项目名称

软弱破碎煤岩体巷道锚网支护理论与关键技术研究

推荐单位

河南理工大学

项目简介

1项目研究背景

本项目属于软弱破碎煤岩体巷道支护技术领域，软弱破碎煤岩体巷道在我国分布极为广泛。由于软弱破碎煤岩体强度低、破碎程度大、弱粘结特性显著等原因，导致锚固系统锚固力低下、锚固结构难以形成，严重制约了此类条件下巷道锚固支护效果的发挥，无法进行科学有效的巷道支护设计。

长期以来，郑州煤炭工业(集团)有限责任公司主力矿井均为三软不稳定煤层，软弱破碎程度较大，回采巷道以被动支护为主。以新郑煤电有限公司二1煤层为例，支护方式由矿工钢改为U型钢，U型钢型号由25U、29U至36U，存在支护费用高、施工速度慢、采掘接替紧张等缺点，巷道围岩控制效果也并不理想。

项目组自2013年1月开始，与郑州煤炭工业(集团)有限责任公司联合攻关，深入系统的研究了煤巷顶板沉积岩体钻进特性理论与识别方法，揭示了软弱破碎煤岩体巷道围岩锚固力低及衰减机理，研发了岩层结构探测、增强锚固力、防衰减的成套产品和工艺，构建了大跨度切眼围岩分区控制方法，从根本上解决了软弱破碎煤岩体锚网支护巷道的瓶颈问题。

2创新性研究成果（具体见主要科技创新部分）

研究成果授权10项发明专利，6项实用新型专利，发表高水平论文26篇，获得了包含2个理论、3个实用技术、2个方法的创新性成果：

（1）2个理论

①采用破岩理论和动力分析方法，确定了钻杆钻进速度、钻杆转速、钻杆振动信息等是判断煤巷顶板岩层类型和厚度敏感指标，形成了煤巷顶板沉积岩体特征识别理论体系，为煤巷顶板支护设计提供了理论基础。

②揭示了锚固孔底扩大与抑制锚固衰减机理，为扩孔机具研发提供了理论基础。

（2）3套实用技术

①研发了锚固孔底扩大装置，形成了普通圆柱孔与楔形孔组合锚固技术，锚固力增加与防衰减效果显著。

②开发了注浆锚索封孔装置，形成了注浆与树脂锚固相结合的锚索全锚实用技术。

③研发了自钻式锚杆、快速封孔与流粘性好的加固材料，形成了破碎煤岩体钻-封-注一体化实用技术。

（3）两个方法

①煤巷顶板岩层组合特征实时动态特征识别方法。利用课题组自主研发的振动、钻速传感器集成装置，采用神经网络与模式识别技术实时动态判断煤巷顶板组合特征，为煤巷顶板锚固参数设计提供依据。

②以中长锚索为核心的大跨度切眼围岩分区控制方法。根据不同的围岩分区范围，提出相应的支护对策。

3推广应用情况

项目研究成果已在郑煤集团9个矿井进行了推广应用，对于保障巷道安全、降低支护成本具有显著效果。据不完全统计，近3年应用该技术的矿井在保障巷道安全的同时，共创造经济效益10672.85万元，在矿山、交通、水利等领域亦具有广阔的应用前景。

4经济效益与社会效益

经济效益：研究成果对多个矿井巷道支护形式、参数与煤柱尺寸进行了优化，实现了软弱破碎煤岩体回采巷道全锚网支护，每米巷道综合成本降低600~1700元，提高了施工速度与工效。

社会效益：研究成果推广应用减小了支护材料运输、搬运及支护工作量，减轻了工人劳动强度和劳动量，杜绝了冒顶事故的发生，具有显著的推广应用价值和广阔的应用空间，社会效益显著。

完成单位及创新推广贡献

1河南理工大学

承担本项目的主要研究和推广工作，提出了总体学术思路、研究方案。深入系统的研究了煤巷顶板沉积岩体钻进特性理论与识别方法，揭示了软弱破碎煤岩体巷道围岩锚固力低及衰减机理，研发了岩层结构探测、增强锚固力、防衰减的成套产品和工艺，构建了大跨度切眼围岩分区控制方法，从根本上解决了软弱破碎煤岩体锚网支护巷道的瓶颈问题。同时，参与项目的具体推广、实施方案制定等工作。

2河南省新郑煤电有限责任公司

全面负责项目推广工作，制定项目实施的具体研究方案。参与研究煤巷顶板沉积岩体钻进特性理论与识别方法，参与研发了岩层结构探测、增强锚固力、防衰减的成套产品和工艺，负责现场的工业性试验与监测反馈，实现了大跨度切眼围岩分区控制方法的具体应用，全面负责项目推广工作，将研究成果应用于郑煤集团多个矿井，对于保障巷道安全、降低支护成本、提高支护速度起到了显著效果。

3贵州理工学院

参与软弱破碎煤岩体巷道围岩锚固孔底扩大与抑制锚固衰减机理研究工作，以及软弱破碎煤岩体大跨度切眼顶板失稳机理研究工作。

4贵州湾田煤业集团有限公司淤泥乡湾田煤矿

参与软弱破碎煤岩体巷道围岩锚固孔底扩大与抑制锚固衰减机理研究工作，参与本项目研究成果应用推广工作。

推广应用情况

项目研究成果已在郑煤集团赵家寨煤矿、芦沟煤矿、米村煤矿、超化煤矿、白坪煤矿等多个矿井进行了推广应用，对于保障巷道安全、降低支护成本具有显著效果。据不完全统计，近3年应用该技术的矿井在保障巷道安全的同时，共创造经济效益10672.85万元，在矿山、交通、水利等领域亦具有广阔的应用前景。

表1主要应用单位情况（旁证材料见附件）

曾获科技奖励情况

无

主要知识产权目录（不超过10件）

序号

知识产权类别

知识产权具体名称

国家

授权号

授权日期

证书编号

权利人

发明人

1

发明

专利

锚杆锚固力测试仿真综合实验装置

中国

ZL201410034816.6

2015.12.02

1863123

河南理工大学

刘少伟；张祥；张辉；李鑫涛；樊克松；孟伟峰；师小勇；张鸿献；许莉莉

2

发明

专利

锚杆支护锚固施工仿真综合实验装置

中国

ZL201310024637.X

2013.01.23

1543275

河南理工大学

刘少伟；张益民；樊克松；冯友良；孟伟峰；李小伟；蔡克欣；焦建康；李鑫涛；张祥；刘栋梁

3

发明

专利

极松软破碎煤岩体钻注一体化分次注浆方法

中国

ZL201510193169.8

2017.01.11

2344040

河南理工大学

张辉；程利兴；李梦珍；刘少伟；徐学锋；宋勤法；姜彦军

5

发明

专利

煤矿锚杆高预紧力无损伤自动快速施加方法

中国

ZL201410434652.6

2014.04.13

2022420

河南理工大学

张辉；程利兴；刘少伟；常建超；樊克松；李梦珍；王松柏；何沙；宋勤法

6

发明

专利

煤矿破碎顶板注浆孔固孔材料试验方法

中国

ZL201410034817.0

2015.05.16

1786805

河南理工大学

张辉,刘少伟,徐佑林,常建超,郑伟,师小勇,樊克松

7

发明

专利

煤矿巷道快速掘进连续支护作业的方法

中国

ZL201310469323.0

2015.07.01

1708530

河南理工大学

张辉；刘少伟；徐佑林；李鑫涛；张祥；孟伟峰；张鸿献；师小勇

8

发明

专利

软弱破碎煤岩体巷道托顶留底锚网索主动支护综放开采方法

中国

ZL201410547989.8

2016.06.08

2098812

河南理工大学

徐学锋；刘少伟；张辉；宋勤法；姜彦军；司亮；庞龙龙；张浩；李正可；黄少龙；姚丙傲；何小军；于涛；冉辉

9

发明

专利

松软破碎煤层瓦斯抽采孔跟管钻进扩孔装置

中国

ZL201410033966.5

2015.09.16

1787435

河南理工大学

张辉；刘少伟；常建超；师小勇；郑伟；李梦珍；徐佑林

10

发明

专利

一种多功能锚杆（索）锚固搅拌器

中国

201510625175.6

--

--

河南理工大学

刘少伟 张辉 宋勤法 姜彦军 姚丙傲 何小军 徐学锋

完成人情况表

排名

姓 名

技术职称

工作单位

对成果创造性

贡献

1

刘少伟

正高

河南理工大学

方案总体设计、理论分析

2

张辉

副高

河南理工大学

理论分析、现场试验

3

贾后省

中级

河南理工大学

负责现场试验

4

李振华

副高

河南理工大学

负责扩孔机具研发

5

许莉莉

中级

河南理工大学

负责经济效益分析

6

姜彦军

副高

河南省新郑煤电股份有限责任公司

负责现场试验

7

于涛

中级

河南省新郑煤电股份有限责任公司

负责现场试验

8

徐学锋

副高

河南理工大学

负责实验室实验

9

徐佑林

副高

贵州理工学院

负责实验室实验

10

支光辉

中级

河南理工大学

负责数值模拟

11

李梦珍

初级

河南理工大学

负责经济效益分析

12

张华伟

正高

贵州湾田煤业集团有限公司淤泥乡湾田煤矿

负责现场试验

13

付孟雄

其他

河南理工大学

负责钻进模拟

14

李国盛

其他

河南理工大学

负责数值模拟

15

周波

中级

贵州湾田煤业集团有限公司淤泥乡湾田煤矿

负责现场试验

项目名称

基于航空重力测量中GPS后处理精密解算关键技术与系统研制

推荐单位

河南理工大学

项目简介

该技术成果主要应用于我国航空重力测量勘探领域，安装在飞机舱内的重力仪要从重力仪中获取实际重力异常值，就要去除飞机产生的扰动加速度，而一台重力仪安装在一个活动平台内进行重力测量，这台重力仪就是"封闭系统内的观测者"，它可以感受（测量）引力和惯性力的作用，但不能区分引力和惯性力。因此，问题之一是从重力仪所测总加速度中分离出飞机运动等因素产生的扰动加速度。

精确的确定扰动加速度依赖于精确获得载体的位置、速度和加速度，从而获得"真实"飞机飞行状态。确定了载体飞机的位置，重力测量资料才有实际意义，有了速度、高度等参数才能计算厄特弗斯改正、资料的上下延拓处理等，另外，载体的加速度是航空重力测量值中的噪声，需要从观测值中去除。

（1）计算的位置定位精度

单点定位精度优于10m，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。其边长较差最大为0.5mm，校差中误差为0.3mm。

（2）计算的动态速度精度

单点多普勒速度定位精度优于0.1m/s，垂向速度0.15m/s，计算的时钟漂移大概0.4m/s以内，若采用多基站和和多种滤波和最优估计处理后，采用差分定位、滤波、最优估计计算后，精度可达2cm/s和0.3cm/s速度定位。

（3）计算的动态加速度精度

计算的加速度精度优于0.03m/s2,其应用与航空重力空间分辨率可以大道0.5km左右，优于目前国际航空重力测量空间分辨率1km左右。

2.成果的创造性、先进性

国内外对在航空重力测量试验中，主要采用位置差商计算飞机的速度，进而差商计算飞机的加速度。由于位置实际是多普勒频移的积分而已，这种计算方法容易湮灭飞机的一些实时的状态，造成的误差计算比较大。本课题采用GPS多普勒观测量解算飞机的速度，计算精度较高，此外，对计算的数据通过滤波、拟合处理后，更加提高了计算精度，通过对实际地区实测数据实践表明该技术具有准确高、可靠性强等优点。

本课题申请专利1项，软件著作权6项，论文13篇。

4.技术的成熟程度、适用范围和安全性

航空重力测量技术是传统重力测量技术的历史性变革，是以飞机等为载体的一种新型的重力测量技术，除具有快速、经济、灵活、精度高等特点外，而且能够在一些难以进行地面重力测量的区域进行作业，是物理学家、大地测量学家和地球物理学家等长期追求的一个目标。它对于大地测量学、地球物理学、地球地球动力学、海洋科学、空间技术及军事技术等有着十分重要的意义。

5.应用情况

将DGPS技术应用航空重力勘探领域，促进了重力测量技术的发展。此外，由于高精度的解算技术，也促进了DGPS后处理技术应用与对大地测量精度较高的领域，如大地变形测量，全球性的板块运动、地壳运动检测、地质灾害监测领域等。该技术已经在多个GPS数据处理中有所应用，并开发了独立的GPS处理软件，产生显著的社会和经济效益。

完成单位及创新推广贡献

河南理工大学作为第一完成单位，协助负责总体技术方案制定、技术内容分析、可行性研究、技术路线确定，技术优化和产品试验等。针对我国航空重力测量对GPS高精度的后处理技术要求，给予了科学研究的资金、设备和技术团队建设支持，组建了GPS后处理精密解算研发团队，研制了利用GPS观测数据精密后处理方法解算动态载体的位置、速度和加速度“十维”状态参数。

创建了GPS观测数据精密解算处理方法的技术体系和系统平台，在GPS高精度解算方面获得了的突破，扩展了GPS技术的应用领域，尤其是针对航空中测量需要精确获得飞机加速度状态，即消除飞机加速度遭受对重力比力仪的干扰，实现了重力方法由传统的地面测量到以飞机为载体的测量转变，填补国内空白，提升了作业效率；创新研发了GPS技术精密解算结果在地质灾害、无人机等方面应用方案，奠定了远程无人值守状态下地质灾害防治的技术基础；在无人机测量方面，利用GPS后处理技术提高了影像地质制图的精度。

推广应用情况

“航空重力测量中GPS精密解算位置、速度和加速度系统”的研究成果开发了GPS后处理精密解算位置、速度和加速度系统，主要应用于GPS方法地质灾害监测和航空遥感测量等领域。此外，还以软件组件包的形式进行应用和推广，目前作为Eageo Desinger的主要组件进行市场推广，得到用户的认可。

“航空重力测量中GPS精密解算位置、速度和加速度系统”的研究成果的关键技术整合到Eageo Designer地理信息系统的GPS后处理专业后处理软件的模块。

作为航空重力测量GPS后处理系统衍生的软件系统——GPS后处理精密解算位置、速度和加速度系统的使用单位，在矿山地质灾害监测监测进行地质灾害监测应用，其计算精度高，指标丰富，提高了预测准确率。且带来可观的经济效益和社会效益。

证明该套系统指标丰富、判断准确，对于GPS在地质灾害应用领域具有独特优势。已经推广的产品已经产生了积极的经济发展效益和科技进步意义等。

曾获科技奖励情况

无

主要知识产权目录（不超过10件）

序号

知识产权类别

知识产权具体名称

国家

授权号

授权日期

证书编号

权利人

发明人

1

申请发明专利

一种航空重力测量中GPS数据后处理方法

中国

2015108053779

2015108053779

李晓斌 冯磊 张贵宾 赵秋芳

2

计算机软件著作权

航空重力测量中GPS后处理软件系统

中国

2016SR005304

No. 00934970

2016SR005304

3

计算机软件著作权

GPS观测文件处理和动态向量定位解算软件

中国

2016SR005306

No. 00934971

2016SR005306

4

计算机软件著作权

GPS卫星导航文件处理和轨道计算软件

中国

2016SR005310

No. 00934973

2016SR005310

5

计算机软件著作权

GPS最优估计及误差改正处理软件

中国

2016SR005073

No.00935148

2016SR005073

6

计算机软件著作权

Fimage软件

中国

2014SR147382

No.00547329

2014SR147382

7

计算机软件著作权

Renix文件分析软件

中国

2014SR144956

No.00550021

2014SR144956

8

计算机软件著作权

易捷GPS精密解算位置、速度软件

中国

2011SR041839

No.00006685

2011SR041839

完成人情况表

排名

姓 名

技术职称

工作单位

对成果创造性

贡 献

1

李晓斌

副教授

河南理工大学

主持人、负责人

2

冯 磊

讲师

河南理工大学

课题设计、系统测试

3

向中林

讲师

河南理工大学

课题设计、系统测试

4

李东会

讲师

河南理工大学

参与实施、软件开发

5

赵秋芳

讲师

河南理工大学

参与实施、软件开发

6

李云波

讲师

河南理工大学

参与实施、软件开发

7

刘迎光

讲师

河南理工大学

参与实施、软件开发

8

杨震威

讲师

河南理工大学

参与实施、软件开发

9

王恩营

教授

河南理工大学

理论指导

10

谢洪波

教授

河南理工大学

理论指导

11

云美厚

教授

河南理工大学

理论指导