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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“康红普院士学术思想”专题

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康红普(1965.11.16- )采矿工程专家。山西五台人。1985年毕业于山西矿业学院,1991年获中国矿业大学采矿工程博士学位。现任中国煤炭科工集团有限公司(煤炭科学研究总院)开采设计研究分院副院长,研究员,博士生导师。

长期从事煤矿巷道支护理论与技术研究工作。发明了煤矿井下巷道围岩地质力学测试方法与仪器,揭示出巷道围岩地质力学参数分布规律;开发出基于地质力学测试,以锚固与注浆为核心的煤矿巷道安全高效支护成套技术体系。研究成果在我国煤矿得到广泛应用,简化了煤矿生产系统,提高了煤矿安全度与生产效率,推动了我国煤矿巷道支护技术的变革与发展,提升了我国煤矿巷道围岩控制理论与技术水平。获国家科技进步一等奖1项,二等奖3项。获国家发明专利10余项。出版专著3部,发表论文120余篇。

2015年当选中国工程院院士。

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院士

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专家

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  • 作者(Author): 康红普, 张晓, 王东攀, 田锦州, 伊钟玉, 蒋威

    摘要:我国煤矿无煤柱开采技术研究与应用已有60多年。综合分析了沿空留巷、沿空掘巷、跨巷开采及采空区布置巷道等无煤柱开采方法及适用条件、围岩控制取得的研究成果。在沿空留巷方面的主要内容为:不同开采系统的沿空留巷类型、围岩变形与破坏特征;沿空留巷结构力学模型及围岩与支护作用关系;沿空留巷巷内基本支护、巷内加强支护、巷旁支护形式及支护性能;爆破与水力压裂围岩卸压机理及技术;沿空留巷断面优化及维护时间控制;沿空留巷支护设计原则及沿空留巷安全技术。在沿空掘巷方面,论述沿空掘巷的类型及小煤柱尺寸设计方法,分析沿空掘巷围岩结构特征、围岩变形的主要影响因素及沿空掘巷围岩控制技术。介绍跨巷无煤柱开采的类型,分析巷道与采煤工作面底板的垂直距离、工作面边界至巷道的水平距离等参数对跨采巷道围岩变形的影响。论述在采空区布置巷道的方式:在采空区形成巷道和掘进巷道,分析采空区巷道的应力环境及施工存在的难点。介绍陕西何家塔煤矿支卸组合泵充混凝土支柱沿空留巷、山西野川煤矿泵充钢筋混凝土墙与水平长钻孔水力压裂卸压沿空留巷围岩控制2个应用实例,分析沿空留巷围岩变形控制效果。最后,提出无煤柱开采方法及围岩控制技术的改进意见与发展方向。
  • 作者(Author): 康红普

    摘要:我国煤矿巷道支护与加固方法主要有4种形式,包括棚式支架、支柱、砌碹支护、喷射混凝土及巷道用液压支架等围岩表面支护型;锚杆与锚索围岩锚固型;注浆加固围岩改性型及联合控制型。系统介绍各种支护材料与构件的力学特性,注浆加固及充填材料的物理力学性能,分析其支护加固效果及适用条件。指出我国煤矿已形成了包括金属材料、非金属材料及复合材料的煤矿巷道支护加固材料体系,实现了从木材到金属的支护材料革命,被动支护到主动支护的技术革命。不仅显著提高了巷道围岩控制效果,而且降低了巷道维护成本,为煤矿实现安全、高效建设与生产提供了可靠的保障。最后,分析了支护加固材料与构件存在的问题,对其未来的发展进行了展望。
  • 作者(Author): 康红普, 姜鹏飞, 杨建威, 王志根, 杨景贺, 刘庆波, 吴拥政, 李文洲, 高富强, 姜志云, 李建忠

    摘要:针对煤矿千米深井巷道松软煤体大变形难题,以淮南新集矿区口孜东矿7 m大采高工作面运输巷为工程背景,分析巷道松软煤帮变形破坏特征及支护结构破坏、失效形式;采用井下试验和数值模拟相结合的方法,从锚杆锚索锚固力衰减、风化作用下煤体劣化及强流变性等方面,揭示出千米深井巷道松软煤帮大变形机理。提出千米深井巷道松软煤帮高压锚注-喷浆协同控制理念;采用数值模拟对比研究了单一锚杆锚索支护、锚注、锚注-喷浆3种方案巷道煤帮变形、裂隙及应力演化规律,阐明了巷道煤帮高预应力、高压锚注-喷浆协同控制原理。研发出高强度、高压、组合式注浆锚杆与高压注浆锚索,研究了注浆锚杆、锚索及注浆材料性能与锚注效果,形成了高预应力锚杆、锚索支护-高压劈裂注浆改性-表面喷浆协同控制技术。将上述研究成果应用于淮南新集矿区口孜东矿,提出试验巷道锚注-喷浆协同控制方案及参数,并进行了矿压监测。监测数据表明,采用提出的锚注-喷浆控制方案后,煤帮结构、完整性与强度得到显著改善,锚杆、锚索锚固力大幅提升,充分发挥了高强度锚杆、锚索主动支护作用。巷道两帮收缩量降低86%,锚杆、锚索破断率大幅减少,有效控制了千米深井巷道松软煤帮大变形,为此类深部巷道大变形控制提供了有效途径。
  • 作者(Author): 康红普

    摘要:论述煤炭开采与岩层控制研究中涉及到的不同时间尺度,从全球最早的成煤地质年代到超动态的亚微秒级。包括不同成煤期,世界煤炭开采历史,矿区、矿井的服务年限及开采参数,静态、动态煤岩力学试验,煤岩破碎,围岩变形与破坏及煤矿动力灾害的时间尺度分布。指出煤炭开采与岩层控制研究的时间尺度集中分布在10-7~1016s,跨23个数量级。在地质年代尺度上,可研究煤的形成、煤盆地演化、煤系地层应力场演化等内容。井工煤矿开采划分成不同矿区、矿井、水平、采区、区段进行,不同阶段的时间尺度不同。煤岩力学试验从蠕变到超动态,时间尺度范围为10-7~109s。岩石蠕变试验时间有的可达数年,而岩石动态破坏时间有的仅为微秒级。煤岩破碎、采掘空间维护是煤炭开采与岩层控制的两大任务,前者涉及凿岩、爆破、机械截割振动等动态问题,研究时间单位常用秒、毫秒、微秒;后者包括采场与巷道围岩控制。采场是移动场所,围岩变形、破坏、垮落及支架阻力变化较快,常以分、小时为时间单位;巷道服务时间较长,围岩变形与破坏的时效性较强,描述巷道变形与支护体受力变化的时间单位多为天、周及月。冲击地压等煤矿动力灾害持续时间仅为几秒到几十秒,研究冲击地压发生、发展及破坏过程,应从毫秒甚至更小的尺度上进行。不同的煤炭开采与岩层控制问题需要在不同的时间尺度研究。有些问题需要进行多时间尺度研究,才能发现问题的本质。世界煤炭开采已有2 000多年的历史,特别是最近60多年,煤炭开采实现了重大技术革命。但大规模煤炭开采也带来一系列问题,如何继续做好煤炭开采与岩层控制工作,需要新思路、新工艺、新技术。
  • 作者(Author): 李建忠, 康红普, 高富强, 娄金福

    摘要:为研究原岩应力场作用下的锚杆支护应力场及锚杆支护作用,采用UDECTrigon数值模拟方法,对不同预紧力及不同支护密度下的支护应力场及锚杆支护作用进行系统。研究表明:基于UDECTrigon方法提出了一种考虑原岩应力场及节理因素作用下获取锚杆支护应力场的合理方法;锚杆支护应力场分布特征与预紧力及支护密度紧密相关,预紧力对支护应力场影响更大;低预紧力时支护应力场呈零星、不连续分布,高预紧力时呈连续、整体分布;锚杆支护应力场与巷道围岩强烈变形破坏区呈你大我小、你小我大的动态博弈机制;高预紧力锚杆支护提供的主动约束力不仅可限制节理张开,还能增大节理面抗剪能力,抑制节理滑移,控裂效果显著;锚杆支护应力场由锚杆预应力场及锚杆抑制围岩变形破坏本该释放的应力两部分组成,前者表现为锚杆支护对无变形破坏围岩的加固效应,后者是锚杆支护对围岩变形破坏的主动及被动约束控裂作用结果。预应力场只占锚杆支护应力场的一小部分,但锚杆预紧力对锚杆支护应力场的产生及分布有极大的影响
  • 作者(Author): 康红普

    摘要:  深地资源开发是我国未来科技发展的重要方向,深部煤炭资源安全高效开采是煤炭行业必须攻克的关键技术。我国埋深1000m以下的煤炭资源非常丰富,主要分布在中东部地区。该地区的大部分煤矿已进入深部开采,最大开采深度超过1500m,带来一系列开采与岩层控制难题。为保证我国煤炭工业的可持续发展、国家能源安全及中东部经济发达地区的能源供给,千米深井煤炭资源安全高效开发势在必行。  与浅部煤矿相比,千米深井最大的特点是地应力高、采动影响强烈。已有的地应力测量数据表明,有些千米深井的最大主应力超过40MPa,明显高于煤层和一些岩石的单轴抗压强度,致使围岩变形与破坏特征发生显著变化,突出表现为流变性、扩容性和冲击性。巷道开挖后即表现为变形大、持续时间长、稳定性差,受到工作面强烈采动影响后,围岩变形与破坏进一步加剧,甚至出现冒顶、冲击地压等灾害;采煤工作面矿压显现强烈,煤壁片帮、顶板冒落及支架损坏现象突出。适用于中浅部煤矿的开采与围岩控制技术不能解决千米深井难题。此外,智能开采是煤矿实现安全高效开采的有效途径,近年来该项技术在我国煤矿发展迅速,在一些中浅部或地质条件相对简单的矿井得到推广应用。然而,由于千米深井开采环境的特殊性,目前还没有适合高应力、强采动矿井的智能化开采技术。  鉴于此,国家在“十三五”期间,将“煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术”列入国家重点研发计划项目,吸纳了10家我国煤矿围岩控制与智能开采领域一流的科研机构、高等院校和煤炭企业,形成了多学科、多层次的高水平产学研攻关团队。围绕千米深井围岩控制与智能开采,综合考虑巷道和采煤工作面相互影响,以合理加大工作面长度,实现生产集约化,降低掘进率、提高煤炭采出率为思路,以“应力场―围岩变形―围岩控制―开采与围岩控制的智能化―井下试验”为主线,系统研究4个关键科学问题:高地应力与超长工作面强采动应力叠加作用下巷道围岩大变形机理;高应力、强采动巷道围岩支护—改性—卸压“三位一体”协同控制原理;千米深井超长工作面应力与覆岩结构演化机理;超长工作面多信息融合的智能开采模式,研发形成千米深井巷道围岩支护-改性-卸压“三位一体”协同控制及基于千米深井超长工作面矿压规律的智能开采技术体系。目前,项目研发时间已经过半,取得了一些阶段性研究成果,并在中煤新集口孜东煤矿进行了井下示范工程。  《煤炭学报》第3期前16篇论文集中报道了“煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术”研究团队的阶段性研究成果,包括千米深井高应力强采动巷道围岩大变形理论、超长工作面采动应力演化规律、巷道围岩控制原理与技术、巷道围岩注浆改性材料、超长工作面岩层控制与智能开采技术等5个方面的内容,希望专题的刊出可为煤矿千米深井开采与围岩控制提供借鉴。  在本专辑出版之际,衷心感谢行业有关专家学者在百忙之中对论文的认真评审。同时,感谢为项目提供技术指导和帮助的所有专家,及完成井下示范工程的技术人员和施工队伍。
  • 作者(Author): 康红普, 姜鹏飞, 黄炳香, 管学茂, 王志根, 吴拥政, 高富强, 杨建威, 程利兴, 李建忠

    摘要:针对煤矿千米深井、软岩、强采动巷道围岩大变形难题,以淮南新集口孜东矿350 m超长工作面运输巷为工程背景,分析了巷道围岩大变形、支护构件失效原因;采用理论分析、实验室试验和井下试验方法,从围岩物性劣化、偏应力诱导围岩扩容、软岩结构性流变及超长工作面采动影响等方面,揭示了高地应力与超长工作面强采动应力叠加作用下巷道围岩大变形机理。以此为基础提出千米深井、软岩、强采动巷道支护-改性-卸压协同控制理念,采用数值模拟对比研究了无支护、锚杆支护、锚杆支护-注浆改性、锚杆支护-注浆改性-水力压裂卸压4种方案巷道围岩应力、变形及破坏规律,阐述了巷道支护-改性-卸压协同控制原理。研发出CRMG700超高强度、高冲击韧性锚杆支护材料,研究揭示了锚杆受拉、剪、扭、弯及冲击复合载荷作用的力学响应特征;开发出微纳米无机有机复合改性材料及配套高压劈裂注浆技术;研发出分段压裂水力压裂卸压技术与设备,形成了巷道支护-改性-卸压协同控制技术。基于上述研究成果,提出口孜东矿示范巷道支护-改性-卸压布置方案与参数,并进行了井下试验与矿压监测。监测结果表明,巷道围岩协同控制技术应用后,巷道变形量降低50%以上,锚杆、锚索破断率降低90%,工作面采动应力明显减小,有效控制了千米深井、软岩、强采动巷道大变形。最后,对下一步的研究工作进行了展望。
  • 作者(Author): 张振峰, 康红普, 姜志云, 李文洲, 姜鹏飞, 蔡瑞春, 朱阳涛, 王军

    摘要:高压劈裂注浆改性技术通过注浆改性方法可提高围岩自承能力,是巷道围岩“支护—改性—卸压”协同控制技术的重要一环。针对口孜东矿121302运输巷锚杆支护效果差,常规注浆方法无法注入巷道围岩等难题,开展了千米深井巷道高压劈裂注浆改性技术研究与实践。开发高压劈裂注浆工艺,研制高压劈裂注浆装备,试制的矿用气动注浆泵最大工作压力超过30 MPa,采用微纳米无机有机复合改性材料,经过超细加工,95%的粒径≤9 μm,在121302运输巷掘进工作面进行高压注浆改性试验,对注浆压力―流量变化规律、注浆量、浆液扩散半径等参数统计分析,对注浆改性后的效果进行了测试评价。试验结果表明:注浆压力与注浆流量是劈裂注浆的主控因素;掘进工作面超前注浆平均启劈压力在22 MPa左右;滞后掘进工作面6~8 m注浆,适当降低排量,注浆过程进入高压微劈裂-渗透注浆阶段,增强注浆效果。高压劈裂注浆改性工艺解决了高应力低渗透软岩“注不进”的难题,保证锚杆索锚固质量,改善新掘巷道成型。巷道围岩改性效果理想:现场取样SEM扫描电镜细观形貌分析可发现,高压劈裂注浆工艺下,新型微纳米有机无机复合改性材料可注入最小约2 μm宽度的裂隙;浆液水化固结体密实并与煤界面结合致密;纳米压痕试验证明煤浆界面区弹性模量高于煤,致裂重新黏合后的煤体力学性能强于之前。
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