科技日报记者 王延斌
近日，山东建筑大学深地工程支护团队负责人王军来到200公里之外的济宁矿业集团阳城煤矿，查看成果应用情况：在地下800米深处，他们研发的成果“基于钢管混凝土支架的复合承压环支护结构”经受住了考验。这项技术并非一蹴而就，而是团队在深部巷道中经过了长达十余年的探索、完善与应用。十多年来，它不断适应井下复杂的地质变化，成功保护了深部巷道和采矿工人的安全。该矿生产技术科科长徐恒说，这种结构承载力高、安全可靠，保障了煤矿深部支护稳定。
对上述成果表示认可的不仅是一线技术人员，还有行业权威专家。在对上述成果进行鉴定之后，中国工程院院士、中国煤炭科工集团有限公司首席科学家康红普表示，上述成果解决了地下深井软岩巷道的众多安全问题，技术成果达到了国际领先水平。
深部开采环境复杂
我国煤炭储量中埋深大于600米的占比73.2%，埋深大于1000米的占比53.2%。随着地下浅部资源枯竭，深部开采是必然趋势。深部开采面临“三高一扰动”，即高应力、高地温、高渗透压及开采扰动的复杂环境，易引发深部围岩大变形、冒顶、冲击地压等灾害，导致深部巷道支护难题相对突出。
王军介绍，地下深部复杂环境无法改变，开采扰动无法避免，因此深部支护既要充分利用围岩条件，又要充分优化支护结构。在康红普提出的“支护—卸压—改性”理念指导下，他们提出了基于钢管混凝土支架的复合式承压环支护技术。该技术可有效解决深部复杂巷道支护难题。
在山东能源集团华丰煤矿的地下，王军团队研发的复合式支护结构已安全服役多年。记者注意到，在大约6米高的泵房通道里，这种支护结构如钢铁骨架般，为巷道提供稳固支撑。
“确保支护结构承受地下千米岩层压力而不变形的关键，在于钢管混凝土的结构和承压环中不同支护方式协同发挥作用。”王军团队成员、山东建筑大学土木工程学院副院长陈云娟介绍说，钢管和混凝土组合后形成“共生”作用，使结构承载力大幅提升，而承压环中不同支护结构共同构建起高强承载支护系统。
编织井下“安全网”
在山东建筑大学建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室里，王军团队正忙于最新一代“复合式支护施工系统”的研发工作。
“事实上，深部巷道支护一直存在施工效率低的问题。”王军说，他们正推动复合式承压环支护结构的智能建造。巷道开挖后，王军团队自主研发的自移式护顶钻机系统可完成临时护顶与锚网施工，自移式安装机可完成钢管混凝土支架组装。此外，5G、物联网及智能算法技术被引入施工装备后，分体设备组网成设备系统，实现了各工序平行协同作业。
“钢管混凝土支架安装是将预制的环状钢管分段运往井下，在巷道掌子面完成组装，并往钢管内灌注混凝土，直至凝固。”王军团队成员、山东建筑大学机电工程学院副院长陈继文介绍，传统安装方式耗时耗力。目前，他们已经完成第三代自移式安装机井下工业性试验。试验显示，支架安装效率比传统安装方式提高3倍以上。下一步，他们将继续优化设备智能控制系统，最终实现“有人监守，无人安装”的目标。
“实际上，这种井下灌注式钢管混凝土支架最初由中国矿业大学（北京）教授高延法提出。”王军说。作为高延法的学生，王军持续开展技术研发并在实践中不断改进，研发了多类型组合支架及支护安装机等一系列技术，有效解决了深部矿山支护难题。
记者采访时，王军团队刚刚与企业完成签约。按照协议，团队将上述专利技术许可给山东深博巷道支护技术有限公司等十家单位，共获得许可费1015万元。从北方黑龙江鹤岗南山煤矿到南方江西丰城曲江煤矿，从东部的山东龙口北皂煤矿到西部宁夏煤业清水营煤矿，王军团队的上述成果，目前已成功应用于全国52座矿井的152条巷道，并推广至金矿、铁矿、镍矿、钾矿等多种开采场景。
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