1.項(xiàng)目背景

該項(xiàng)目于2020年1月通過(guò)了中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的科技成果鑒定，研究成果為國(guó)際領(lǐng)先水平。

軒崗礦區(qū)主采煤層屬于典型松散破碎煤層，礦區(qū)內(nèi)劉家梁煤礦、焦家寨煤礦、梨園河煤礦、石湖礦、程家溝礦和同生同基礦主采煤層平均厚度為2 m～16 m，其中5#主采煤層巷道頂煤厚度最高約為13 m，屬于典型托松散頂煤巷道。長(zhǎng)期以來(lái)該類型巷道支護(hù)采用工字鋼棚、U 型鋼棚的被動(dòng)支護(hù)為主。由于頂煤松散破碎且厚度大，巷道在受多次采動(dòng)影響后，圍巖變形劇烈、支護(hù)體破斷、失效現(xiàn)象頻發(fā)。雖然曾對(duì)該種條件下的巷道進(jìn)行過(guò)主動(dòng)支護(hù)試驗(yàn)，但效果并不理想，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)原因在于：①現(xiàn)有錨網(wǎng)支護(hù)施工工藝與軒崗礦區(qū)托松散頂巷道的實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀不相符；②煤體松散破碎，錨桿（索）錨固質(zhì)量低下，錨固效果衰減嚴(yán)重；③錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)單一，參數(shù)設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)依據(jù)；④各礦存在區(qū)段（沿空）煤柱留設(shè)不科學(xué)的問(wèn)題，煤柱尺寸多為25 m～35 m，其尺寸設(shè)計(jì)并未考慮順采及沿空掘巷等正常情況、對(duì)采對(duì)掘及孤島工作面等非正常情況。因此，根據(jù)軒崗礦區(qū)各礦井的地質(zhì)與開(kāi)采條件，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)等方法，深入系統(tǒng)地研究托松散頂煤巷道錨網(wǎng)支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)及科學(xué)合理的巷道煤柱留設(shè)尺寸意義重大。

2.研究?jī)?nèi)容

（1）托松散頂煤巷道地質(zhì)力學(xué)評(píng)估

通過(guò)對(duì)軒崗礦區(qū)主采煤層進(jìn)行煤體堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)定、巷道頂板巖層探測(cè)、頂板巖石力學(xué)性能測(cè)試、松動(dòng)圈測(cè)試等手段進(jìn)行巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估，結(jié)果表明巷道頂煤厚度大、松散破碎，堅(jiān)固性系數(shù)0.3左右，頂?shù)装寰鶠檩^軟的砂質(zhì)泥巖或泥巖，并含有軟弱夾層，回采巷道屬于典型托松散頂煤巷道。因此，采用積極主動(dòng)的支護(hù)形式、改善錨網(wǎng)施工工藝、提高頂煤的整體性以及錨桿（索）錨固質(zhì)量是控制該類型巷道圍巖變形的根本途徑。

（2）托松散頂煤巷道錨網(wǎng)支護(hù)施工工藝及錨固增效技術(shù)研究

結(jié)合軒崗礦區(qū)主采煤層的實(shí)際地質(zhì)條件及礦井生產(chǎn)現(xiàn)狀，形成了適用于托松散頂煤巷道的錨網(wǎng)支護(hù)施工工藝，實(shí)現(xiàn)了松散煤體快速注漿、錨固孔成孔護(hù)壁、錨桿（索）錨固增效方法及配套機(jī)具的研發(fā)，為托松散頂煤巷道錨網(wǎng)支護(hù)的成功實(shí)踐提供了有力支撐。

（3）托松散頂煤巷道錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

基于塊體巖梁理論對(duì)軒崗礦區(qū)各礦托松散頂煤巷道穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，依托地質(zhì)力學(xué)評(píng)估基礎(chǔ)信息，建立了計(jì)算機(jī)數(shù)值模型，分析了不同托頂煤厚度時(shí)巷道圍巖力學(xué)特征。采用理論分析及數(shù)值模擬方法進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)差異化設(shè)計(jì)。

（4）托松散頂煤巷道煤柱尺寸留設(shè)

通過(guò)理論分析方法研究了軒崗礦區(qū)托松散頂煤巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及煤柱的力學(xué)特征，確定了多種情況下沿空巷道煤柱及區(qū)段煤柱的尺寸范圍，利用數(shù)值模擬方法確定了最優(yōu)煤柱尺寸以及支護(hù)參數(shù)。確定軒崗礦區(qū)各礦托松散頂煤巷道沿空巷道煤柱留設(shè)尺寸為8 m～12 m，區(qū)段巷道煤柱留設(shè)尺寸為18 m～22 m，在保證巷道安全基礎(chǔ)上，較大程度地降低了煤柱尺寸，提高了煤炭資源回收率。

3.主要研究成果

（1）適用于托松散頂煤巷道的錨固孔成孔裝置研發(fā)與錨網(wǎng)支護(hù)施工工藝

結(jié)合軒崗礦區(qū)主采煤層的實(shí)際地質(zhì)條件及礦井生產(chǎn)現(xiàn)狀，研發(fā)了適用于松散破碎煤體的錨固孔成孔方法及裝置，提出了分區(qū)掘進(jìn)及時(shí)支護(hù)的錨網(wǎng)支護(hù)施工工藝，有效解決了托松散頂煤巷道成形差、錨網(wǎng)支護(hù)難以施工的難題（圖1）。

圖1 分區(qū)掘進(jìn)及時(shí)支護(hù)的錨網(wǎng)支護(hù)施工工藝

（2）錨桿（索）錨固增效與錨固力防衰減關(guān)鍵技術(shù)

揭示了錨網(wǎng)施工過(guò)程中錨固劑分布不均、錨固劑流失及錨固力衰減機(jī)理，研發(fā)了錨索錨固增效構(gòu)件，優(yōu)化了錨桿端部形狀，設(shè)計(jì)了單翼楔形擴(kuò)孔機(jī)具（圖5），提出了圍巖快速注漿方法，開(kāi)發(fā)了可重復(fù)使用的注漿封孔裝置，改善了現(xiàn)有注漿工藝，提高了施工效率，降低了巷道維護(hù)成本。

（3）托松散頂煤巷道煤柱尺寸優(yōu)化理論分析與穩(wěn)定控制

研究了多種情況下托松散頂煤巷道煤柱力學(xué)特征及巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，優(yōu)化了煤柱尺寸，提出了基于應(yīng)力轉(zhuǎn)移的煤柱巷道穩(wěn)定性控制方法（圖2、圖3）。

圖2 沿空掘巷煤柱尺寸理論計(jì)算模型

圖3 沿空掘巷煤柱尺寸設(shè)計(jì)數(shù)值模型

4.應(yīng)用效果

項(xiàng)目從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)研、試驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)、施工工藝設(shè)計(jì)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，緊密聯(lián)系生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，有效解決了軒崗礦區(qū)托松散頂煤巷道錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)難以實(shí)施的瓶頸問(wèn)題，成功進(jìn)行了托松散頂煤沿空巷道及區(qū)段煤柱尺寸的優(yōu)化及穩(wěn)定控制，保障了礦區(qū)內(nèi)托松散頂煤巷道的安全施工，降低煤炭資源損失，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益突出。通過(guò)本項(xiàng)技術(shù)成果的成功應(yīng)用，優(yōu)化了托松散頂煤巷道煤柱尺寸，煤柱尺寸較大幅度的縮減極大程度降低了煤炭資源的浪費(fèi)，提高了煤炭資源回收率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益17517 多萬(wàn)元。項(xiàng)目提出了適用于托松散頂煤巷道的錨網(wǎng)支護(hù)施工工藝，實(shí)現(xiàn)了軒崗礦區(qū)托松散頂煤巷道錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)的成功應(yīng)用，有效解決了巷道成形差、錨網(wǎng)支護(hù)難以施工的難題，該技術(shù)工藝為其他條件類似礦井提供了成功的經(jīng)驗(yàn)。