項目名稱:巷道圍巖穩(wěn)定性評價及控制技術研究
申報單位:霍州煤電集團有限責任公司
主要完成人：曹耀豐 楊新華 王連國 李慎舉 陸銀龍 張小康 陳學志 張勝云 孟 毅 張隨喜 馬麗芳
主要完成單位：霍州煤電集團有限責任公司
中國礦業(yè)大學
專業(yè)（學科）分類名稱代碼：礦山支護工程440.3020
礦山壓力工程440.3010
所屬國民經濟行業(yè)：B類型
任務來源：自選
計劃（基金）名稱和編號：HZMDJSHT060001
項目起止時間：2006年3月20日——2008年3月21日
項目簡介：本項目以霍州煤電集團公司下屬礦區(qū)的具體工程地質條件和生產技術條件為背景，通過現場地應力實測，結合礦區(qū)宏觀地應力場分析，查明了礦區(qū)所處區(qū)域巖體地應力的量值、方向以及原巖應力場的分布特點和變化規(guī)律；同時，通過現場收集煤巖試樣及實驗室測試與分析，全面獲得了各礦區(qū)各主采煤層的圍巖物理力學性質參數。在此基礎上，綜合運用模糊數學、人工神經網絡和數值計算等原理和方法，建立了巷道圍巖穩(wěn)定性模糊聚類分析評價模型和BP人工神經網絡智能預測模型，實現了對各礦區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性的科學、智能評價；借助正交數值模擬試驗分析方法，在對各類巷道支護方案及參數優(yōu)化分析的基礎上，制定了各類巷道支護標準；系統研究了單根錨桿、群錨系統以及高強讓壓錨桿的錨固作用機理，建立了單根錨桿的軸向力學作用模型、橫向力學作用模型和復合錨固作用模型，以及巷道頂板和兩幫圍巖的3類錨固結構模型，進一步揭示了錨桿支護系統的基本作用機理，完善了現有的錨桿支護理論；提出了一種“基于專家系統的錨桿支護動態(tài)信息反饋設計”方法，利用專家系統對巷道支護設計的全過程進行動態(tài)的分析與設計；針對礦區(qū)煤巷采掘緊張的突出矛盾，建立了巷道施工工藝的AOE網絡和BP神經網絡綜合優(yōu)化評價模型，提出了煤巷施工工藝的改進措施和施工工序的優(yōu)化措施，為提高巷道的安全快速掘進提供了保障；深入研究了礦區(qū)復雜困難條件下巷道圍巖變形破壞機理，提出了以高強高預應力讓壓錨桿和帶肋錨索為核心的高阻讓壓支護體系及相應的施工技術，取得了理想的支護效果。在這些研究成果的基礎上，建立了霍州煤電集團公司巷道支護規(guī)范和標準，并運用人工智能專家系統及面向對象編程的基本思想，成功開發(fā)了“霍州煤電集團公司巷道支護專家系統”(RSES)軟件，實現了各礦區(qū)巷道支護設計的智能化、系統化和科學化。目前，該項成果已在霍州煤電集團公司下屬礦區(qū)廣泛應用，取得了顯著的經濟效益與社會效益，各礦區(qū)巷道支護技術再上了一個新的臺階。
立項背景、科技內容、特點及應用推廣情況：霍州煤電集團公司下屬十幾對礦井分布于霍州、洪洞、呂梁三個礦區(qū)，由于霍州、洪洞兩區(qū)處于霍西煤田，受霍山斷裂構造的影響，煤層賦存條件差，斷層、無炭柱、構造應力影響因素較為突出，嚴重制約著各礦井的安全生產；呂梁區(qū)處于河東煤田邊緣，煤層風氧化頂板較為突出，同樣影響著礦井的支護可靠性。因此，為了提高礦井支護的安全可靠性，更有效回收煤炭資源，霍州煤電集團與中國礦業(yè)大學聯合提出了《巷道圍巖穩(wěn)定性評價及控制技術研究》項目。
本項目綜合采用物理試驗、理論分析、數值模擬及現場實測等手段和方法，對礦區(qū)地應力分布規(guī)律、圍巖物理力學性質、巷道圍巖穩(wěn)定性狀況、錨桿支護機理、支護設計方法與施工工藝、復雜困難條件下巷道支護技術、巷道支護專家系統以及錨桿支護技術規(guī)范等內容進行了系統研究，經過數年攻關，最終形成了一套系統的巷道圍巖穩(wěn)定性評價及控制的理論與技術體系。
與國內外同類技術研究相比，本成果基于大量地應力實測和圍巖物理力學性質測試獲取的基礎資料，通過對巷道圍巖穩(wěn)定性分類、錨桿支護機理、設計方法以及復雜困難巷道支護技術的深入、系統研究，開發(fā)了適用于煤礦現場工程技術人員操作使用的“巷道支護專家系統”軟件，并最終形成了一套系統的巷道圍巖穩(wěn)定性評價及控制的理論與技術體系。
本項成果成功解決了霍州、洪洞、呂梁3個礦區(qū)復雜困難條件下巷道支護方案設計以及一般條件下巷道支護設計優(yōu)化等難題，使各礦區(qū)巷道支護技術再上了一個新的臺階，真正實現了霍州煤電集團公司生產礦井巷道支護技術的系統化、規(guī)范化和科學化。該項成果不但在霍州、洪洞、呂梁3個礦區(qū)具有重要的推廣價值，而且在全國礦山企業(yè)也具有廣闊的推廣應用前景。
發(fā)現、發(fā)明及創(chuàng)新點：本項目在五個方面取得了創(chuàng)新性研究成果：
①通過現場地應力實測，結合礦區(qū)宏觀地應力場分析，查明了礦區(qū)所處區(qū)域巖體應力的量值、方向以及應力場的分布特點和變化規(guī)律；
②建立了巷道圍巖穩(wěn)定性評價模糊聚類分析模型和BP智能預測模型；并在對各類巷道支護方案及參數優(yōu)化分析的基礎上，制定了各類巷道支護標準；
③建立了單根錨桿的軸向力學作用模型、橫向力學作用模型和復合錨固作用模型，以及巷道頂板和兩幫的3類錨固結構模型，并分析了每類錨固結構的特征和作用機理；提出了一種“基于專家系統的錨桿支護動態(tài)信息反饋設計”方法，并建立了巷道施工工藝的AOE網絡和BP神經網絡綜合優(yōu)化評價模型；
④針對復雜困難條件巷道，提出了以高強高預應力讓壓錨桿和帶肋錨索為核心的高阻讓壓支護體系；
⑤制定了霍州煤電集團公司巷道支護規(guī)范和標準，建立了巷道支護專家系統的產生式規(guī)則知識庫以及產生式規(guī)則推理機、神經網絡推理機和計算模式推理機，同時建立了錨桿支護系統的正交數值模擬試驗優(yōu)化選擇模型，在此基礎上，成功開發(fā)了“霍州煤電集團巷道支護專家系統”軟件。
應用情況：截止到2008年12月底，采用本項目研究成果已在霍州煤電集團公司下屬的李雅莊礦、辛置礦、曹村礦、白龍礦、團柏礦、木瓜礦、店坪礦、回坡底礦、三交河礦、龐龐塔礦等施工開拓巷道、實體煤巷道、大斷面切眼等巷道總長超過257336m，其中，團柏礦、木瓜礦等一般條件下的巷道掘進總量達180136m，李雅莊礦、曹村礦等特殊復雜條件下的巷道掘進總量達77200m。巷道安全狀況良好，支護效果大大改善，顯著地提高了工作面的推進速度，有力地遏制了重大事故的發(fā)生，大大降低了工人的勞動強度，取得了顯著的經濟效益與社會效益。
經濟效益：目前，采用本項成果已在霍州煤電集團公司下屬礦井施工巷道總長超過257336m，其中，一般條件下的巷道掘進總量達180136m，特殊復雜條件下的巷道掘進總量達77200m。巷道安全狀況良好，支護效果大大改善，巷道支護與維護的總成本顯著降低，一般條件下的巷道支護成本節(jié)約356元/米，特殊復雜條件下的巷道支護成本節(jié)約1458元/米，共計節(jié)約支護成本達17668.6萬元；另外，由于工作面推進速度的加快，新增煤炭產量205萬噸，按噸煤價格350元/t計算，新增產值71750萬元，新增利潤22242.5萬元。這兩項合計，產生直接經濟效益達39911.1萬元，取得了顯著的經濟效益。
社會效益：由于本項成果的成功應用，霍州煤電集團公司下屬礦井巷道安全狀況得到充分的保障，有力地遏制了重大事故的發(fā)生，減少了事故造成的人員傷亡和財產損失，改善了井下工人的工作環(huán)境、降低了工人的勞動強度，穩(wěn)定了職工的情緒，調動了職工的積極性，樹立了煤礦的良好形象，取得了顯著的社會效益。
