项目名称：适应于跨尺度加固的柔性锚杆关键技术与应用
- 中国矿业大学
- 江苏省徐州市大学路1号
- 221116
- 谢正正
- 18252430299
- www.cumt.edu.cn
| 姓名 |
谢正正 |
电话 |
83590579 |
电子邮件 |
xie_zz@cumt.edu.cn |
| 区号 |
0516 |
邮编 |
221116 |
通信地址 |
江苏省徐州市大学路1号中国矿业大学南湖校区 |
| 专利类型 |
|
专利状态 |
|
| 申请号 |
授权日期 |
授权专利号 |
| CN201810947765.4 |
2019-11-08 |
ZL201810947765.4 |
| CN201810949665.5 |
2019-05-10 |
ZL201810949665.5 |
| CN201910073740.0 |
2019-09-03 |
ZL201910073740.0 |
| CN201711363794.8 |
2019-03-22 |
ZL201711363794.8 |
| CN201610976614.2 |
2018-04-13 |
ZL201610976614.2 |
锚固技术是岩土边坡、桥隧基础、矿山地下工程等领域的基本支护形式，其基本原理是利用与岩体的锚固力维持地质体开挖面的稳定，提高开挖面自身强度和自稳能力，防止地下工程施工中如坍塌、滑移等灾害出现，保证施工安全，应用十分广泛。以煤矿开采为例，当前开采规模下每年新掘巷道12000km，约需2.5亿套锚杆（索）支护产品，该方向的技术进步和产品升级意义重大。
随着我国煤炭资源的大量开采，浅部煤炭资源已不能满足国家发展的需求，为了实现煤炭工业的可持续发展，煤炭资源开发由浅部向深部发展是客观的必然规律，接踵而来的是巷道变形严重、采场矿压剧烈、动力灾害频发等突出难题，具体表现为来压强、变形快、围岩破坏范围大、顶板易失稳垮冒，这已成为制约深部开采的瓶颈，一直是行业致力于突破的共性关键技术难题。
然而，受限于巷道狭小空间约束，现有刚性锚杆基础锚固深度普遍小于2.5m，难以锚入到深部稳定岩层中，造成基础承载圈层薄弱，顶板垮冒事故频发；再者，虽然锚索可以解决锚固深度小、强度小的缺点，但其安装过程相对复杂，施工效率低下，使用全锚索支护往往导致掘进速度偏慢，造成矿井采掘失衡等问题。综上，煤矿巷道安全维控与掘进效率的综合提升难度极大，亟待解决。
针对现有刚性螺纹钢锚杆与预应力锚索的技术局限，本参评项目“适应于跨尺度加固的柔性锚杆关键技术与应用”提供了适用于跨尺度加固岩体的系列柔性钢丝束锚杆（柔性锚杆）及配套性能检测与应用效果监测成套技术。新型柔性锚杆克服了传统锚杆锚索的缺陷，结合各自优点，在高强钢绞线尾部设计一种螺纹紧固装置和防扭构件，可以满足跨界加固的要求（跨尺度长度应超过3.5m），同时可利用螺母快速预紧，大幅提高了支护速度；柔性锚杆强度远超刚性螺纹钢锚杆，可适应深部高地压环境。本项目提供的测试装置亦能反映柔性锚杆实际工况环境下的工作性能，获取力学参数的准确性和现场符合度远超常规检测装置；并利用本项目提供的监测装置可自动化评估柔性锚杆实际应用效果，误差率低。
经煤矿现场多个工程反馈，巷道控制效果得到显著提升，同时掘进效率增加了68%，支护成本也降低了20%。因此，该类柔性锚杆及其配套的性能检测、应用效果评估技术具有极大地推广价值，同样也可应用于桥隧基础、金属矿山等工程领域，应用前景广阔。
传统锚杆/索联合支护技术已不能满足煤矿开采效率与安全效益的综合要求，复杂的施工工艺也不适应快速构建地下工程和减人提效的可持续发展新挑战。本项目专利“一种单锚集注式全长锚固的钢丝束及其支护方法”、“一种用于构建巷道顶板厚层岩梁的柔性钢丝束及支护方法”和“一种柔性锚杆的施工方法”研发出高性能柔性锚杆支护产品，不仅在产品结构上具有创新，同时在锚固技术方面也有进步。
1）产品创新
（1）柔性锚杆杆体为预应力钢绞线，破断强度为1860MPa，远大于市场上破断强度普遍为500MPa的螺纹钢锚杆，更能适应高地压深井巷道支护。
（2）柔性锚杆杆体可实现自由弯曲，不受地下工程中隧/巷道狭小空间的约束，克服了刚性锚杆长度（普遍小于2.8m）受限的问题，提高了巷道安全控制水平。
（3）柔性锚杆采用螺母旋转式安装方式，这种方式与螺纹钢锚杆一致，打破了锚索滞后张拉式安装方式，安装速度快，有利于锚杆及时承载并提前约束围岩的初期变形。
（4）柔性锚杆外露长度小，仅有100mm，远小于锚索的350mm，极大地提高了地下工程的利用空间，间接上缩小了地下工程的开挖范围，节约了施工成本。
2）技术创新
（1）阐明了地下工程厚层锚固的结构效应，揭示了柔性钢丝束锚杆构建的厚层锚固体应力双向连续传递的稳定机理，为实现顶板高可靠性控制、实施低密度快速支护提供了科学依据
（2）研发了柔性锚杆跨界长锚固、锚注一体化等连续化厚圈层支护技术，实现了围岩低损伤和支护结构微破坏，为控制深部地下工程大变形提供了新的技术途径
（3）开发了柔性锚杆单锚集注式全长锚固快速施工工法，实现了注浆施工的高效性，为深部工程及时封堵裂隙、保持围岩完整性提供了新的方法
进一步地，为了检测柔性锚杆的可靠性，利用专利“基于电磁作用模拟岩层断裂与离层的锚杆索工作性能测试装置及方法”开发了新型检测装置及实验方法，通过电磁块体的电磁力作用，模拟现场多个岩层与柔性锚杆之间的相互错动，进而检测柔性锚杆真实工作状态的各项性能参数，精确度高，对指导现场工作具有重要意义。
为实现对柔性锚杆控制效果的有效监测，项目通过专利“一种全巷全过程全断面表面变形监测装置及方法”开发了巷道表面变形的自动化监测装置及操作方法。方法采用激光测距仪监测围岩变形，节约了监测时间，避免了人工测量带来的较大误差；可通过电脑编程把多次各个测量点转换成空间坐标点进行融合，绘制出各个断面图像，从而可直观观察巷道变形动态，为井下工作人员的安全提供了技术保障。
本项目实现了“高性能锚固产品”的主动研发，解决了实际施工过程中存在的地下空间安全维控难、掘进效率低、后期巷道修复频等技术难题，在研发成果产出后通过许可等方式进行转化实施，相关产业化产品“柔性钢丝束锚杆”、“柔性锚杆”、“钢丝束锚杆”等新型支护产品销至江苏、山东、内蒙古、山西、甘肃、陕西、安徽等地的煤矿企业，取得了显著的经济效益，累计销售额为212597.5万元；累计利润额为63232.2万元；部分许可及应用情况如下：
（1）专利“一种单锚集注式全长锚固的钢丝束及其支护方法”于2018年9月许可给山东焱鑫矿用材料加工有限公司，基础费用30万元，企业于2019年1月至2021年12月实施，累计销售收入共计14887.5万元，利润2977.5万元，提成费为446.6万元。
（2）专利“一种单锚集注式全长锚固的钢丝束及其支护方法”于2021年9月许可给安徽华耀科力工程科技有限公司，基础费用10万元。
（3）专利“一种柔性锚杆的施工方法”于2021年3月许可给宿州市健生矿山设备有限公司，基础费用10万元，企业于2021年实施，新增销售收入1350万元，利润为270万元，提成费为67.5万元。
（4）专利“一种用于构建巷道顶板厚层岩梁的柔性钢丝束及支护方法（专利号：ZL201810949665.5）”于2021年12月许可给安徽华耀科力工程科技有限公司，基础费用10万元，2021年销售收入630万元，利润为126万元，提成费为31.5万元。
各大企业应用效益情况如下：
1.山东焱鑫矿用材料加工有限公司新增销售额14887.5万元，新增利润2977.5万元；
2.宿州市健生矿山设备有限公司新增销售额1350.0万元，新增利润270.0万元；
3.安徽华耀科力工程科技有限公司新增销售额630.0万元，新增利润126.0万元；
4.中天合创能源有限责任公司门克庆煤矿新增销售额49500.0万元，新增利润15219.7万元；
5.鄂尔多斯市转龙湾煤炭有限公司新增销售额84000.0万元，新增利润25556.0万元；
6.山西古县老母坡煤业有限公司新增销售额15580.0万元，新增利润4851.3万元；
7.兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿新增销售额24900.0万元，新增利润7511.9万元；
8.上海大屯能源股份有限公司姚桥煤矿新增销售额21750.0 万元，新增利润6719.8万元；
本项目专利产业化产品的市场反馈效果良好，今后会加大宣传力度，积极进行科技成果转化，更好地将研发成果转换成实际应用，实现更高的经济社会效益。
