深部矿井高应力下多支护单元容错集成技术  
　　一、立项背景和意义  
　　（1）项目意义  
　　我国去年煤炭产量30亿吨，按较高采煤水平计算：1万吨，需掘60m巷道，（万吨掘进率）；18000000m（一千八百万m；即18000Km）。矿井巷道工程是浩大的地下工程。  
　　巷道80%采用钢材支护，14800Km：也就是需要1480万吨钢材；（而深部矿井巷道每m钢材用量和反复修复对钢材的用量达2000万吨以上）。  
　　除对钢材消耗外，同样对煤炭、水、电能等的消耗十分巨大。  
　　深部矿井即使采用大规格、大型号的钢材仍然不能**巷道支护稳定。矿井深部建设举步为艰。  
　　（2）项目背景：  
　　随着煤炭产量的狂增，矿井开采范围和开采深度的加大，复杂应力状态下的软岩巷道支护稳定问题日益严重，已成为制约矿井开采向深部发展的重大瓶颈问题。  
　　1、巷道所处的位置  
　　随着新一轮能源大开发，我国矿井开采的深度越来越大，地质条件越来越复杂  
　　2、受大构造应力影响的淮北部分矿区  
　　3、工作面周围经受回采引起的强烈支承压力作用，使围岩应力值数倍至10倍于原岩应力。  
　　4、冲击地压对巷道破坏状态。  
　　5、围岩自身强度对其稳定性的影响：一、泥化二、无粘结状态  
　　6、关键层对巷道围岩稳定性的影响（实践证明，关键层下巷道围岩所受到的应力变化，往往会对巷道支护体产生突发而巨大的破坏作用。在巷道走向和岩层走向一致时，巷道两帮的围岩移变量差异不大；而当巷道是垂直岩层面时，同一巷道内围岩移变量差异就很大，支护体破坏变异明显）。  
　　7、复合顶板对巷道围岩稳定性的影响（复合顶板的巷道围岩差异性很大，且是非均质层状赋存，在高应力作用下，表现为顶板极易离层、冒落，难以形成承载结构）。  
　　8、层状非连续岩体的稳定性分析：岩体是天然条件下赋存的岩石群体，由很多岩石组成，它们在生成过程中形成很多分隔面、层理面，在地质变动过程中又产生很多节理、裂隙、断层等弱面，岩体往往沿弱面滑移或脱离，使应力应变不连续。这种情况对围岩的稳定是极为不利的  
　　9、“孤岛”回采对巷道围岩稳定性的影响：孤岛应力与变形之间的关系称之“孤岛应力场现象”。对巷道围岩的稳定产生多方面不利影响：  
　　10、“危石”对围岩稳定性影响的分析：首先沿着结构面滑移、失稳，进而产生连锁反应，造成围岩松动失稳的块体称之为“危石”。  
　　11、水环境对巷道围岩稳定性的影响……  
　　12、混合风流  
　　13、其它因素对围岩及支护体稳定性的影响……  
　　如：掘进过程中本身对围岩的破坏和相邻巷道掘进的影响：支护设计的不匹配；施工质量弱化了支护功能等等  
　　目前国内外各种巷道支护技术效果  
　　★U型钢可缩性支架和U型钢壁后充填支护：成本高，劳动强度大，也难以**软岩巷道支护稳定。  
　　★锚杆桁架：不能适应大变形软岩巷道，支护**性差。  
　　★锚索支护：需专用打眼设备，在软岩中深孔作业施工困难、易水化进度慢。  
　　★钢桁架（网翘）复合支护(其共同点)成本高，工序复杂，施工速度慢，破坏后修复极其困难。  
　　实践证明，上述支护形式都很难抵御复杂应力对巷道支护体的破坏。  
　　所以，复杂应力极软岩巷道支护稳定是煤矿安全生产亟待解决的重大技术难题。  
　　二、总体研究思路  
　　指导思想：针对矿井巷道受复杂应力下软岩巷道遭到强烈破坏的实际状况，以研究软岩巷道支护机理为出发点，以提高围岩自身强度和改变围岩的力学状态为切入点，总结出高强韧封层、稳压胶结技术，激隙泄压技术，并在监测监控的基础上，不断适时补强，构建缓释叠加应力下“软弱岩、煤体”巷道支护体系，认真解决困难巷道的支护问题  
　　三、技术方案  
　　技术方案1  
　　实施预空置换技术  
　　就是把围岩中软弱部分、裂隙丰富部分和受外力松动部分的岩、煤体加大清除范围，对其采取扩大范围和相应加固措施，使岩体内应力发生变化时，不会由于围岩弱处的存在，引发围岩体过早加大、加快其裂隙拓展的速度。同时巷道施工断面大于设计断面10~15％，以保障动态支护过程适时补强的要求。 　　技术方案2  
　　强韧封层技术  

　　就是在巷道支护中，使用以钢丝绳为筋骨、高度密贴岩面多层次的混凝土喷浆层结构，解决喷层支护的整体性、高强性、柔韧性和**性。

强韧封层施工现场

强韧封层施工现场

　　技术创新点1  
　　稳压胶结（该项创新点属采矿工程学科、岩土工程学科）  
　　通过自固内自闭留（存）压注浆器，以科学遴选注浆及注浆压力参数和稳定注浆压力为手段向围岩体内注入带压浆液，使浆液在岩体内的裂隙中扩散、压密、凝结，将所及范围的松散破碎的围岩胶结成整体，并在巷道围岩体内留存带压浆液，形成浆液胶结加固拱。
　　技术创新点2  
　　激隙泄压【缓释叠加应力】：（该项属采矿工程学科、岩土工程学科）  
　　激隙泄压就是根据固结围岩和释放围岩内部应力需要，通过既定的技术设计和施工，采取相应措施增大围岩中的弱面而提高其空隙度，以利于原岩应力的释放和注浆浆液流动线路通畅，达到提高围岩的胶结范围、稳定围岩的目的。
 
　　技术创新点3  
　　缓释迭加应力  
　　缓释迭加应力就是：借助岩体内裂隙和对围岩人为激隙，将岩体内危及巷道稳定的应力缓慢释放，以平缓的注浆压力及时封压和留存浆液压力，并根据围岩移变速度、移变量和应力释放造成的喷层崩解状况，来适时向岩体内不断注浆和预存带压浆液，以此抵御、缓解、释放来自岩体内给支护体的各种压力，控制各种地压显现，以在较长时间内保持巷道支护的稳定。  
　　技术创新点4  
　　在监测监控的技术指导适时注浆不断补强  
　　技术创新点5  
　　构建均质同性支护体（该项属采矿工程学科、岩土工程学科）  
　　四、技术所取成效与应用推广情况  
　　经济效益  
　　一、项目实施取得的主要成效  
　　（1）本项目技术，在淮北矿业股份有限公司的桃园矿、海孜煤电公司、河北开滦矿业（集团）公司的唐山矿、东欢坨矿、林南仓矿、钱家营矿、河南平顶山矿业公司的十一矿等多个矿区实施了36000m深井软弱“岩、煤”体技术研究示范工程，巷道安全稳定，稳定率达98%以上，巷道的移变量稳定在5～8%；同比，新掘巷道施工速度提高1.5倍；同比，每米巷道节约成本5600元，总成本节约23860万元；同比，每米节约钢材约1吨，节约钢材约24800吨。实现实现销售收入22650万元；利税510万元。  
　　（2）所研发的自固、内自闭控压注浆器技术，已获国家实用专利证书（专利号：200920274073.4），并形成年产20万根专用注浆锚杆的生产能力，除供本公司施工使用外，可对外销售。  
　　（3）本项目的核心技术已获得国家发明专利证书（专利号：ZL200610162650.1），并将在推广应用过程中制定或参与制定软岩巷道支护标准，形成技术规范，积极参与全国软岩巷道支护协会的工作，力争上升为行业标准。
　　二、项目实施所取得的社会经济效益。  
　　1、符合了我国的产业化政策，顺应了国家建设资源节约型和环境友好型社会的要求。《国民经济和社会发展第十一个五年规划》提出了节能降耗和污染减排目标，并作为约束性指标。国家坚持以节约能源资源和保护生态环境为切入点，积极促进产业结构优化升级。本项目技术的开发，**符合国家产业化发展政策，也符合省重点技术创新项目的资助方向。  
　　2、大大降低了钢材用量。传统支护方式依赖使用金属支架，消耗大量的钢材，特别是目前煤矿为了应对高应力对巷道的破坏，实施了大断面、复合支护，每米用钢材2吨以上。据测算，一个年产150万吨的煤矿，每年巷道采用金属支架支护，平均使用钢材将达12000吨；2009年我国煤炭产量达30亿吨，支护用钢材将达3000万吨。本项目的实施，比传统的支护方式钢材使用量降低在80%以上，大大节约了不可再生的钢材资源。据测算，节约1吨钢材，可节煤0.645吨，节水6.56吨水，节电627.7度电，减尘2.97公斤，减排二氧化硫3.66公斤。  
本项目技术实施修复巷道5900米，节约钢材4800吨，由此推算，可节煤3000多吨；节水31480吨；节电3012960度；减尘14016公斤；减排二氧化硫17568公斤。  
　　3、实现了资源的综合利用。本项目在施行巷道支护技术封层中，所使用的煤矿废弃钢丝绳作为骨架材料，起到了以对物质减量化、在利用、资源化为目标的综合利用资源的效果。煤矿生产中，每年都要生产大量废旧钢丝绳，以往作为固体废弃物随处堆积，既浪费资源，又污染环境。  
　　4、保障了煤矿的安全生产。安全生产是煤炭企业的头等大事。大家知道，煤矿是水、火、煤尘、瓦斯、顶板事故多发单位，特别是顶板事故，在煤矿事故中占30%以上。  
本项目在开滦、平顶山、义马、淮北等10余对矿井实施20000余米巷道中，没有发生一起顶板和其它事故。  
　　5、降低了支护成本。  
　　6、大大地提高了劳动效率和节约了人力资源。传统巷道支护由于巷道不稳定，反复维修，不仅耗费大量的人力、物力和财力，而且效率低。据了解，一个年产150万吨的煤矿，需配置巷道维修人员300～500人。  
总之，本项目立足于解决复杂应力极软岩巷道支护难题，以自主原创为起点、现场反复实践为基点、提升关键技术为奋发点，无论在理论上、技术上、工艺上都取得了重大创新和突破。本项目的关键技术获得了国家发明专利。  
　　应用推广情况  
　　★该项目技术已在淮北矿业股份有限公司的海孜、杨庄、蕲南、桃园、青东等矿；开滦矿业（集团）公司的唐山、钱家营、东欢坨、林南仓和吕家坨矿；平顶山矿业（集团）公司的一矿、五矿和十一矿；义马矿业（集团）公司的常村矿及皖北煤电蕲东、任楼矿等数十对矿井巷道中推广应用，实施巷道达30000多米。  
　　★该项目技术在淮北、开滦、平顶山成功的解决了多个大断面峒室和交叉点等特殊困难巷道的支护问题。  
　　★该项目技术的使用，安全的通过了东欢坨矿以F2含水活性大断层为代表的多个断层施工，进一步拓展了技术应用范围。  
　　海孜煤电公司进风石门锚注支护前后的状况
　　五、项目技术在本行业技术中的地位和作用  
　　本项目技术是深部矿井复杂应力、极软岩巷道支护技术的创造性发展，它把软岩巷道趋于主动性支护体系提高到可控动态的新阶段。成功的解决了复杂和叠加应力影响下的极软岩巷道支护难题，提升全新的主动性支护新体系，这一成果将会在国内外深部矿井开采事业中越来越发挥较大的作用。  
　　实践表明：本项目技术不仅为解决深部矿井复杂应力影响下极软岩巷道支护难题提供了技术，而且也为水利、矿冶、交通、土建等行业的松碎岩体高边坡工程的治理，深基坑和高坝体的加固，软弱围岩的大型硐室和隧道的支护开辟了新的途径。