深部礦井高應力下多支護單元容錯集成技術  
　　一、立項背景和意義  
　?。?）項目意義  
　　我國去年煤炭產量30億噸，按較高采煤水平計算：1萬噸，需掘60m巷道，（萬噸掘進率）；18000000m（一千八百萬m；即18000Km）。礦井巷道工程是浩大的地下工程。  
　　巷道80%采用鋼材支護，14800Km：也就是需要1480萬噸鋼材；（而深部礦井巷道每m鋼材用量和反復修復對鋼材的用量達2000萬噸以上）。  
　　除對鋼材消耗外，同樣對煤炭、水、電能等的消耗十分巨大。  
　　深部礦井即使采用大規格、大型號的鋼材仍然不能**巷道支護穩定。礦井深部建設舉步為艱。  
　?。?）項目背景：  
　　隨著煤炭產量的狂增，礦井開采范圍和開采深度的加大，復雜應力狀態下的軟巖巷道支護穩定問題日益嚴重，已成為制約礦井開采向深部發展的重大瓶頸問題。  
　　1、巷道所處的位置  
　　隨著新一輪能源大開發，我國礦井開采的深度越來越大，地質條件越來越復雜  
　　2、受大構造應力影響的淮北部分礦區  
　　3、工作面周圍經受回采引起的強烈支承壓力作用，使圍巖應力值數倍至10倍于原巖應力。  
　　4、沖擊地壓對巷道破壞狀態。  
　　5、圍巖自身強度對其穩定性的影響：一、泥化二、無粘結狀態  
　　6、關鍵層對巷道圍巖穩定性的影響（實踐證明，關鍵層下巷道圍巖所受到的應力變化，往往會對巷道支護體產生突發而巨大的破壞作用。在巷道走向和巖層走向一致時，巷道兩幫的圍巖移變量差異不大；而當巷道是垂直巖層面時，同一巷道內圍巖移變量差異就很大，支護體破壞變異明顯）。  
　　7、復合頂板對巷道圍巖穩定性的影響（復合頂板的巷道圍巖差異性很大，且是非均質層狀賦存，在高應力作用下，表現為頂板極易離層、冒落，難以形成承載結構）。  
　　8、層狀非連續巖體的穩定性分析：巖體是天然條件下賦存的巖石群體，由很多巖石組成，它們在生成過程中形成很多分隔面、層理面，在地質變動過程中又產生很多節理、裂隙、斷層等弱面，巖體往往沿弱面滑移或脫離，使應力應變不連續。這種情況對圍巖的穩定是極為不利的  
　　9、“孤島”回采對巷道圍巖穩定性的影響：孤島應力與變形之間的關系稱之“孤島應力場現象”。對巷道圍巖的穩定產生多方面不利影響：  
　　10、“危石”對圍巖穩定性影響的分析：首先沿著結構面滑移、失穩，進而產生連鎖反應，造成圍巖松動失穩的塊體稱之為“危石”。  
　　11、水環境對巷道圍巖穩定性的影響……  
　　12、混合風流  
　　13、其它因素對圍巖及支護體穩定性的影響……  
　　如：掘進過程中本身對圍巖的破壞和相鄰巷道掘進的影響：支護設計的不匹配；施工質量弱化了支護功能等等  
　　目前國內外各種巷道支護技術效果  
　　★U型鋼可縮性支架和U型鋼壁后充填支護：成本高，勞動強度大，也難以**軟巖巷道支護穩定。  
　　★錨桿桁架：不能適應大變形軟巖巷道，支護**性差。  
　　★錨索支護：需專用打眼設備，在軟巖中深孔作業施工困難、易水化進度慢。  
　　★鋼桁架（網翹）復合支護(其共同點)成本高，工序復雜，施工速度慢，破壞后修復極其困難。  
　　實踐證明，上述支護形式都很難抵御復雜應力對巷道支護體的破壞。  
　　所以，復雜應力極軟巖巷道支護穩定是煤礦安全生產亟待解決的重大技術難題。  
　　二、總體研究思路  
　　指導思想：針對礦井巷道受復雜應力下軟巖巷道遭到強烈破壞的實際狀況，以研究軟巖巷道支護機理為出發點，以提高圍巖自身強度和改變圍巖的力學狀態為切入點，總結出高強韌封層、穩壓膠結技術，激隙泄壓技術，并在監測監控的基礎上，不斷適時補強，構建緩釋疊加應力下“軟弱巖、煤體”巷道支護體系，認真解決困難巷道的支護問題  
　　三、技術方案  
　　技術方案1  
　　實施預空置換技術  
　　就是把圍巖中軟弱部分、裂隙豐富部分和受外力松動部分的巖、煤體加大清除范圍，對其采取擴大范圍和相應加固措施，使巖體內應力發生變化時，不會由于圍巖弱處的存在，引發圍巖體過早加大、加快其裂隙拓展的速度。同時巷道施工斷面大于設計斷面10~15％，以保障動態支護過程適時補強的要求。 　　技術方案2  
　　強韌封層技術  

　　就是在巷道支護中，使用以鋼絲繩為筋骨、高度密貼巖面多層次的混凝土噴漿層結構，解決噴層支護的整體性、高強性、柔韌性和**性。

強韌封層施工現場

強韌封層施工現場

　　技術創新點1  
　　穩壓膠結（該項創新點屬采礦工程學科、巖土工程學科）  
　　通過自固內自閉留（存）壓注漿器，以科學遴選注漿及注漿壓力參數和穩定注漿壓力為手段向圍巖體內注入帶壓漿液，使漿液在巖體內的裂隙中擴散、壓密、凝結，將所及范圍的松散破碎的圍巖膠結成整體，并在巷道圍巖體內留存帶壓漿液，形成漿液膠結加固拱。
　　技術創新點2  
　　激隙泄壓【緩釋疊加應力】：（該項屬采礦工程學科、巖土工程學科）  
　　激隙泄壓就是根據固結圍巖和釋放圍巖內部應力需要，通過既定的技術設計和施工，采取相應措施增大圍巖中的弱面而提高其空隙度，以利于原巖應力的釋放和注漿漿液流動線路通暢，達到提高圍巖的膠結范圍、穩定圍巖的目的。
 
　　技術創新點3  
　　緩釋迭加應力  
　　緩釋迭加應力就是：借助巖體內裂隙和對圍巖人為激隙，將巖體內危及巷道穩定的應力緩慢釋放，以平緩的注漿壓力及時封壓和留存漿液壓力，并根據圍巖移變速度、移變量和應力釋放造成的噴層崩解狀況，來適時向巖體內不斷注漿和預存帶壓漿液，以此抵御、緩解、釋放來自巖體內給支護體的各種壓力，控制各種地壓顯現，以在較長時間內保持巷道支護的穩定。  
　　技術創新點4  
　　在監測監控的技術指導適時注漿不斷補強  
　　技術創新點5  
　　構建均質同性支護體（該項屬采礦工程學科、巖土工程學科）  
　　四、技術所取成效與應用推廣情況  
　　經濟效益  
　　一、項目實施取得的主要成效  
　　（1）本項目技術，在淮北礦業股份有限公司的桃園礦、海孜煤電公司、河北開灤礦業（集團）公司的唐山礦、東歡坨礦、林南倉礦、錢家營礦、河南平頂山礦業公司的十一礦等多個礦區實施了36000m深井軟弱“巖、煤”體技術研究示范工程，巷道安全穩定，穩定率達98%以上，巷道的移變量穩定在5～8%；同比，新掘巷道施工速度提高1.5倍；同比，每米巷道節約成本5600元，總成本節約23860萬元；同比，每米節約鋼材約1噸，節約鋼材約24800噸。實現實現銷售收入22650萬元；利稅510萬元。  
　　（2）所研發的自固、內自閉控壓注漿器技術，已獲國家實用專利證書（專利號：200920274073.4），并形成年產20萬根專用注漿錨桿的生產能力，除供本公司施工使用外，可對外銷售。  
　?。?）本項目的核心技術已獲得國家發明專利證書（專利號：ZL200610162650.1），并將在推廣應用過程中制定或參與制定軟巖巷道支護標準，形成技術規范，積極參與全國軟巖巷道支護協會的工作，力爭上升為行業標準。
　　二、項目實施所取得的社會經濟效益。  
　　1、符合了我國的產業化政策，順應了國家建設資源節約型和環境友好型社會的要求?！秶窠洕蜕鐣l展第十一個五年規劃》提出了節能降耗和污染減排目標，并作為約束性指標。國家堅持以節約能源資源和保護生態環境為切入點，積極促進產業結構優化升級。本項目技術的開發，**符合國家產業化發展政策，也符合省重點技術創新項目的資助方向。  
　　2、大大降低了鋼材用量。傳統支護方式依賴使用金屬支架，消耗大量的鋼材，特別是目前煤礦為了應對高應力對巷道的破壞，實施了大斷面、復合支護，每米用鋼材2噸以上。據測算，一個年產150萬噸的煤礦，每年巷道采用金屬支架支護，平均使用鋼材將達12000噸；2009年我國煤炭產量達30億噸，支護用鋼材將達3000萬噸。本項目的實施，比傳統的支護方式鋼材使用量降低在80%以上，大大節約了不可再生的鋼材資源。據測算，節約1噸鋼材，可節煤0.645噸，節水6.56噸水，節電627.7度電，減塵2.97公斤，減排二氧化硫3.66公斤。  
本項目技術實施修復巷道5900米，節約鋼材4800噸，由此推算，可節煤3000多噸；節水31480噸；節電3012960度；減塵14016公斤；減排二氧化硫17568公斤。  
　　3、實現了資源的綜合利用。本項目在施行巷道支護技術封層中，所使用的煤礦廢棄鋼絲繩作為骨架材料，起到了以對物質減量化、在利用、資源化為目標的綜合利用資源的效果。煤礦生產中，每年都要生產大量廢舊鋼絲繩，以往作為固體廢棄物隨處堆積，既浪費資源，又污染環境。  
　　4、保障了煤礦的安全生產。安全生產是煤炭企業的頭等大事。大家知道，煤礦是水、火、煤塵、瓦斯、頂板事故多發單位，特別是頂板事故，在煤礦事故中占30%以上。  
本項目在開灤、平頂山、義馬、淮北等10余對礦井實施20000余米巷道中，沒有發生一起頂板和其它事故。  
　　5、降低了支護成本。  
　　6、大大地提高了勞動效率和節約了人力資源。傳統巷道支護由于巷道不穩定，反復維修，不僅耗費大量的人力、物力和財力，而且效率低。據了解，一個年產150萬噸的煤礦，需配置巷道維修人員300～500人。  
總之，本項目立足于解決復雜應力極軟巖巷道支護難題，以自主原創為起點、現場反復實踐為基點、提升關鍵技術為奮發點，無論在理論上、技術上、工藝上都取得了重大創新和突破。本項目的關鍵技術獲得了國家發明專利。  
　　應用推廣情況  
　　★該項目技術已在淮北礦業股份有限公司的海孜、楊莊、蘄南、桃園、青東等礦；開灤礦業（集團）公司的唐山、錢家營、東歡坨、林南倉和呂家坨礦；平頂山礦業（集團）公司的一礦、五礦和十一礦；義馬礦業（集團）公司的常村礦及皖北煤電蘄東、任樓礦等數十對礦井巷道中推廣應用，實施巷道達30000多米。  
　　★該項目技術在淮北、開灤、平頂山成功的解決了多個大斷面峒室和交叉點等特殊困難巷道的支護問題。  
　　★該項目技術的使用，安全的通過了東歡坨礦以F2含水活性大斷層為代表的多個斷層施工，進一步拓展了技術應用范圍。  
　　海孜煤電公司進風石門錨注支護前后的狀況
　　五、項目技術在本行業技術中的地位和作用  
　　本項目技術是深部礦井復雜應力、極軟巖巷道支護技術的創造性發展，它把軟巖巷道趨于主動性支護體系提高到可控動態的新階段。成功的解決了復雜和疊加應力影響下的極軟巖巷道支護難題，提升全新的主動性支護新體系，這一成果將會在國內外深部礦井開采事業中越來越發揮較大的作用。  
　　實踐表明：本項目技術不僅為解決深部礦井復雜應力影響下極軟巖巷道支護難題提供了技術，而且也為水利、礦冶、交通、土建等行業的松碎巖體高邊坡工程的治理，深基坑和高壩體的加固，軟弱圍巖的大型硐室和隧道的支護開辟了新的途徑。