——訪中國工程院院士、中國煤炭科工集團(tuán)首席科學(xué)家康紅普及其團(tuán)隊(duì)
近日，煤礦巷道抗沖擊預(yù)應(yīng)力支護(hù)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(xiàng)目主要完成人中國工程院院士、中國煤炭科工集團(tuán)首席科學(xué)家康紅普及其團(tuán)隊(duì)，了解我國煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的最新進(jìn)展。
康紅普（右一）與團(tuán)隊(duì)成員在討論錨桿試驗(yàn)狀況
復(fù)雜條件礦井巷道 支護(hù)質(zhì)量亟待提升
我國煤礦主要為井工開采，井下需要掘進(jìn)大量巷道，每年新掘進(jìn)巷道長度達(dá)1.2萬公里以上。以錨桿支護(hù)為主的巷道支護(hù)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(hù)需求。
不過，隨著煤礦開采深度與強(qiáng)度的增大，大量沖擊地壓、深部高應(yīng)力及強(qiáng)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(dá)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(hù)方式存在支護(hù)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(hù)方式、提高支護(hù)效率、優(yōu)化支護(hù)效果?！笨导t普對記者說。
由于傳統(tǒng)支護(hù)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(shí)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(shí)，巷道維護(hù)成本大幅增加，加重了煤礦的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
作為煤礦巷道支護(hù)領(lǐng)域的專家，多年來，康紅普及其團(tuán)隊(duì)積累了大量關(guān)于支護(hù)理論、工藝、材料以及監(jiān)測等方面的經(jīng)驗(yàn)。這次，他們把研究重點(diǎn)瞄準(zhǔn)了復(fù)雜困難巷道支護(hù)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(hù)問題，而且應(yīng)用效果很好。這個(gè)項(xiàng)目要解決3個(gè)難題，即沖擊地壓、深部高應(yīng)力及強(qiáng)采動巷道支護(hù)難題，為復(fù)雜困難巷道支護(hù)提供有效手段。”康紅普表示，“既能解決支護(hù)問題、成本比較低，又便于施工，我認(rèn)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(jì)劃、國家國際科技合作專項(xiàng)、國家“863”計(jì)劃及國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助下，在中國煤炭科工集團(tuán)給予人、財(cái)、物和試驗(yàn)場地等大力支持下，以康紅普、吳擁政、林健、高富強(qiáng)、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(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究。
動靜載錨桿力學(xué)性能綜合試驗(yàn)臺
給錨桿做個(gè)“增強(qiáng)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(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(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(hù)設(shè)計(jì)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(yàn)臺往往只能測試一種或兩種受力狀態(tài)，無法真實(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(tuán)隊(duì)研發(fā)了動靜載錨桿力學(xué)性能綜合試驗(yàn)臺。試驗(yàn)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(yuǎn)處的煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在試驗(yàn)大廳看到了動靜載錨桿力學(xué)性能綜合試驗(yàn)臺。
“你可以把它理解為給錨桿做個(gè)‘增強(qiáng)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(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(qiáng)?！睂?shí)驗(yàn)室副主任、康紅普培養(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?yàn)殄^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(shí)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)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?！眾浣鸶１硎?。
做完“增強(qiáng)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(yàn)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(bào)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(xì)節(jié)，從而判斷受力類型和大小等?！眾浣鸶１硎尽?/span>
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(yàn)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(qiáng)度、高強(qiáng)度到超高強(qiáng)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(shí)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(xiàng)目的核心發(fā)明點(diǎn)之一。這是我們攻克的最大難題，因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)不斷進(jìn)行調(diào)研和方案調(diào)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)過反復(fù)論證后，我們最終采用了積木式的高度集成機(jī)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(zhǔn)確地布置各個(gè)部件，包括機(jī)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?yàn)臺相當(dāng)于把我們團(tuán)隊(duì)過去20多年的設(shè)備研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，融合到一臺功能集中的綜合設(shè)備中?！?/span>
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(jià)，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(yàn)臺均集成國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，實(shí)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(hù)難題
此外，該項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)還在于發(fā)明了高沖擊韌性、超高強(qiáng)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(diǎn)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(hù)成套技術(shù)體系，在沖擊地壓、深部高應(yīng)力及強(qiáng)采動巷道中得到成功應(yīng)用，顯著提高了煤礦巷道支護(hù)技術(shù)水平。
如今，煤礦巷道抗沖擊預(yù)應(yīng)力支護(hù)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(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(gè)領(lǐng)導(dǎo)專門聯(lián)系我，想讓我下井看看巷道支護(hù)情況。到了現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)還是存在很多問題，比如支護(hù)理念、支護(hù)參數(shù)、支護(hù)質(zhì)量等。我們通過現(xiàn)場調(diào)研、交流溝通，在如何進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)上討論了很多次，包括怎么選參數(shù)、怎么進(jìn)行施工，最終確定了比較合理的支護(hù)設(shè)計(jì)，采用了我剛才說的高沖擊韌性、超高強(qiáng)度、低成本預(yù)應(yīng)力錨桿材料。之后，團(tuán)隊(duì)成員與工人一起上下井，全程緊盯井下試驗(yàn)過程。”康紅普回憶稱，“最后，支護(hù)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(rèn)可。”
在項(xiàng)目成果實(shí)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(qiáng)烈的淮南新集口孜東礦做了試驗(yàn)，采用最新研發(fā)的錨桿進(jìn)行支護(hù)，再加上注漿和表面噴漿的方式，一次支護(hù)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(shí)間成本，又提高了效率、減少了投入，同樣受到礦方好評。
隨著支護(hù)理念的更新、支護(hù)工藝的豐富和支護(hù)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(jì)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的協(xié)作，感謝中國煤炭科工集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)及同事的支持，感謝國家項(xiàng)目連續(xù)不斷的支持。
“這個(gè)項(xiàng)目雖然已完成，但我們還有好多后續(xù)工作要做。一是支護(hù)機(jī)理方面，我國煤礦地質(zhì)條件特別復(fù)雜，支護(hù)機(jī)理還需要進(jìn)一步深入研究；二是支護(hù)工藝和材料需要進(jìn)一步改善，提高材料的強(qiáng)度、延伸率。我們正在與搞金屬材料的科研機(jī)構(gòu)合作，研發(fā)性能更優(yōu)越的支護(hù)材料；三是在施工設(shè)備方面，現(xiàn)在很多礦區(qū)錨桿支護(hù)施工方式依然主要靠人工，機(jī)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(hù)的機(jī)械化、自動化、智能化水平?！笨导t普表示。
“煤炭科技自立自強(qiáng)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(yáng)科學(xué)家精神，專注于某一研究領(lǐng)域，深耕、進(jìn)取和奉獻(xiàn)，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(bào)
