，為工作面快速推進(jìn)和提高生產(chǎn)效率創(chuàng)造條件。

（3）本項(xiàng)目的研究實(shí)施，可降低巷道支護(hù)和維護(hù)總費(fèi)用20%以上，改變長(zhǎng)期以來錨網(wǎng)索支護(hù)的模式，直接效益顯著。

（4）采用高強(qiáng)錨注支護(hù)技術(shù)提高了巷道支護(hù)的安全可靠性，改善了井下工人的工作環(huán)境、降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，穩(wěn)定了職工的情緒，調(diào)動(dòng)了職工的積極性，保證了礦區(qū)經(jīng)濟(jì)效益的提高。樹立了煤礦的良好形象，增強(qiáng)了煤礦工人的安全感與自豪感，社會(huì)效益顯著。

（5）采通過本項(xiàng)目的研究，對(duì)礦山支護(hù)技術(shù)進(jìn)行改革，使巷道支護(hù)技術(shù)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上躍上一個(gè)新的臺(tái)階。