近日，煤礦巷道抗沖擊預應力支護關(guān)鍵技術(shù)獲得國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。記者來(lái)到位于北京朝陽(yáng)區的天地大廈，采訪(fǎng)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(jìn)展。

康紅普（右一）與團隊成員在討論錨桿試驗狀況

復雜條件礦井巷道

支護質(zhì)量亟待提升

我國煤礦主要為井工開(kāi)采，井下需要掘進(jìn)大量巷道，每年新掘進(jìn)巷道長(cháng)度達1.2萬(wàn)公里以上。以錨桿支護為主的巷道支護方式，經(jīng)過(guò)不斷研究與優(yōu)化，現已基本滿(mǎn)足一般地質(zhì)條件礦井巷道支護需求。

不過(guò)，隨著(zhù)煤礦開(kāi)采深度與強度的增大，大量沖擊地壓、深部高應力及強采動(dòng)巷道出現，約占巷道總長(cháng)度的30%。目前，煤礦最大開(kāi)采深度達1501米，沖擊地壓礦井320余座。

“對于復雜困難地質(zhì)條件礦井，傳統的巷道支護方式存在支護效果差、成本高、施工工藝復雜等弊端。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(shuō)。

由于傳統支護技術(shù)不適應這些復雜困難巷道，金屬支架損壞、錨桿與錨索破斷、頂板垮落現象時(shí)有發(fā)生。而頂板事故多年來(lái)一直是煤礦第一大事故，給煤礦安全造成極大威脅。同時(shí)，巷道維護成本大幅增加，加重了煤礦的經(jīng)濟負擔。

作為煤礦巷道支護領(lǐng)域的專(zhuān)家，多年來(lái)，康紅普及其團隊積累了大量關(guān)于支護理論、工藝、材料以及監測等方面的經(jīng)驗。這次，他們把研究重點(diǎn)瞄準了復雜困難巷道支護技術(shù)體系上。

“經(jīng)過(guò)30多年的努力，我們已經(jīng)解決了一般條件巷道支護問(wèn)題，而且應用效果很好。這個(gè)項目要解決3個(gè)難題，即沖擊地壓、深部高應力及強采動(dòng)巷道支護難題，為復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(wèn)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?！?/p>

從2006年開(kāi)始，在國家科技支撐計劃、國家國際科技合作專(zhuān)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(chǎng)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(kāi)展了煤礦巷道抗沖擊預應力支護關(guān)鍵技術(shù)研究。

動(dòng)靜載錨桿力學(xué)性能綜合試驗臺

給錨桿做個(gè)“增強CT”

了解真實(shí)受力狀況

研究的第一步，要從了解錨桿的真實(shí)受力狀況和破斷特征開(kāi)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(zhù)進(jìn)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雜大變形，錨桿會(huì )受到拉、彎、扭、剪等復雜應力。在沖擊地壓礦井，錨桿還會(huì )受到?jīng)_擊載荷。

“了解這種復雜應力狀態(tài)下錨桿的力學(xué)響應是巷道支護設計的根本?！笨导t普表示，“如何去了解？光看是不行的，必須要有錨桿力學(xué)性能測試設備。在大量的測試數據基礎上，掌握錨桿受力變形規律?！?/p>

已有的試驗臺往往只能測試一種或兩種受力狀態(tài)，無(wú)法真實(shí)反映、測試井下錨桿實(shí)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(dòng)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、測試系統以及控制系統組成，可測試錨桿預緊、拉伸、扭轉、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。

記者來(lái)到距離天地大廈不遠處的煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室，在試驗大廳看到了動(dòng)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(gè)‘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(jìn)去。錨桿‘躺’在‘掃描倉’里，有部件相當于‘巖層’，‘巖層’往下降，給錨桿施加壓力；有部件相當于‘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?shí)驗室副主任、康紅普培養的博士生婁金福形象地告訴記者。

“而且這些動(dòng)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(wú)法預判的，不知道哪種力會(huì )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(shí)測數據基礎上，在實(shí)驗室構建與現場(chǎng)高度相似或接近原型的測試設備，把錨桿受力過(guò)程演示出來(lái)，盡量還原現場(chǎng)破壞過(guò)程?！眾浣鸶１硎?。

做完“增強CT”后，一些錨桿出現彎曲、斷裂現象。通過(guò)動(dòng)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(guò)提取傳感器信號，讓控制臺接收錨桿受力數據，就像接收‘體檢報告’一樣。不同數據反映出不同的破壞形態(tài)，再通過(guò)金相分析，找出錨桿破壞的細節，從而判斷受力類(lèi)型和大小等?！眾浣鸶１硎?。

記者在現場(chǎng)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(lái)自煤礦井下，有些則來(lái)自錨桿生產(chǎn)廠(chǎng)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(lèi)型。

“動(dòng)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(shí)測試錨桿復雜受力狀態(tài)及動(dòng)靜載組合加載力學(xué)性能的設備，也是我們項目的核心發(fā)明點(diǎn)之一。這是我們攻克的最大難題，因為它的設計思路、結構、制造技術(shù)等沒(méi)有可參考對象，都要靠自主研發(fā)?！笨导t普表示。

實(shí)驗室科研骨干、康紅普培養的博士李建忠也表示，從前期反復論證到設備制造再到后期成型，團隊不斷進(jìn)行調研和方案調試，最終研發(fā)成功。

“既要保證每個(gè)模塊能協(xié)同作業(yè)，而且信號還要融合，經(jīng)過(guò)反復論證后，我們最終采用了積木式的高度集成機械結構。這就要求我們要在有限的內部空間里，非常準確地布置各個(gè)部件，包括機械件、液壓件，還有不同尺寸的傳感器等等?！睂Υ?，婁金福和李建忠均有同感?！霸囼炁_相當于把我們團隊過(guò)去20多年的設備研發(fā)經(jīng)驗，融合到一臺功能集中的綜合設備中?！?/p>

平臺研制成功后，不斷有國內外學(xué)界和業(yè)界人員前來(lái)學(xué)習和調研。相關(guān)人員評價(jià)，無(wú)論在液壓控制與傳感器部署等硬件方面，還是在控制系統與數據采集等軟件方面，動(dòng)靜載錨桿力學(xué)性能綜合試驗臺均集成國內外先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現了軟硬件的高度協(xié)同與聯(lián)動(dòng)控制。

成套技術(shù)廣泛應用

解決復雜困難巷道支護難題

此外，該項目創(chuàng )新點(diǎn)還在于發(fā)明了高沖擊韌性、超高強度、低成本預應力錨桿材料和制造工藝及高預應力施加設備，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備。這些發(fā)明點(diǎn)經(jīng)系統集成后，形成了煤礦巷道抗沖擊預應力支護成套技術(shù)體系，在沖擊地壓、深部高應力及強采動(dòng)巷道中得到成功應用，顯著(zhù)提高了煤礦巷道支護技術(shù)水平。

如今，煤礦巷道抗沖擊預應力支護成套技術(shù)已在河南義馬、山東新汶、山西潞安等18個(gè)礦區推廣應用，為開(kāi)采深部與復雜條件煤炭資源提供了技術(shù)保障。

“我記得有一年，河南義馬礦區的一個(gè)領(lǐng)導專(zhuān)門(mén)聯(lián)系我，想讓我下井看看巷道支護情況。到了現場(chǎng)，發(fā)現還是存在很多問(wèn)題，比如支護理念、支護參數、支護質(zhì)量等。我們通過(guò)現場(chǎng)調研、交流溝通，在如何進(jìn)行支護設計上討論了很多次，包括怎么選參數、怎么進(jìn)行施工，最終確定了比較合理的支護設計，采用了我剛才說(shuō)的高沖擊韌性、超高強度、低成本預應力錨桿材料。之后，團隊成員與工人一起上下井，全程緊盯井下試驗過(guò)程?！笨导t普回憶稱(chēng)，“最后，支護效果有了顯著(zhù)提高。錨桿破斷率下降98%，巷道變形量下降65%，巷道穩定性顯著(zhù)提高，礦方非常認可?！?/p>

在項目成果實(shí)踐應用方面，李建忠也表示，2017年開(kāi)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(jìn)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。這既節約了人力、材料和時(shí)間成本，又提高了效率、減少了投入，同樣受到礦方好評。

隨著(zhù)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(jìn)了礦山壓力與巖層控制的科技進(jìn)步，經(jīng)濟效益和社會(huì )效益顯著(zhù)。

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)導及同事的支持，感謝國家項目連續不斷的支持。

“這個(gè)項目雖然已完成，但我們還有好多后續工作要做。一是支護機理方面，我國煤礦地質(zhì)條件特別復雜，支護機理還需要進(jìn)一步深入研究；二是支護工藝和材料需要進(jìn)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合作，研發(fā)性能更優(yōu)越的支護材料；三是在施工設備方面，現在很多礦區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(kāi)展集中攻關(guān)研究，提高施工效率、減少用人數量，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(dòng)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(wú)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(shuō)，“我們要不斷發(fā)揚科學(xué)家精神，專(zhuān)注于某一研究領(lǐng)域，深耕、進(jìn)取和奉獻，讓我國煤炭行業(yè)更安全、更綠色、更高效?！?/p>