《复杂条件巷道约束混凝土支护理论与关键技术》

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该项目属于矿山支护工程领域。

随着浅部煤炭资源枯竭,煤炭开采进一步走向深部势在必行。高应力、极软岩、断层破碎带及动压影响等复杂条件下,巷道大变形、冒顶、支护体系失效、返修等现象频发,成为制约矿井安全生产的难题;约束混凝土因其钢管和核心混凝土产生“力的共生”作用,发挥了钢管的抗拉作用,同时使混凝土处于受压状态,具有承载力高、塑性好等优势。为解决以上围岩控制难题,该项目将约束混凝土技术应用到矿山及地下工程支护领域。

项目深入分析了复杂条件巷道围岩承载结构失效机理,提出了“高强、完整、让压”耦合支护理念,建立了约束混凝土支护体系,研发了增阻让压锚杆及预紧力定量施加装置,方钢约束混凝土(SQCC)、圆钢约束混凝土(CCC)与U型约束混凝土(UCC)定量让压拱架及配套技术。基于自主研发的拱架1:1大型力学试验系统,开展了系列对比试验,结合理论分析与数值计算,形成了约束混凝土拱架设计方法。通过在多种典型复杂条件巷道中的成功应用,最终形成了约束混凝土支护体系成套施工工法,解决了围岩控制难题。主要创新成果如下:

1.明确了复杂条件巷道围岩承载结构失效机理,提出了“高强、完整、让压”耦合支护理念,首创了约束混凝土支护体系,研发了约束混凝土高强定量让压拱架、柔性壁后充填材料、增阻让压锚杆及预紧力定量施加装置等关键支护技术。

2.明确了约束混凝土构件力学性能,得到了约束混凝土压弯强度破坏力学判别准则,提出了约束混凝土拱架套管节点设计及选型方法,建立了约束混凝土拱架内力分析和承载能力计算方法。

3.研发了约束混凝土拱架1:1大型力学试验系统,开展了不同断面形状、不同截面形式、不同荷载模式作用拱架的系列对比试验,明确了约束混凝土拱架变形破坏机制与承载特性,创立了约束混凝土定量让压拱架设计方法。

4.创建了增阻让压锚杆高预紧力定量施加、约束混凝土定量让压拱架拼装、柔性壁后充填等约束混凝土支护体系成套施工技术,形成了约束混凝土支护体系施工工法,攻克了复杂条件巷道围岩控制难题。

该项目获得国家发明专利8项,中国煤炭工业协会科技进步一等奖1项,部级工法2项,中国煤炭工业专利一等奖1项;发表SCI/EI收录30篇。项目技术应用通过了由王梦恕院士、杨秀敏院士和任辉启院士为主任的专家组论证,论证结论为:该体系能够更好的控制围岩变形,是安全、高效、经济的支护体系。项目成果通过了由蔡美峰院士为主任的科技成果鉴定,鉴定结论为:总体技术达到国际领先水平。

研究成果在赵楼煤矿、鲍店煤矿、东滩煤矿、济宁二号煤矿、济宁三号煤矿、营盘壕煤矿、转龙湾煤矿、梁家煤矿等8个煤矿的复杂条件巷道工程中成功应用,并在超大断面隧道工程中推广,近三年创造经济效益合计40167万元。该项目为解决复杂条件地下工程围岩控制难题提供了理论和技术支撑,促进了支护技术革新,具有广阔的应用前景。

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