项目名称:巷道围岩稳定性评价及控制技术研究
申报单位:霍州煤电集团有限责任公司
主要完成人：曹耀丰 杨新华 王连国 李慎举 陆银龙 张小康 陈学志 张胜云 孟 毅 张随喜 马丽芳
主要完成单位：霍州煤电集团有限责任公司
中国矿业大学
专业（学科）分类名称代码：矿山支护工程440.3020
矿山压力工程440.3010
所属国民经济行业：B类型
任务来源：自选
计划（基金）名称和编号：HZMDJSHT060001
项目起止时间：2006年3月20日——2008年3月21日
项目简介：本项目以霍州煤电集团公司下属矿区的具体工程地质条件和生产技术条件为背景，通过现场地应力实测，结合矿区宏观地应力场分析，查明了矿区所处区域岩体地应力的量值、方向以及原岩应力场的分布特点和变化规律；同时，通过现场收集煤岩试样及实验室测试与分析，全面获得了各矿区各主采煤层的围岩物理力学性质参数。在此基础上，综合运用模糊数学、人工神经网络和数值计算等原理和方法，建立了巷道围岩稳定性模糊聚类分析评价模型和BP人工神经网络智能预测模型，实现了对各矿区巷道围岩稳定性的科学、智能评价；借助正交数值模拟试验分析方法，在对各类巷道支护方案及参数优化分析的基础上，制定了各类巷道支护标准；系统研究了单根锚杆、群锚系统以及高强让压锚杆的锚固作用机理，建立了单根锚杆的轴向力学作用模型、横向力学作用模型和复合锚固作用模型，以及巷道顶板和两帮围岩的3类锚固结构模型，进一步揭示了锚杆支护系统的基本作用机理，完善了现有的锚杆支护理论；提出了一种“基于专家系统的锚杆支护动态信息反馈设计”方法，利用专家系统对巷道支护设计的全过程进行动态的分析与设计；针对矿区煤巷采掘紧张的突出矛盾，建立了巷道施工工艺的AOE网络和BP神经网络综合优化评价模型，提出了煤巷施工工艺的改进措施和施工工序的优化措施，为提高巷道的安全快速掘进提供了保障；深入研究了矿区复杂困难条件下巷道围岩变形破坏机理，提出了以高强高预应力让压锚杆和带肋锚索为核心的高阻让压支护体系及相应的施工技术，取得了理想的支护效果。在这些研究成果的基础上，建立了霍州煤电集团公司巷道支护规范和标准，并运用人工智能专家系统及面向对象编程的基本思想，成功开发了“霍州煤电集团公司巷道支护专家系统”(RSES)软件，实现了各矿区巷道支护设计的智能化、系统化和科学化。目前，该项成果已在霍州煤电集团公司下属矿区广泛应用，取得了显著的经济效益与社会效益，各矿区巷道支护技术再上了一个新的台阶。
立项背景、科技内容、特点及应用推广情况：霍州煤电集团公司下属十几对矿井分布于霍州、洪洞、吕梁三个矿区，由于霍州、洪洞两区处于霍西煤田，受霍山断裂构造的影响，煤层赋存条件差，断层、无炭柱、构造应力影响因素较为突出，严重制约着各矿井的安全生产；吕梁区处于河东煤田边缘，煤层风氧化顶板较为突出，同样影响着矿井的支护可靠性。因此，为了提高矿井支护的安全可靠性，更有效回收煤炭资源，霍州煤电集团与中国矿业大学联合提出了《巷道围岩稳定性评价及控制技术研究》项目。
本项目综合采用物理试验、理论分析、数值模拟及现场实测等手段和方法，对矿区地应力分布规律、围岩物理力学性质、巷道围岩稳定性状况、锚杆支护机理、支护设计方法与施工工艺、复杂困难条件下巷道支护技术、巷道支护专家系统以及锚杆支护技术规范等内容进行了系统研究，经过数年攻关，最终形成了一套系统的巷道围岩稳定性评价及控制的理论与技术体系。
与国内外同类技术研究相比，本成果基于大量地应力实测和围岩物理力学性质测试获取的基础资料，通过对巷道围岩稳定性分类、锚杆支护机理、设计方法以及复杂困难巷道支护技术的深入、系统研究，开发了适用于煤矿现场工程技术人员操作使用的“巷道支护专家系统”软件，并最终形成了一套系统的巷道围岩稳定性评价及控制的理论与技术体系。
本项成果成功解决了霍州、洪洞、吕梁3个矿区复杂困难条件下巷道支护方案设计以及一般条件下巷道支护设计优化等难题，使各矿区巷道支护技术再上了一个新的台阶，真正实现了霍州煤电集团公司生产矿井巷道支护技术的系统化、规范化和科学化。该项成果不但在霍州、洪洞、吕梁3个矿区具有重要的推广价值，而且在全国矿山企业也具有广阔的推广应用前景。
发现、发明及创新点：本项目在五个方面取得了创新性研究成果：
①通过现场地应力实测，结合矿区宏观地应力场分析，查明了矿区所处区域岩体应力的量值、方向以及应力场的分布特点和变化规律；
②建立了巷道围岩稳定性评价模糊聚类分析模型和BP智能预测模型；并在对各类巷道支护方案及参数优化分析的基础上，制定了各类巷道支护标准；
③建立了单根锚杆的轴向力学作用模型、横向力学作用模型和复合锚固作用模型，以及巷道顶板和两帮的3类锚固结构模型，并分析了每类锚固结构的特征和作用机理；提出了一种“基于专家系统的锚杆支护动态信息反馈设计”方法，并建立了巷道施工工艺的AOE网络和BP神经网络综合优化评价模型；
④针对复杂困难条件巷道，提出了以高强高预应力让压锚杆和带肋锚索为核心的高阻让压支护体系；
⑤制定了霍州煤电集团公司巷道支护规范和标准，建立了巷道支护专家系统的产生式规则知识库以及产生式规则推理机、神经网络推理机和计算模式推理机，同时建立了锚杆支护系统的正交数值模拟试验优化选择模型，在此基础上，成功开发了“霍州煤电集团巷道支护专家系统”软件。
应用情况：截止到2008年12月底，采用本项目研究成果已在霍州煤电集团公司下属的李雅庄矿、辛置矿、曹村矿、白龙矿、团柏矿、木瓜矿、店坪矿、回坡底矿、三交河矿、庞庞塔矿等施工开拓巷道、实体煤巷道、大断面切眼等巷道总长超过257336m，其中，团柏矿、木瓜矿等一般条件下的巷道掘进总量达180136m，李雅庄矿、曹村矿等特殊复杂条件下的巷道掘进总量达77200m。巷道安全状况良好，支护效果大大改善，显著地提高了工作面的推进速度，有力地遏制了重大事故的发生，大大降低了工人的劳动强度，取得了显著的经济效益与社会效益。
经济效益：目前，采用本项成果已在霍州煤电集团公司下属矿井施工巷道总长超过257336m，其中，一般条件下的巷道掘进总量达180136m，特殊复杂条件下的巷道掘进总量达77200m。巷道安全状况良好，支护效果大大改善，巷道支护与维护的总成本显著降低，一般条件下的巷道支护成本节约356元/米，特殊复杂条件下的巷道支护成本节约1458元/米，共计节约支护成本达17668.6万元；另外，由于工作面推进速度的加快，新增煤炭产量205万吨，按吨煤价格350元/t计算，新增产值71750万元，新增利润22242.5万元。这两项合计，产生直接经济效益达39911.1万元，取得了显著的经济效益。
社会效益：由于本项成果的成功应用，霍州煤电集团公司下属矿井巷道安全状况得到充分的保障，有力地遏制了重大事故的发生，减少了事故造成的人员伤亡和财产损失，改善了井下工人的工作环境、降低了工人的劳动强度，稳定了职工的情绪，调动了职工的积极性，树立了煤矿的良好形象，取得了显著的社会效益。
