研發(fā)起止時間：2018.1~2021.4

完成單位：晉能控股煤業(yè)集團有限公司、中國礦業(yè)大學、晉能控股山西科學技術研究院有限公司

成果水平：國際領先

1 項目背景

晉能控股煤業(yè)集團有限公司洪崖煤礦目前主采2#及3#煤層層間距平均10 m，為近距離煤層。3#煤層上覆為2#煤層小窯采空區(qū)、已掘的廢棄巷道以及殘留的煤柱，局部存在高應力集中區(qū)域。2#煤層與3#煤層之間巖層巖性為細砂巖及砂質(zhì)泥巖。上覆2#煤層殘留煤柱受上覆巖層懸板影響承受高集中應力，并通過2#及3#煤層層間巖層向下傳播，在3#煤層回采過程中小煤柱巷道承受高集中應力疊加強動壓影響，巷道頻繁發(fā)生大變形及冒頂災害。為此亟須開展“堅硬頂板高應力巷道結構性大變形機理及穩(wěn)定性控制技術”課題，有效解決堅硬頂板高應力巷道結構性大變形支護難題，使巷道支護更加規(guī)范、安全。

2 研究內(nèi)容

（1）研究獲得了巷道圍巖結構性大變形災害發(fā)生演化全過程，分析了巷道圍巖破裂網(wǎng)絡發(fā)育力學機制，明晰了高應力結構性大變形巷道碎脹、滑移、旋轉(zhuǎn)及彎折變形模式，推導得到了圍巖碎脹、滑移以及彎折變形表達式，揭示了圍巖結構性大變形機理。

（2）研發(fā)了巷道圍巖恒剛度約束剪切系統(tǒng)，開展了完整及裂隙試樣恒剛度及等法向力直剪試驗，研究了初始法向力及邊界條件對巖石剪切力學行為的影響規(guī)律，建立了法向恒剛度邊界條件下的抗剪強度與峰值剪脹率關系，闡明了恒剛度條件下巖石起裂、剪切磨損、殘余滑移階段剪切力學機制，揭示了三維粗糙節(jié)理面法向恒剛度約束下剪脹變形機理。

（3）基于不同截面含鋼率條件下錨固體法向恒剛度約束直剪試驗，研究獲得了錨桿直徑、密度對圍巖變形、強度影響規(guī)律，建立了錨桿對巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的作用效果表達式，揭示了錨固承載圈對主承載區(qū)圍巖約束加固效應機制，明晰了錨桿抗剪阻滑控制機理，提出了結構性大變形巷道阻剪抗滑閉環(huán)均壓控制方法。

（4）開展了不同結構特征變形模塊吸能壓縮試驗，優(yōu)選高吸能比模塊結構，獲得了材質(zhì)、壁厚、結構特征與索體最優(yōu)匹配關系，優(yōu)化了變形吸能模塊制作工藝，研發(fā)了高吸能比、抗剪切、抗沖擊、抗大變形、允許變形可調(diào)、可顯示圍巖變形的新型錨索及配套高強度托盤。

3 主要研究成果

（1）研究獲得了高應力均質(zhì)圍巖巷道及堅硬頂板巷道圍巖裂隙發(fā)育及塊體運移規(guī)律，明晰了圍巖高應力結構性大變形巷道碎脹、滑移、旋轉(zhuǎn)及彎折變形模式，推導得到了圍巖碎脹、滑移以及彎折變形表達式，揭示了高應力巷道圍巖結構性大變形機理。巷道圍巖破壞變形及塊體運移如圖1所示。

圖1 巷道圍巖破壞變形及塊體運移

（2）明晰了法向恒剛度約束巖石剪切力學特性與剪脹大變形機制

自主研發(fā)了法向恒剛度約束巖石直剪試驗系統(tǒng)（如圖2所示），開展了完整及裂隙試樣恒剛度及等法向力直剪試驗，闡明了恒剛度條件下巖石起裂、剪切磨損、殘余滑移三階段剪切力學機制，確定了三階段剪切強度表達式，獲得了三軸壓縮試驗、等法向力直剪試驗以及恒剛度直剪試驗方法對巖石剪切強度、內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律，明晰了法向恒剛度約束條件下巖石剪切力學機制。

圖2 法向恒剛度約束巖石直剪試驗系統(tǒng)

（3）開展了不同截面含鋼率條件下錨固體法向恒剛度約束直剪試驗，獲得了初始法向力、截面含鋼率對圍巖峰值及殘余強度定量強化規(guī)律，表征了錨桿劈裂導軌效應，提出了不同截面含鋼率條件下錨固體內(nèi)聚力強化、內(nèi)摩擦角弱化表達式，揭示了法向恒剛度約束條件下錨桿對圍巖的定量作用機制。

（4）研發(fā)了高吸能比抗剪升阻大變形錨索

開展了不同結構特征變形模塊吸能壓縮試驗，優(yōu)選了高吸能比模塊結構，獲得了材質(zhì)、壁厚、結構特征與索體最優(yōu)匹配關系，優(yōu)化了變形吸能模塊制作工藝，研發(fā)了高吸能比、抗剪切、抗沖擊、可顯示圍巖變形的新型大變形、升阻錨索及配套高強度托盤。法向恒剛度約束直剪試驗錨桿導軌效應及錨固強化作用如圖3所示。

圖3 法向恒剛度約束直剪試驗錨桿導軌效應及錨固強化作用

4 應用效益

項目研究成果在晉能控股煤業(yè)集團有限公司臨汾宏大洪崖煤礦進行了現(xiàn)場應用，降低了支護成本，相比原有支護方案更為安全高效，巷道穩(wěn)定性得到有效控制，取得了良好經(jīng)濟和社會效益。研究成果可為礦區(qū)其他相近條件巷道穩(wěn)定性控制提供參考，具有良好的推廣前景。

本項目于2021年4月29日通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的專家鑒定，研究成果達到國際領先水平。