[01757262]深部巷道锚固围岩动力失稳防控关键技术与装备

在中国已探明的煤炭资源中，约占50％的煤炭埋深超过千米。截至到2020年，全国50余对矿井深度超过千米，仅山东省就有20余对，最大深度已达1500m。深部煤层开采常处于“三高一扰动”环境状态，在动载扰动及高应力耦合作用下深部巷道锚固围岩易失稳破坏，甚至出现动载型冲击地压，已成为世界多国长期致力突破的技术难题。 该项目在国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省重点研发计划和煤炭企业的大力支持下，历经7年的联合攻关，凝练出“合理调配卸压释能与锚固抗能定量贡献，共同抵御深部煤巷围岩动载冲击能量”的创新思想，揭示了动静载耦合作用下深部巷道围岩失稳破坏能量机理，提出深部巷道“小直径高压水定向释能-高强高韧性锚固抗能”协同控制技术，研发了系列相关装备，通过在多种地质构造及覆岩环境煤层中现场实践，取得如下创新性成果： ①研发了大尺度三维动静载相似模拟试验系统，真实展现了动静载耦合作用下深部巷道围岩破坏失稳过程，在深入研究动载扰动与深部巷道围岩非线性高应力作用基础上，构建了动静载耦合作用下深部巷道围岩破裂失稳理论模型和判别准则，揭示了动静载耦合作用下深部巷道围岩失稳破坏能量机理，获得了深部巷道锚固围岩灾变的能量判据及评价方法；②提出深部巷道“小直径(φ50mm)高压水定向释能-高强高韧性锚固抗能”协同控制技术，实现了高压水定向释能的同时又不破坏锚固支护系统；获得了高压水力定向切割破煤时动载能量释放量与钻孔间距、割缝宽度等参数间的定量关系；创新提出以“抗能”比率表征加锚煤体的抗动载能力，首次建立了锚固参数与“抗能”比率间的定量关系；实现了“合理调配卸压释能与锚固抗能定量贡献，共同抵御深部煤巷围岩动载冲击能量”的创新思想。 ③研发了超高强、高延展率锚杆、锚索及高压水力割缝定向破裂装备。通过对新型钢材TRIP钢进行720℃高温淬火和保温1h锻造改性，研发了高强度、高冲击韧性的锚杆(索)材料；利用热轧TRIP钢研发了超高强、高延展率套接锚杆、锚索，其延伸率(锚杆23.7％，锚索11.2％)、冲击吸收功(184.3J、478.6J)远超现有锚杆、锚索，实现了提高锚固煤体抗能比率，且增加巷道锚固系统对动载缓冲的目的。研发了适用于破裂煤体的高压水力割缝喷嘴、高压排渣螺纹钻杆、钻杆自动推送装备等装备，解决了没有适用于高应力煤体中使用的高压水割缝装备问题。 中国煤炭工业协会组织的专家鉴定委员会认为“项目研究达到了国际先进水平”。该项目已获授权发明专利15项，其中美国发明专利1项，国内发明专利14项，共发表论文25篇。2018～2020年期间，该项目成果在山东济宁、新汶、临沂等矿区多个煤矿得到了推广应用。近三年应用矿井同比新增煤量477万t，新增销售额114469.45万元，新增利润40453.5万元。工程实践表明：深部煤巷围岩变形破坏得到明显控制，深部煤巷返修率降低90％以上，事故发生率降低95％以上，经济和社会效益十分显著，具有很强的国际竞争力和示范性，大大推动中国煤矿巷道支护科技进步。