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建立复杂困难巷道支护技术体系

——访中国工程院院士、中国煤炭科工集团首席科学家康红普及其团队

中国煤炭报 作者:记者 王世雅 2021-11-17 10:39:06

近日,煤矿巷道抗冲击预应力支护关键技术获得国家技术发明奖二等奖。记者来到位于北京朝阳区的天地大厦,采访了该项目主要完成人中国工程院院士、中国煤炭科工集团首席科学家康红普及其团队,了解我国煤矿巷道支护技术的最新进展。

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康红普(右一)与团队成员在讨论锚杆试验状况


复杂条件矿井巷道

支护质量亟待提升

我国煤矿主要为井工开采,井下需要掘进大量巷道,每年新掘进巷道长度达1.2万公里以上。以锚杆支护为主的巷道支护方式,经过不断研究与优化,现已基本满足一般地质条件矿井巷道支护需求。

不过,随着煤矿开采深度与强度的增大,大量冲击地压、深部高应力及强采动巷道出现,约占巷道总长度的30%。目前,煤矿最大开采深度达1501米,冲击地压矿井320余座。

“对于复杂困难地质条件矿井,传统的巷道支护方式存在支护效果差、成本高、施工工艺复杂等弊端。我们需要创新支护方式、提高支护效率、优化支护效果。”康红普对记者说。

由于传统支护技术不适应这些复杂困难巷道,金属支架损坏、锚杆与锚索破断、顶板垮落现象时有发生。而顶板事故多年来一直是煤矿第一大事故,给煤矿安全造成极大威胁。同时,巷道维护成本大幅增加,加重了煤矿的经济负担。

作为煤矿巷道支护领域的专家,多年来,康红普及其团队积累了大量关于支护理论、工艺、材料以及监测等方面的经验。这次,他们把研究重点瞄准了复杂困难巷道支护技术体系上。

“经过30多年的努力,我们已经解决了一般条件巷道支护问题,而且应用效果很好。这个项目要解决3个难题,即冲击地压、深部高应力及强采动巷道支护难题,为复杂困难巷道支护提供有效手段。”康红普表示,“既能解决支护问题、成本比较低,又便于施工,我认为这是最好的技术,也是我们的研究方向。”

从2006年开始,在国家科技支撑计划、国家国际科技合作专项、国家“863”计划及国家自然科学基金等项目资助下,在中国煤炭科工集团给予人、财、物和试验场地等大力支持下,以康红普、吴拥政、林健、高富强、姜鹏飞等人为代表的研究者,开展了煤矿巷道抗冲击预应力支护关键技术研究。

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动静载锚杆力学性能综合试验台


给锚杆做个“增强CT”

了解真实受力状况

研究的第一步,要从了解锚杆的真实受力状况和破断特征开始。研究人员在井下收集了大量变形、破断的锚杆,分析锚杆是如何受力和破断的。研究人员要从样本中了解原因,才能接着进行理论创新与技术研发。

在井下巷道中,锚杆往往不是单纯承受拉力,而是处于十分复杂的受力状态。由于巷道表面的不平整、锚杆钻孔不完全垂直于表面及巷道围岩的复杂大变形,锚杆会受到拉、弯、扭、剪等复杂应力。在冲击地压矿井,锚杆还会受到冲击载荷。

“了解这种复杂应力状态下锚杆的力学响应是巷道支护设计的根本。”康红普表示,“如何去了解?光看是不行的,必须要有锚杆力学性能测试设备。在大量的测试数据基础上,掌握锚杆受力变形规律。”

已有的试验台往往只能测试一种或两种受力状态,无法真实反映、测试井下锚杆实际受力工况。为充分掌握锚杆受力状况,康红普及团队研发了动静载锚杆力学性能综合试验台。试验台由安装部、加载部、冲击摆锤、测试系统以及控制系统组成,可测试锚杆预紧、拉伸、扭转、弯曲、剪切、冲击等任何一种受力状态及任何受力组合状态下的锚杆力学响应。

记者来到距离天地大厦不远处的煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,在试验大厅看到了动静载锚杆力学性能综合试验台。

“你可以把它理解为给锚杆做个‘增强CT’,看看它里面到底是怎么被破坏的。锚杆从这头‘躺’好后,推进去。锚杆‘躺’在‘扫描仓’里,有部件相当于‘岩层’,‘岩层’往下降,给锚杆施加压力;有部件相当于‘油缸’,把锚杆往外推、往上顶,给锚杆施加拉力和剪切力;摆锤抡起锤轮,锤轮抡得越高,落在锚杆身上的冲击力就越强。”实验室副主任、康红普培养的博士生娄金福形象地告诉记者。

“而且这些动作可以组合在一起,综合施加作用力。因为锚杆在井下受力情况是无法预判的,不知道哪种力会先作用或几种力一起作用,也不清楚力的大小等。所以,我们在大量的井下锚杆受力实测数据基础上,在实验室构建与现场高度相似或接近原型的测试设备,把锚杆受力过程演示出来,尽量还原现场破坏过程。”娄金福表示。

做完“增强CT”后,一些锚杆出现弯曲、断裂现象。通过动静载锚杆力学性能试验台,他们就可以查看锚杆的“CT片子”,给锚杆看“病”了。

“我们在‘扫描仓’安装了25种传感器,通过提取传感器信号,让控制台接收锚杆受力数据,就像接收‘体检报告’一样。不同数据反映出不同的破坏形态,再通过金相分析,找出锚杆破坏的细节,从而判断受力类型和大小等。”娄金福表示。

记者在现场看到很多不同破坏程度、破坏方式的锚杆,这些都是研究人员的试验样品。这些锚杆中,有些来自煤矿井下,有些则来自锚杆生产厂家;从普通强度、高强度到超高强度,这些样品涵盖了井下使用的大部分锚杆类型。

“动静载锚杆力学性能综合测试台是国际上唯一一套能够同时测试锚杆复杂受力状态及动静载组合加载力学性能的设备,也是我们项目的核心发明点之一。这是我们攻克的最大难题,因为它的设计思路、结构、制造技术等没有可参考对象,都要靠自主研发。”康红普表示。

实验室科研骨干、康红普培养的博士李建忠也表示,从前期反复论证到设备制造再到后期成型,团队不断进行调研和方案调试,最终研发成功。

“既要保证每个模块能协同作业,而且信号还要融合,经过反复论证后,我们最终采用了积木式的高度集成机械结构。这就要求我们要在有限的内部空间里,非常准确地布置各个部件,包括机械件、液压件,还有不同尺寸的传感器等等。”对此,娄金福和李建忠均有同感。“试验台相当于把我们团队过去20多年的设备研发经验,融合到一台功能集中的综合设备中。”

平台研制成功后,不断有国内外学界和业界人员前来学习和调研。相关人员评价,无论在液压控制与传感器部署等硬件方面,还是在控制系统与数据采集等软件方面,动静载锚杆力学性能综合试验台均集成国内外先进技术,实现了软硬件的高度协同与联动控制。

成套技术广泛应用

解决复杂困难巷道支护难题

此外,该项目创新点还在于发明了高冲击韧性、超高强度、低成本预应力锚杆材料和制造工艺及高预应力施加设备,发明了新型钻锚注一体化锚杆、锚固与注浆材料以及配套施工设备。这些发明点经系统集成后,形成了煤矿巷道抗冲击预应力支护成套技术体系,在冲击地压、深部高应力及强采动巷道中得到成功应用,显著提高了煤矿巷道支护技术水平。

如今,煤矿巷道抗冲击预应力支护成套技术已在河南义马、山东新汶、山西潞安等18个矿区推广应用,为开采深部与复杂条件煤炭资源提供了技术保障。

“我记得有一年,河南义马矿区的一个领导专门联系我,想让我下井看看巷道支护情况。到了现场,发现还是存在很多问题,比如支护理念、支护参数、支护质量等。我们通过现场调研、交流沟通,在如何进行支护设计上讨论了很多次,包括怎么选参数、怎么进行施工,最终确定了比较合理的支护设计,采用了我刚才说的高冲击韧性、超高强度、低成本预应力锚杆材料。之后,团队成员与工人一起上下井,全程紧盯井下试验过程。”康红普回忆称,“最后,支护效果有了显著提高。锚杆破断率下降98%,巷道变形量下降65%,巷道稳定性显著提高,矿方非常认可。”

在项目成果实践应用方面,李建忠也表示,2017年开始,他们在埋深1000米、巷道变形强烈的淮南新集口孜东矿做了试验,采用最新研发的锚杆进行支护,再加上注浆和表面喷浆的方式,一次支护就能有效控制围岩变形,省去了大量的二次修巷工作。这既节约了人力、材料和时间成本,又提高了效率、减少了投入,同样受到矿方好评。

随着支护理念的更新、支护工艺的丰富和支护材料的发展,我国煤矿巷道围岩控制理论与技术水平正在全面提升,促进了矿山压力与岩层控制的科技进步,经济效益和社会效益显著。

获奖后,康红普最想做的事情是感谢项目团队的协作,感谢中国煤炭科工集团领导及同事的支持,感谢国家项目连续不断的支持。

“这个项目虽然已完成,但我们还有好多后续工作要做。一是支护机理方面,我国煤矿地质条件特别复杂,支护机理还需要进一步深入研究;二是支护工艺和材料需要进一步改善,提高材料的强度、延伸率。我们正在与搞金属材料的科研机构合作,研发性能更优越的支护材料;三是在施工设备方面,现在很多矿区锚杆支护施工方式依然主要靠人工,机械化程度比较低。我们正在开展集中攻关研究,提高施工效率、减少用人数量,创造更安全的作业环境,以提高巷道支护的机械化、自动化、智能化水平。”康红普表示。

“煤炭科技自立自强需要不断研发从零到一、从无到有的技术。核心技术要牢牢掌握在煤炭人自己手里。”康红普说,“我们要不断发扬科学家精神,专注于某一研究领域,深耕、进取和奉献,让我国煤炭行业更安全、更绿色、更高效。”

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