[01708776]大跨度泥岩煤巷预应力桁架锚索联合控制技术

该项目由平顶山天安煤业股份有限公司八矿与中国矿业大学（北京）、北京科技大学合作研究完成。煤巷锚杆支护技术是保证煤矿安全生产的常规而重大的基础性技术，对于平衡采掘关系和加快高产高效矿井建设将产生深远影响，而泥岩顶板条件下大跨度煤巷支护是制约综采技术发展的关键难题。该项目运用预应力主动支护原理综合多种研究方法，系统地研究大跨度泥岩顶板煤巷支护难题。　　本项目在现场调研分析的基础上，综合运用计算机数值模拟计算、理论计算分析与工程类比、现场施工实践与实测等方法，全面系统地研究大跨度泥岩顶板煤巷围岩及其维护特点、支护方案合理选择、高预应力桁架锚索结构、大跨度煤巷支护机理和参数设计及现场实施流程，创造性地解决了泥岩顶板条件下大跨度煤巷围岩控制难题。　　主要的性能指标：　　有效控制大跨度煤巷切眼的严重垮冒和片帮事故，保安全促生产，降低工程综合成本和提高综合效益。相对于原有支护方式，采用本项目的支护新技术，使大跨度煤巷切眼围岩达到很好控制效果，巷道两帮移近量最大不超过100mm，顶板下沉量最大不超过150mm，显著降低支护成本。　　主要技术创新点：　　（1）单体锚杆、单体锚索和锚杆桁架支护技术是世界煤矿巷道支护所使用的主导技术，而本项目组近年来一直致力于新型高预应力桁架锚索联合控制大跨度泥岩煤巷的研究工作。天安八矿区段顺槽煤巷（巷宽4.5m）断面发生严重收敛变形（巷道断面收敛率可达50%以上），必须采取巷道扩刷、重新支护等措施。项目组进行煤巷支护技术创新，开发了高可靠性桁架锚索多重主动支护结构及相应技术，解决了天安八矿大跨度泥岩顶板切眼煤巷（巷宽为6.4m ）的围岩控制难题。　　（2）桁架锚索施加的复向预应力和支护力有利于顶板煤岩体处于多向压应力状态，提高了煤岩体强度和抗变形破坏性能，从而使锚固区中性轴位置下移，降低了煤巷顶板的挠度并能有效控制巷道断面中部泥岩顶板的离层和破坏。桁架锚索长度大、抗剪性能强，斜穿过煤帮上方附近顶板最大剪应力区且作用范围大，能有效控制顶板剪切破坏。　　（3）桁架锚索系统钢绞线上的载荷能连续传递且能方便地施加很高的预拉力，对泥岩顶板的支护力沿整个桁架结构呈“凹槽形”路径大范围合理分布，软弱泥岩顶板受力状态好。桁架锚索系统锚固点位于巷道两肩窝深部不易破坏的三向受压岩体内，不易受巷道上方顶板离层和变形的影响，为发挥高锚固力提供了可靠稳固的承载基础。　　（4）单体锚索的支护刚度大于锚杆的支护刚度，在顶板变形过程中，单体锚索所承受的载荷急剧上升且易拉断失效。桁架锚索结构锚固点能随顶板弯曲下沉出现适度水平内移，联合控制系统的刚度匹配良好，桁架锚索受力合理增加且形成的闭锁结构可以防止顶板恶性变形和冒顶事故。研发的高预应力桁架锚索系统核心部件——新型专用桁架连接器集成了桁架系统的连接、锁紧和高预应力的张拉功能。　　（5）矿业和岩土工程界采用FLAC软件对煤巷支护系统进行了大量的数值模拟计算分析工作，但缺乏大跨度泥岩煤巷预应力桁架锚索联合控制系统的计算机三维数值模拟研究。本项目则是运用FLAC二维和三维数值模拟方法，全面揭示大跨度泥岩煤巷的载荷分布特征、破坏特征和应力分布特征，阐明了预应力桁架锚索控制系统与煤巷围岩的相互作用机理，科学地确定了支护参数。　　应用前景与应用推广情况：本项目研究成果满足矿井安全生产需要并有利于矿井合理集中生产和高产高效开采，对复杂地质条件巷道支护难题或相似条件巷道具有重要的指导意义、参考价值和良好的推广应用前景。项目研究成员一直致力于向全国推广该项目研究成果，现已就项目应用情况在一些典型煤矿进行了取证。截止到2009年4月，超过十三个煤矿提供的应用证明表明，项目成果推动了巷道围岩控制技术的进步，消除了巷道支架损毁、恶性冒顶及片帮事故，保障了工人人身安全、减轻了工人劳动强度，有利于矿井采掘衔接和均衡生产，节约了巷道支护材料费、维修费，累计新增产值12.36亿元，新增利税6.74亿元，取得了显著的技术、社会和经济效益。