项目名称: 大采高复合泥岩顶板煤巷桁架锚索组合支护研究
申报单位: 霍州煤电集团有限责任公司
主要完成人：曹耀丰 何富连 杨新华 张小康 马文芳
樊启文 郭新红 刘云虎 杨广斌 王俊虎 刘立东
主要完成单位：霍州煤电集团有限责任公司、中国矿业大学（北京）、北京科技大学
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、煤矿开采440.3510
所属国民经济行业：B类型
计划（基金）名称和编号：霍州煤电集团2006年科技项目HZMDJSHT060002
项目起止时间: 2006年7月----2007年12月
项目简介: 项目所属科学技术领域(矿井建设类巷道支护工程及煤矿开采),本项目主要用于煤系地层巷道的安全高效支护，为煤炭资源的高产高效高安全开采提供安全可靠的矿井通道和开采空间。本项目针对复杂地质条件下大采高大断面巷道围岩控制原理及技术存在的突出问题，在高预应力桁架锚索主动支护原理的基础上综合现场调研分析、计算机数值模拟、力学理论分析、工程类比法、现场试验和矿压观测等方法，深入研究桁架锚索组合支护机理并对支护参数作合理设计，配套研发了新型的高预应力桁架锚索系统，并形成了大采高复合泥岩顶板煤巷桁架锚索组合支护技术，实现了复杂地质条件巷道围岩的有效控制。特点：本项目以桁架锚索弧形连接锁紧器为核心部件，研发成功新型高可靠性桁架锚索主动支护结构，并对一系列条件下煤巷，如高地应力（埋深达1200米）、围岩强度低（10余米厚的泥岩顶板）、大断面（跨度可达10米）、长期受高支承压力影响（采动和沿空留巷）、复杂水文地质条件（顶板淋水）、围岩剧烈变形和恶性垮冒的煤巷，深入研究联合控制技术。最终形成的项目研究成果集桁架锚索系统、支护新构件、支护参数设计、现场工业性试验、矿压观测和控制技术为一体，软、硬件配套且达到国际领先水平。
技术经济指标：新技术的应用有效地控制大采高煤巷的严重垮冒和片帮事故，巷道两帮移近量最大不超过145mm，顶板下沉量最大不超过166mm，显著降低工程综合成本和提高综合效益。
应用推广情况：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，推动了巷道围岩控制技术的进步，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。目前，已在霍州煤电、平煤、潞安、峰峰、金牛能源、中煤等煤业集团十个矿推广应用，累计新增产值5.18亿元，新增利税2.89亿元，取得了显著的技术、社会和经济效益。
立项背景、科技内容、特点及应用推广情况：大采高综合机械化开采是二十一世纪国际采煤工业的发展方向和中国煤炭工业高产高效高安全开采方法之一，相比一般采高综合机械化开采厚煤层具有无可比拟的优越性，而大采高综采必然带来大断面巷道支护难题，尤其是复合泥岩顶板、高地应力等复杂地质条件下大断面煤巷的支护问题已成为制约大采高综合机械化开采技术发展的关键难题。近年来，我国煤巷锚杆支护已有了长足发展，但总体来说仍存在以下几个方面问题：①我国煤矿生产地质条件复杂多变，对不同地质条件巷道围岩与支护结构相互作用机理还没有充分科学的把握，从而未能有效地对症下药，运用科学的设计方法及设计出更科学合理的巷道支护方案；②部分复杂条件下的支护效果不理想，恶性冒顶事故时有发生。传统的支护方式及相应的支护理论已不适应复杂地质条件下的大采高大断面切眼煤巷围岩控制的需要，给煤矿生产与安全带来很大困难和隐患；③设计思想不够先进和合理，锚杆（索）尺寸及支护密度需进一步优化，锚杆索之间受力不匹配，同时制约了掘进速度的提高，技术经济优势不能充分体现；④煤巷锚杆（索）支护在施工、管理、及配套支护材料生产加工和质量监测等方面还存在一定的盲目性，缺乏统一的标准和规范，造成了锚杆（索）支护巷道中存在许多安全隐患，制约了煤巷锚杆支护技术的进一步推广和发展。
该项目透彻地分析大采高大断面复合泥岩顶板巷道矿压显现的实质，从大采高综采工作面切眼煤巷支护技术进步的需要出发，充分发挥预应力桁架锚索结构的优越性，克服单纯锚索支护不能提供水平张紧力的缺陷，从根本上解决了锚索钢带联合支护的被动承载问题，开展大采高切眼煤巷预应力桁架锚索组合支护技术研究。项目研究成果为大采高复合泥岩顶板巷道或相似条件巷道的围岩控制提供理论指导和实用技术手段。项目研究成果既有利于控制巷道恶性冒顶事故和节省施工成本，又提高了支护可靠性和改善支护效果，对于推动全国采准巷道支护技术改革的进程有着重要意义。
发现、发明及创新点：（1）针对高地应力和支承压力、围岩强度低及众多地质水文因素等影响的煤巷围岩控制难题，分析大采高复合泥岩顶板煤巷围岩及其维护特点、泥岩中性轴及位移的工程响应，进而提出桁架锚索组合支护的总体新方案。
（2）提出了以桁架锚索弧形连接锁紧器（专利号ZL 2008 2 0079194.9）为核心部件的新型高可靠性桁架锚索主动支护结构，研发的弧形连接锁紧器集成了桁架锚索系统的连接和锁紧功能，解决了高水平预紧力的张拉难题。
（3）桁架锚索系统能在水平和铅垂方向同时提供有效支护力，有效降低煤巷中部区域煤岩体最大拉应力。
（4）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，其承载基础稳固可靠。
（5）建立凹槽型桁架锚索结构力学模型，推导得出极限锚固力和预紧力的计算公式。采用正交试验设计优选桁架锚索组合支护的数值模拟计算方案，综合FLAC2D、3D数值计算方法优化支护参数，形成了大采高泥岩煤巷桁架锚索组合支护最优化方案。
应用情况：项目研究人员对已取得的成果分阶段及时组织推广，最终通过多种途径应用推广至其他煤业集团。实际应用推广的过程和方法为：
1、在白龙煤矿2-1101大采高切眼煤巷进行现场试验，采用桁架锚索组合支护技术解决了白龙矿大采高复合泥岩顶板煤巷支架损毁及恶性冒顶难题，受到了现场的高度评价和普遍欢迎。
2、霍州煤电集团组织所属矿井在白龙煤矿参观学习，并继续与中国矿业大学（北京）合作，将项目研究成果推广应用到三交河、庞庞塔、辛置等煤矿，效果显著。
项目研究人员现就应用情况在一些典型煤矿进行了取证，十个煤矿提供的应用证明表明：项目研究成果成功解决了6～10m宽煤巷的支护难题，消除了巷道支架损毁、恶性冒顶及片帮事故，保障了工人安全、减轻了工人劳动强度，有利于矿井采掘衔接和高效生产，节约了巷道支护材料费、维修费，累计新增产值5.18亿元，新增利税2.89亿元。
经济效益：新增利润＝新增产值×15％＋节支
节支＝2134.58＋1669.44＋1027.57＋1254.35＋454.23＝6540.17万元
新增利润＝15941.23×15％＋6540.17＝8931.35万元
新增税收＝8931.35×32％＝2858.03万元
年增收节支总额：8931.35×12/26＝4122.16万元
社会效益：项目研究成果丰富了高预应力桁架锚索组合支护设计范例，为复合泥岩顶板大断面巷道或相似条件下巷道的围岩控制提供科学依据和实用技术手段;煤巷的支架-围岩系统保持稳定，围岩变形小，确保了矿井通风、瓦斯、运输对巷道断面的要求；消除了巷道支架损毁、恶性冒顶及片帮事故，避免因此带来的人员伤亡;减轻了工人的劳动强度，提高了支护安全性和掘进效率;有利于提高成巷速度和掘进效率;简化切眼煤巷设备的安装工序、改善安装施工条件。
奖励情况：霍州煤电集团2007年度“大采高复合泥岩顶板煤巷桁架锚索组合支护研究”一等奖；
中国煤炭工业协会2009年度“大采高复合泥岩顶板煤巷桁架锚索组合支护研究”一等奖。
专利情况：桁架锚索弧形连接锁紧器项目成功获得国家专利号（中国 ZL 2008 20079194.9 ）
