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创新点

本文针对煤矿千米深井高应力、软岩大巷围岩强时效大变形难题，以中煤新集口孜东矿软岩大巷为工程背景，开展了巷道围岩变形机理与控制技术研究。

（1）井下实测分析了不同支护方式下巷道围岩大变形、支护构件破坏与失效特征。

（2）计算得出U型钢支架在均布载荷和不同类型集中载荷作用下的垂直反力、水平推力及弯矩，揭示了充填体对提高U型钢支架发挥其承载能力的作用机制。

（3）数值模拟对比分析了锚网喷、锚网喷 钢管混凝土及锚架充三种支护方式控制围岩变形与破坏的效果，阐明了千米深井软岩大巷锚架充协同控制原理。

（4）在引进与自主研发的基础上，形成了包括支护材料与构件、充填材料与系统、自动架棚机、单轨吊巷道锚杆支护平台的锚架充协同控制技术，并在口孜东矿成功应用，有效控制了千米深井高应力软岩大巷围岩大变形。

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作 者

姜鹏飞^1,2,3,康红普^1,2,3,王志根⁴,刘庆波⁴,杨建威^1,2,3,高富强^1,2,3,汪向明⁴,张群涛^1,2,3,郑仰发^1,2,3,王海涛⁵

作者单位

1. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部；2. 煤炭科学研究总院 开采研究分院；3. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室；4. 中煤新集能源股份有限公司；5. 中煤新集能源股份有限公司 口孜东矿

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研究背景

巷道支护形式由围岩所处地质力学环境与生产条件确定,国外美国、澳大利亚多露天开采,井工开采煤层埋深浅,以锚杆支护为主;国内主要有锚杆支护、型钢支护、钢管混凝土支护等多种支护技术。现有支护技术解决了中浅部及岩层赋存稳定、条件较好的深部巷道支护问题,锚杆支护、注浆、工字钢或U型钢支架等两种或多种联合支护技术解决了部分深部巷道支护问题,但仍有很多深部巷道出现大变形,需要多次返修。

中煤新集口孜东矿是我国典型的千米深井,开采深度1000m;基岩薄,松散层厚度591.6m;主采13-1煤层,平均厚度4.9m,顶底板以泥岩为主,单轴抗压强度21.3~43.7MPa,遇空气极易风化。针对口孜东矿千米深井软岩大巷,开展了多种支护技术试验:锚网喷支护、锚网喷 36U 型钢支架、锚网喷 注浆二次支护、锚网喷 36U型钢支架 反底拱棚及钢管混凝土全断面支护等,均无法有效控制巷道围岩大变形,最长稳定期为2a。巷道“前掘后修”、“边掘边修”、“多次返修”等现象屡屡发生,巷道支护极其困难,严重制约和影响矿井的安全生产。据统计,井下90%巷道至少经过一次修复,部分巷道经过多次修复。

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摘 要

针对煤矿千米深井高应力、软岩大巷围岩强时效大变形难题,以中煤新集口孜东矿软岩大巷为工程背景,根据井下实测数据与支护状况,分析了不同支护方式下巷道围岩大变形、支护构件破坏与失效特征。

采用理论计算得出U型钢支架在均布载荷和不同类型集中载荷作用下的垂直反力、水平推力及弯矩,揭示了充填体对提高U型钢支架发挥其承载能力的作用机制;采用数值模拟分析对比了锚网喷、锚网喷 钢管混凝土及锚架充3种支护方式控制围岩变形与破坏的效果,阐明了千米深井软岩大巷锚架充协同控制原理。

在引进与自主研发的基础上,形成了包括支护材料与构件、充填材料与系统、自动架棚机、单轨吊巷道锚杆支护平台的锚架充协同控制技术。基于上述研究成果,提出口孜东矿软岩大巷锚架充协同控制方案与参数,并进行了井下试验与推广应用。

结果表明,锚架充协同控制技术能够有效控制千米深井软岩大巷围岩大变形,特别是强流变,保持巷道长期稳定。与原支护相比,巷道变形量降低90%以上,同时节约了巷道维护成本,为千米深井软岩大巷围岩控制提供了一条有效的途径。最后,对锚架充协同控制技术下一步研究工作进行了展望。

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文中图片

千米深井软岩大巷变形情况

巷道非对称大变形特征

锚网喷支护体破坏与失效情况

锚网喷 36U型钢支架支护体破坏与失效情况

钢管混凝土支护体破坏情况

锚杆支护巷道支护应力场分布

BHRB600型锚杆蠕变曲线

BHRB600型锚杆轴向拉应力-伸长率曲线

不同载荷下U型钢支架受力模型

千米深井软岩大巷不同支护方式下最大主应力场分布

千米深井软岩大巷不同支护方式下围岩位移场分布

不同支护方式下巷道顶板和巷帮变形情况

不同支护方式下支护体破坏与应力分布情况

U型钢弯曲破坏

千米深井软岩大巷锚架充协同控制原理示意

地面至井下施工地点自动化充填系统

巷道支护设计方案

巷道围岩变形曲线

巷道支护效果

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作者简介

姜鹏飞，男，1984年1月1日生，四川三台人，副研究员，中国煤炭科工集团有限公司首席科学家，开采设计事业部科创中心副主任，兼任“中国岩石力学与工程学会软岩与深部灾害控制分会”常务理事、《煤炭科学技术》期刊青年专家委员会委员。主持和参加了国家、省部级等各类科研项目40余项；获省部级科技奖励17项，其中特等奖1项，一等奖6项；发表学术论文30余篇。2015年入选中国科协首批“青年人才托举工程”，2016年获全国煤炭青年科技奖、全国煤矿支护先进个人。

研究方向

巷道围岩控制理论与技术

主要成果

长期从事煤矿巷道围岩控制理论与技术研究工作，围绕深部巷道围岩控制，在原岩应力、采动应力及支护应力现场实测基础上，揭示了井下综合应力场演化规律，提出了深部巷道围岩控制对策；基于地质力学原位测试结果，开发了煤矿巷道支护可视化分析系统，为巷道支护设计提供了方法。研究了巷道支护用500-830MPa系列高强度、高冲击韧性锚杆材料及构件的力学性能，揭示出锚杆长期承载的蠕变效应和抗冲击性能，为煤矿巷道支护参数的确定提供了依据。研究成果在我国淮南、新汶、大同等多个矿区推广应用，取得了显著的经济社会效益。

来源：

姜鹏飞,康红普,王志根,等.千米深井软岩大巷围岩锚架充协同控制原理、技术及应用[J]. 煤炭学报,2020,45(3):1020-1035.

JIANG Pengfei,KANG Hongpu,WANG Zhigen,et al. Principle,technology and application of soft rock roadway strata control by means of “rock bolting,U-shaped yielding steel arches and back filling” in synergy in 1 000 m deep coal mines[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(3):1020-1035.

责任编辑：郭晓炜

编辑整理：郭晓炜

审 核：常琛

End

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