[01146819]深部巷道动力响应卸—锚协同控制关键技术及应用

在今后相当长的时期内,深部开采是我国煤炭资源开发的必然趋势。深部煤层常处于“动载+高应力”环境状态,动载扰动易诱发高应力锚固煤体加速失稳,进而引发深部巷道变形破坏,甚至出现动载型冲击地压。深部巷道锚固煤体动载失稳致灾是我国煤矿最严重的灾害之一,已成为世界多国长期致力突破的技术难题。 近年来,我国深部煤层动力灾害防治无论是理论,还是技术、装备都得到进一步完善和提升。但对于深部煤巷动载失稳还远未达到科学有效防治,其主要难点在于：①动载扰动下深部煤巷锚固煤体“抗能（抵抗冲击能量）”机理还需深入研究,其失稳破坏直接导致深部煤巷大变形、甚至坍塌;②深部煤巷围岩静载储能-动载扰动释能灾变机制还不清楚,无法实现深部煤巷动力灾害危险性评估与科学预警;③深部煤巷“卸压耗能与锚固抗能”协同技术体系尚未建立,易厚此薄彼,不仅影响了卸压效果,而且造成人力、物力浪费。 课题组经7年多的联合攻关,凝练出“合理调配卸压耗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,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基于不同静载应力下加锚煤体动载冲击试验,揭示了动载冲击下锚固煤体动力响应机制,创新提出以“抗能”比率表征加锚煤体的抗冲击能力,首次建立了锚固参数与抗冲击能力的定量关系;②在深入研究动载扰动与深部巷道围岩非线性高应力叠加基础上,揭示了动载作用下深部煤巷围岩能量分区演化机制,获得了深部煤巷锚固煤体灾变的能量判据及评价方法;③提出了动载巷道“深部卸压-锚固承载”协同控制技术,研发了与之相配套的定向破裂卸压装备与锚固支护材料,提出大直径钻孔布置参数及锚固支护参数定量设计方法。 经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”。本成果与国内外同类技术相比较,其突出的新进展在于：①建立了不同静动载应力水平下锚固结构参数与抗能比率的定量关系,使得深部动载巷道锚固支护更为符合深部“动载+高应力”环境;②建立了动载扰动深部煤巷围岩冲击能量判据及评估方法,使深部煤巷冲击灾害监测预警更为合理;③提出了动载巷道“深部卸压-锚固承载”协同控制技术,建立了大直径钻孔卸压参数及锚固支护参数定量设计方法,使深部煤巷动载灾变防治更为科学。 本成果已获授权美国发明专利1项,国家发明专利10项,实用新型专利5项,共发表论文30余篇,其中SCI论文15篇（国际顶级期刊Rock Mech. ＆ Rock Eng.等5篇）、EI论文10篇。2017~2019年期间,本成果在山东济宁、新汶、山西大同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302.8万t,新增销售额72664万元,新增利润25678万元。工程实践表明：深部煤巷围岩变形破坏得到明显控制,深部煤巷锚固支护及卸压解危有效率90%以上,事故发生降低85%以上,经济和社会效益十分显著,具有很强国际竞争力和示范性,大大推动我国煤矿安全生产的科技进步。