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項目名稱:巷道圍巖穩(wěn)定性評價及控制技術(shù)研究

申報單位:霍州煤電集團有限責(zé)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(xué)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(zé)任公司

中國礦業(yè)大學(xué)

專業(yè)（學(xué)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(jīng)濟行業(yè)：B類型

任務(wù)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(zhì)條件和生產(chǎn)技術(shù)條件為背景，通過現(xiàn)場地應(yīng)力實測，結(jié)合礦區(qū)宏觀地應(yīng)力場分析，查明了礦區(qū)所處區(qū)域巖體地應(yīng)力的量值、方向以及原巖應(yīng)力場的分布特點和變化規(guī)律；同時，通過現(xiàn)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(xué)性質(zhì)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，綜合運用模糊數(shù)學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能預(yù)測模型，實現(xiàn)了對各礦區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性的科學(xué)、智能評價；借助正交數(shù)值模擬試驗分析方法，在對各類巷道支護方案及參數(shù)優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上，制定了各類巷道支護標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)研究了單根錨桿、群錨系統(tǒng)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(xué)作用模型、橫向力學(xué)作用模型和復(fù)合錨固作用模型，以及巷道頂板和兩幫圍巖的3類錨固結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)一步揭示了錨桿支護系統(tǒng)的基本作用機理，完善了現(xiàn)有的錨桿支護理論；提出了一種“基于專家系統(tǒng)的錨桿支護動態(tài)信息反饋設(shè)計”方法，利用專家系統(tǒng)對巷道支護設(shè)計的全過程進(jìn)行動態(tài)的分析與設(shè)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(wǎng)絡(luò)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合優(yōu)化評價模型，提出了煤巷施工工藝的改進(jìn)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(jìn)提供了保障；深入研究了礦區(qū)復(fù)雜困難條件下巷道圍巖變形破壞機理，提出了以高強高預(yù)應(yīng)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(yīng)的施工技術(shù)，取得了理想的支護效果。在這些研究成果的基礎(chǔ)上，建立了霍州煤電集團公司巷道支護規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，并運用人工智能專家系統(tǒng)及面向?qū)ο缶幊痰幕舅枷?，成功開發(fā)了“霍州煤電集團公司巷道支護專家系統(tǒng)”(RSES)軟件，實現(xiàn)了各礦區(qū)巷道支護設(shè)計的智能化、系統(tǒng)化和科學(xué)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(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟效益與社會效益，各礦區(qū)巷道支護技術(shù)再上了一個新的臺階。

立項背景、科技內(nèi)容、特點及應(yīng)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(gòu)造的影響，煤層賦存條件差，斷層、無炭柱、構(gòu)造應(yīng)力影響因素較為突出，嚴(yán)重制約著各礦井的安全生產(chǎn)；呂梁區(qū)處于河?xùn)|煤田邊緣，煤層風(fēng)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(xué)聯(lián)合提出了《巷道圍巖穩(wěn)定性評價及控制技術(shù)研究》項目。

本項目綜合采用物理試驗、理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測等手段和方法，對礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、巷道圍巖穩(wěn)定性狀況、錨桿支護機理、支護設(shè)計方法與施工工藝、復(fù)雜困難條件下巷道支護技術(shù)、巷道支護專家系統(tǒng)以及錨桿支護技術(shù)規(guī)范等內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)研究，經(jīng)過數(shù)年攻關(guān)，最終形成了一套系統(tǒng)的巷道圍巖穩(wěn)定性評價及控制的理論與技術(shù)體系。

與國內(nèi)外同類技術(shù)研究相比，本成果基于大量地應(yīng)力實測和圍巖物理力學(xué)性質(zhì)測試獲取的基礎(chǔ)資料，通過對巷道圍巖穩(wěn)定性分類、錨桿支護機理、設(shè)計方法以及復(fù)雜困難巷道支護技術(shù)的深入、系統(tǒng)研究，開發(fā)了適用于煤礦現(xiàn)場工程技術(shù)人員操作使用的“巷道支護專家系統(tǒng)”軟件，并最終形成了一套系統(tǒng)的巷道圍巖穩(wěn)定性評價及控制的理論與技術(shù)體系。

本項成果成功解決了霍州、洪洞、呂梁3個礦區(qū)復(fù)雜困難條件下巷道支護方案設(shè)計以及一般條件下巷道支護設(shè)計優(yōu)化等難題，使各礦區(qū)巷道支護技術(shù)再上了一個新的臺階，真正實現(xiàn)了霍州煤電集團公司生產(chǎn)礦井巷道支護技術(shù)的系統(tǒng)化、規(guī)范化和科學(xué)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(yīng)用前景。

發(fā)現(xiàn)、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(xiàn)場地應(yīng)力實測，結(jié)合礦區(qū)宏觀地應(yīng)力場分析，查明了礦區(qū)所處區(qū)域巖體應(yīng)力的量值、方向以及應(yīng)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(yù)測模型；并在對各類巷道支護方案及參數(shù)優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上，制定了各類巷道支護標(biāo)準(zhǔn)；

③建立了單根錨桿的軸向力學(xué)作用模型、橫向力學(xué)作用模型和復(fù)合錨固作用模型，以及巷道頂板和兩幫的3類錨固結(jié)構(gòu)模型，并分析了每類錨固結(jié)構(gòu)的特征和作用機理；提出了一種“基于專家系統(tǒng)的錨桿支護動態(tài)信息反饋設(shè)計”方法，并建立了巷道施工工藝的AOE網(wǎng)絡(luò)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合優(yōu)化評價模型；

④針對復(fù)雜困難條件巷道，提出了以高強高預(yù)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，建立了巷道支護專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式規(guī)則知識庫以及產(chǎn)生式規(guī)則推理機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理機和計算模式推理機，同時建立了錨桿支護系統(tǒng)的正交數(shù)值模擬試驗優(yōu)化選擇模型，在此基礎(chǔ)上，成功開發(fā)了“霍州煤電集團巷道支護專家系統(tǒng)”軟件。

應(yīng)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(jìn)總量達(dá)180136m，李雅莊礦、曹村礦等特殊復(fù)雜條件下的巷道掘進(jìn)總量達(dá)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(jìn)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(jīng)濟效益與社會效益。

經(jīng)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(jìn)總量達(dá)180136m，特殊復(fù)雜條件下的巷道掘進(jìn)總量達(dá)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(fù)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(dá)17668.6萬元；另外，由于工作面推進(jìn)速度的加快，新增煤炭產(chǎn)量205萬噸，按噸煤價格350元/t計算，新增產(chǎn)值71750萬元，新增利潤22242.5萬元。這兩項合計，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益達(dá)39911.1萬元，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

社會效益：由于本項成果的成功應(yīng)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(chǎn)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(diào)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。