——訪中國工程院院士、中國煤炭科工集團首席科學(xué)家康紅普及其團隊
近日，煤礦巷道抗沖擊預(yù)應(yīng)力支護關(guān)鍵技術(shù)獲得國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。記者來到位于北京朝陽區(qū)的天地大廈，采訪了該項目主要完成人中國工程院院士、中國煤炭科工集團首席科學(xué)家康紅普及其團隊，了解我國煤礦巷道支護技術(shù)的最新進展。
康紅普（右一）與團隊成員在討論錨桿試驗狀況
復(fù)雜條件礦井巷道 支護質(zhì)量亟待提升
我國煤礦主要為井工開采，井下需要掘進大量巷道，每年新掘進巷道長度達1.2萬公里以上。以錨桿支護為主的巷道支護方式，經(jīng)過不斷研究與優(yōu)化，現(xiàn)已基本滿足一般地質(zhì)條件礦井巷道支護需求。
不過，隨著煤礦開采深度與強度的增大，大量沖擊地壓、深部高應(yīng)力及強采動巷道出現(xiàn)，約占巷道總長度的30%。目前，煤礦最大開采深度達1501米，沖擊地壓礦井320余座。
“對于復(fù)雜困難地質(zhì)條件礦井，傳統(tǒng)的巷道支護方式存在支護效果差、成本高、施工工藝復(fù)雜等弊端。我們需要創(chuàng)新支護方式、提高支護效率、優(yōu)化支護效果?！笨导t普對記者說。
由于傳統(tǒng)支護技術(shù)不適應(yīng)這些復(fù)雜困難巷道，金屬支架損壞、錨桿與錨索破斷、頂板垮落現(xiàn)象時有發(fā)生。而頂板事故多年來一直是煤礦第一大事故，給煤礦安全造成極大威脅。同時，巷道維護成本大幅增加，加重了煤礦的經(jīng)濟負擔(dān)。
作為煤礦巷道支護領(lǐng)域的專家，多年來，康紅普及其團隊積累了大量關(guān)于支護理論、工藝、材料以及監(jiān)測等方面的經(jīng)驗。這次，他們把研究重點瞄準了復(fù)雜困難巷道支護技術(shù)體系上。
“經(jīng)過30多年的努力，我們已經(jīng)解決了一般條件巷道支護問題，而且應(yīng)用效果很好。這個項目要解決3個難題，即沖擊地壓、深部高應(yīng)力及強采動巷道支護難題，為復(fù)雜困難巷道支護提供有效手段?！笨导t普表示，“既能解決支護問題、成本比較低，又便于施工，我認為這是最好的技術(shù)，也是我們的研究方向。”
從2006年開始，在國家科技支撐計劃、國家國際科技合作專項、國家“863”計劃及國家自然科學(xué)基金等項目資助下，在中國煤炭科工集團給予人、財、物和試驗場地等大力支持下，以康紅普、吳擁政、林健、高富強、姜鵬飛等人為代表的研究者，開展了煤礦巷道抗沖擊預(yù)應(yīng)力支護關(guān)鍵技術(shù)研究。
動靜載錨桿力學(xué)性能綜合試驗臺
給錨桿做個“增強CT” 了解真實受力狀況
研究的第一步，要從了解錨桿的真實受力狀況和破斷特征開始。研究人員在井下收集了大量變形、破斷的錨桿，分析錨桿是如何受力和破斷的。研究人員要從樣本中了解原因，才能接著進行理論創(chuàng)新與技術(shù)研發(fā)。
在井下巷道中，錨桿往往不是單純承受拉力，而是處于十分復(fù)雜的受力狀態(tài)。由于巷道表面的不平整、錨桿鉆孔不完全垂直于表面及巷道圍巖的復(fù)雜大變形，錨桿會受到拉、彎、扭、剪等復(fù)雜應(yīng)力。在沖擊地壓礦井，錨桿還會受到?jīng)_擊載荷。
“了解這種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下錨桿的力學(xué)響應(yīng)是巷道支護設(shè)計的根本。”康紅普表示，“如何去了解？光看是不行的，必須要有錨桿力學(xué)性能測試設(shè)備。在大量的測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，掌握錨桿受力變形規(guī)律?！?/span>
已有的試驗臺往往只能測試一種或兩種受力狀態(tài)，無法真實反映、測試井下錨桿實際受力工況。為充分掌握錨桿受力狀況，康紅普及團隊研發(fā)了動靜載錨桿力學(xué)性能綜合試驗臺。試驗臺由安裝部、加載部、沖擊擺錘、測試系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成，可測試錨桿預(yù)緊、拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲、剪切、沖擊等任何一種受力狀態(tài)及任何受力組合狀態(tài)下的錨桿力學(xué)響應(yīng)。
記者來到距離天地大廈不遠處的煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，在試驗大廳看到了動靜載錨桿力學(xué)性能綜合試驗臺。
“你可以把它理解為給錨桿做個‘增強CT’，看看它里面到底是怎么被破壞的。錨桿從這頭‘躺’好后，推進去。錨桿‘躺’在‘掃描倉’里，有部件相當(dāng)于‘巖層’，‘巖層’往下降，給錨桿施加壓力；有部件相當(dāng)于‘油缸’，把錨桿往外推、往上頂，給錨桿施加拉力和剪切力；擺錘掄起錘輪，錘輪掄得越高，落在錨桿身上的沖擊力就越強?！睂嶒炇腋敝魅巍⒖导t普培養(yǎng)的博士生婁金福形象地告訴記者。
“而且這些動作可以組合在一起，綜合施加作用力。因為錨桿在井下受力情況是無法預(yù)判的，不知道哪種力會先作用或幾種力一起作用，也不清楚力的大小等。所以，我們在大量的井下錨桿受力實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，在實驗室構(gòu)建與現(xiàn)場高度相似或接近原型的測試設(shè)備，把錨桿受力過程演示出來，盡量還原現(xiàn)場破壞過程。”婁金福表示。
做完“增強CT”后，一些錨桿出現(xiàn)彎曲、斷裂現(xiàn)象。通過動靜載錨桿力學(xué)性能試驗臺，他們就可以查看錨桿的“CT片子”，給錨桿看“病”了。
“我們在‘掃描倉’安裝了25種傳感器，通過提取傳感器信號，讓控制臺接收錨桿受力數(shù)據(jù)，就像接收‘體檢報告’一樣。不同數(shù)據(jù)反映出不同的破壞形態(tài)，再通過金相分析，找出錨桿破壞的細節(jié)，從而判斷受力類型和大小等?！眾浣鸶１硎?。
記者在現(xiàn)場看到很多不同破壞程度、破壞方式的錨桿，這些都是研究人員的試驗樣品。這些錨桿中，有些來自煤礦井下，有些則來自錨桿生產(chǎn)廠家；從普通強度、高強度到超高強度，這些樣品涵蓋了井下使用的大部分錨桿類型。
“動靜載錨桿力學(xué)性能綜合測試臺是國際上唯一一套能夠同時測試錨桿復(fù)雜受力狀態(tài)及動靜載組合加載力學(xué)性能的設(shè)備，也是我們項目的核心發(fā)明點之一。這是我們攻克的最大難題，因為它的設(shè)計思路、結(jié)構(gòu)、制造技術(shù)等沒有可參考對象，都要靠自主研發(fā)?！笨导t普表示。
實驗室科研骨干、康紅普培養(yǎng)的博士李建忠也表示，從前期反復(fù)論證到設(shè)備制造再到后期成型，團隊不斷進行調(diào)研和方案調(diào)試，最終研發(fā)成功。
“既要保證每個模塊能協(xié)同作業(yè)，而且信號還要融合，經(jīng)過反復(fù)論證后，我們最終采用了積木式的高度集成機械結(jié)構(gòu)。這就要求我們要在有限的內(nèi)部空間里，非常準確地布置各個部件，包括機械件、液壓件，還有不同尺寸的傳感器等等。”對此，婁金福和李建忠均有同感?！霸囼炁_相當(dāng)于把我們團隊過去20多年的設(shè)備研發(fā)經(jīng)驗，融合到一臺功能集中的綜合設(shè)備中。”
平臺研制成功后，不斷有國內(nèi)外學(xué)界和業(yè)界人員前來學(xué)習(xí)和調(diào)研。相關(guān)人員評價，無論在液壓控制與傳感器部署等硬件方面，還是在控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集等軟件方面，動靜載錨桿力學(xué)性能綜合試驗臺均集成國內(nèi)外先進技術(shù)，實現(xiàn)了軟硬件的高度協(xié)同與聯(lián)動控制。
成套技術(shù)廣泛應(yīng)用 解決復(fù)雜困難巷道支護難題
此外，該項目創(chuàng)新點還在于發(fā)明了高沖擊韌性、超高強度、低成本預(yù)應(yīng)力錨桿材料和制造工藝及高預(yù)應(yīng)力施加設(shè)備，發(fā)明了新型鉆錨注一體化錨桿、錨固與注漿材料以及配套施工設(shè)備。這些發(fā)明點經(jīng)系統(tǒng)集成后，形成了煤礦巷道抗沖擊預(yù)應(yīng)力支護成套技術(shù)體系，在沖擊地壓、深部高應(yīng)力及強采動巷道中得到成功應(yīng)用，顯著提高了煤礦巷道支護技術(shù)水平。
如今，煤礦巷道抗沖擊預(yù)應(yīng)力支護成套技術(shù)已在河南義馬、山東新汶、山西潞安等18個礦區(qū)推廣應(yīng)用，為開采深部與復(fù)雜條件煤炭資源提供了技術(shù)保障。
“我記得有一年，河南義馬礦區(qū)的一個領(lǐng)導(dǎo)專門聯(lián)系我，想讓我下井看看巷道支護情況。到了現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)還是存在很多問題，比如支護理念、支護參數(shù)、支護質(zhì)量等。我們通過現(xiàn)場調(diào)研、交流溝通，在如何進行支護設(shè)計上討論了很多次，包括怎么選參數(shù)、怎么進行施工，最終確定了比較合理的支護設(shè)計，采用了我剛才說的高沖擊韌性、超高強度、低成本預(yù)應(yīng)力錨桿材料。之后，團隊成員與工人一起上下井，全程緊盯井下試驗過程?！笨导t普回憶稱，“最后，支護效果有了顯著提高。錨桿破斷率下降98%，巷道變形量下降65%，巷道穩(wěn)定性顯著提高，礦方非常認可。”
在項目成果實踐應(yīng)用方面，李建忠也表示，2017年開始，他們在埋深1000米、巷道變形強烈的淮南新集口孜東礦做了試驗，采用最新研發(fā)的錨桿進行支護，再加上注漿和表面噴漿的方式，一次支護就能有效控制圍巖變形，省去了大量的二次修巷工作。這既節(jié)約了人力、材料和時間成本，又提高了效率、減少了投入，同樣受到礦方好評。
隨著支護理念的更新、支護工藝的豐富和支護材料的發(fā)展，我國煤礦巷道圍巖控制理論與技術(shù)水平正在全面提升，促進了礦山壓力與巖層控制的科技進步，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。
獲獎后，康紅普最想做的事情是感謝項目團隊的協(xié)作，感謝中國煤炭科工集團領(lǐng)導(dǎo)及同事的支持，感謝國家項目連續(xù)不斷的支持。
“這個項目雖然已完成，但我們還有好多后續(xù)工作要做。一是支護機理方面，我國煤礦地質(zhì)條件特別復(fù)雜，支護機理還需要進一步深入研究；二是支護工藝和材料需要進一步改善，提高材料的強度、延伸率。我們正在與搞金屬材料的科研機構(gòu)合作，研發(fā)性能更優(yōu)越的支護材料；三是在施工設(shè)備方面，現(xiàn)在很多礦區(qū)錨桿支護施工方式依然主要靠人工，機械化程度比較低。我們正在開展集中攻關(guān)研究，提高施工效率、減少用人數(shù)量，創(chuàng)造更安全的作業(yè)環(huán)境，以提高巷道支護的機械化、自動化、智能化水平?！笨导t普表示。
“煤炭科技自立自強需要不斷研發(fā)從零到一、從無到有的技術(shù)。核心技術(shù)要牢牢掌握在煤炭人自己手里?！笨导t普說，“我們要不斷發(fā)揚科學(xué)家精神，專注于某一研究領(lǐng)域，深耕、進取和奉獻，讓我國煤炭行業(yè)更安全、更綠色、更高效?！?/span>
來源：中國煤炭報
