美國煤礦長壁支護現(xiàn)狀概述

古全忠，周光華

(1.Jennmar Corp.，Pittsburgh，Pa，USA 15238; 2.神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司，寧夏銀川750011)

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美國煤礦長壁支護現(xiàn)狀概述

古全忠1，周光華2

(1.Jennmar Corp.，Pittsburgh，Pa，USA 15238; 2.神華寧夏煤業(yè)集團有限責任公司，寧夏銀川750011)

［摘要］簡單介紹了美國的長壁開采概況、礦山支護評估軟件、巷道支護、錨桿支護要點和長壁面收尾硐室的應用。這些礦山支護軟件涉及到盤區(qū)及煤柱設計和穩(wěn)定性評估、多煤層開采影響、錨桿支護評估、柱式支護設計和評估、頂板分類等。在巷道支護方面，介紹了單位長度的錨固力和復雜地質(zhì)條件下美國流行的輔助和柱式支護。長壁收尾硐室的實施一方面加快了工作面的安全搬家速度，另一方面也擴展了無機粉料材料的應用。

［關鍵詞］長壁開采;支護軟件;錨桿支護;輔助支護;收尾硐室

［引用格式］古全忠，周光華.美國煤礦長壁支護現(xiàn)狀概述［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 1－3，59.

1　現(xiàn)階段美國長壁開采概況和支護面臨問題

截止到2014年2月，美國的長壁工作面由2013年的49個減少到48個，共有42個長壁礦，其中有6個礦有2個長壁面［1］。在2013年，一個長壁面的最高、最低和平均年產(chǎn)量分別為10.7Mt，0.187Mt，4.41Mt，且每個長壁礦的平均員工為461人，全美國長壁礦的人數(shù)為18913人，全美國長壁礦的個人員工生產(chǎn)效益為4.37t/h。在2014年，長壁面的平均采高、寬度和長度分別為2.31m，362.1m (最寬為502.92m)和3446.4m，而在2013年，分別為2.286m，346.56m，3292.5m。除UTAH州的幾個埋深約1000m左右的礦，為減輕沖擊地壓的影響而設計的約7.62～10.67m的屈服煤柱(圖1)和一側2條巷道外，其余大多為一側3條巷道。多條巷道的主要目的是為設備布置、人員安全和通風瓦斯控制。長壁面綜采支架的平均屈服支撐力為10420kN。

美國是世界第2大采煤大國，隨開采時間和地點的變化，開采條件變化和國內(nèi)類似。除中部常年面臨深部開采時遇到的巖石或煤突出的問題，東部礦區(qū)面臨開采運輸距離(最遠的膠帶巷某礦達20km左右)和深度增加、多煤層開采、支護強度變大、大巷翻修維護頻率和成本升高等問題。

圖1　控制煤巖突出的兩種長壁煤柱布置

多煤層開采分為下煤層和上煤層開采。在下煤層開采時，面臨的主要問題是上層采空區(qū)內(nèi)的采空區(qū)水和遺留下的煤柱。遺留煤柱的大小、位置、煤層間距、埋深、硬巖如石灰?guī)r和砂巖的含量是下煤層開采設計時的主要參考參數(shù)。在上煤層開采盤區(qū)設計和支護選擇時，除考慮埋深、水平應力、大厚度層狀頁巖外，還要考慮下煤層開采遺留的煤柱大小和位置、巖層下沉影響上煤層底板等。

2　礦山支護評估設計軟件

多年的現(xiàn)場和理論研究，產(chǎn)生了很多巖層控制和長壁設計、巷道支護的經(jīng)驗、理論和公式。為有效地將這些經(jīng)驗、理論和公式轉化為供現(xiàn)場工程技術人員和監(jiān)督人員使用的工具，美國職業(yè)安全健康研究院(NIOSH)從本世紀初逐漸開發(fā)了10個與巖層控制有關的計算軟件(見表1)。這些軟件是將多年的理論、現(xiàn)場監(jiān)測和事故數(shù)據(jù)分析，進行編程、驗證、更新，適用于地下煤礦和硬巖礦(如石灰?guī)r礦)。同時，這些軟件也是美國礦山安全健康管理局技術監(jiān)督部門評估上交設計的主要工具和評判標準。

表1　美國礦山巖層控制常用軟件和用途

3　煤礦巷道支護簡介

巷道支護從巷道圍巖地質(zhì)應力評估、支護設計、支護元件安裝到現(xiàn)場反饋，是一個涉及工程經(jīng)驗、檢測、安裝機具和人員培訓管理的系統(tǒng)工程。

在評估圍巖和支護效果方面，除傳統(tǒng)的利用鉆孔數(shù)據(jù)和現(xiàn)場工程經(jīng)驗外，窺視儀是主要的檢測裂隙、弱面和弱巖的有效工具。實時檢測頂板裂隙位置的另外一種技術，是利用鉆機參數(shù)如頂推力、旋轉力、轉速、鉆頭位置和鉆頭截面來反推［4］。根據(jù)此技術，J.H.Fletcher公司和西弗吉尼亞大學開發(fā)了一控制單元，此控制單元可實現(xiàn)設定一定鉆進速度的情況下，自動優(yōu)化調(diào)節(jié)其他鉆機參數(shù)，并記錄裂隙位置。其準確性很大程度上取決于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和鉆車液壓系統(tǒng)單元的反應速度。由于成本原因，此控制單元并沒有在煤礦上推廣開來，只有個別石灰?guī)r礦在使用。

3.1常規(guī)錨桿支護

錨桿的作用原理主要有懸吊、組合梁、鑲嵌等3種，具體功能表現(xiàn)為抑制頂板巖層的垂直和水平移動。組合梁和鑲嵌的實現(xiàn)是通過安裝時施加預緊力來實現(xiàn)的。錨桿安裝一旦完成，錨桿的懸吊、組合和鑲嵌中的一種或多種作用會同時出現(xiàn)，以哪種作用為主取決于頂板巖層特性和應力分布和方向。實現(xiàn)這3種作用的任何一個或多個的前提是深入巖體的部分或全部桿體是相對固定的。因此，判斷一根設計安裝好的錨桿是否工作可靠，最根本一點是有一穩(wěn)固的至少300mm長的錨固段，這也是煤礦錨桿支護設計需要考慮的最根本因素。

在煤礦頂板錨固范圍內(nèi)，常常含有至少一種巖石。為估算單位長度的樹脂藥卷和錨桿在常見的幾種巖石中產(chǎn)生的錨固力，NIOSH做了一系列的現(xiàn)場試驗。表2所列為(頂板無水時)試驗結果［3］。不同的煤層巷道、錨桿直徑、材質(zhì)和安裝質(zhì)量都會影響此結果。對于某一個礦或某一條巷道而言，單位長度的錨固力是一種較費時、費力，但又是最有效的一種錨桿支護設計參數(shù)。

表2　單位長度藥卷在不同巖石里產(chǎn)生的錨固力

隨著煤礦開采條件變的越來越復雜和困難，樹脂藥卷的用量越來越大。除一些硬巖礦仍在用純機械錨頭外，煤礦和部分金屬礦大都采用純樹脂藥卷或樹脂藥卷輔助的機械錨頭。對于房柱式開采，如是薄煤層，受巷道高度的限制，錨桿如需要施加預緊力，則需要將桿體預先截成至少兩段以上，安裝時用帶有剪切銷的聯(lián)接套將滾絲端聯(lián)接起來。

在美國很多礦的巷道布置和支護設計時，水平應力是一個非常重要的因素。但在實際應用時，最有效的是根據(jù)實際情況將巷道和估測的水平應力方向按一定角度布置。按一定角度安裝頂板角錨桿還沒有引起足夠重視。這主要是因為，美國的錨桿鉆機臺車大多只能打垂直鉆孔(可打傾斜鉆孔的鉆機價格高)，無法將角錨桿端部按一定角度安裝于煤壁側，因此，如果高水平應力存在，聯(lián)絡巷和工作面巷道中的一個多少會受到影響。而在中國，由于角錨桿端部按一定角度安裝于煤壁側，很少看到沿巷道上隅角頂板條形垮落的現(xiàn)象，這一點，從上世紀90年代初到現(xiàn)在，錨桿在中國的使用就可以證明。

3.2輔助和柱式支護

3.2.1輔助支護

在這里，輔助支護主要指的是錨索。受成本和巷道高度的限制，非預應力錨索的用量遠大于預應力錨索。一般的錨索樹脂錨固劑是1.22m。最近幾年，隨著聚氨酯材料應用的擴展，全長錨固錨索在破碎頂板尤其是交叉點得到了越來越多的應用。圖2所示為兩種典型的聚氨酯(即常用的化學加固材料)全長錨固錨索。兩者最大區(qū)別是漿液封閉器的位置，Orica公司生產(chǎn)的位于鉆孔外，而Jennmar公司生產(chǎn)的位于孔內(nèi)。其優(yōu)點是，如不注漿，可單做常規(guī)錨索安裝使用，注漿可擇頂板條件隨時進行。圖3所示為注漿錨索泵送漿液示意圖［5］。

圖2　典型的兩種聚氨酯注漿錨索

3.2.2柱式支護

到目前為止，在長壁開采中比較流行的是泵送式(圖4)、桶式支柱(圖5)、沙柱和水柱等。前兩者具有支護面積大、允許大頂板變形等優(yōu)點，常用于回風巷、總回風巷和收尾硐室等［6］。在使用這些支柱時，一定要在頂板未產(chǎn)生破裂或大的變形前安裝，控制頂板的早期變形從而有效降低頂?shù)装宓氖湛s。

圖3　注漿錨索泵送漿液［4］

圖4　泵送式支柱

圖5　桶式支柱

4　長壁工作面收尾硐室的支護

長壁工作面回采臨近結束時，為安全快速的回收支架搬家，常常預先掘好回收硐室并進行加強支護(圖6)。從巖層控制角度來講，支架回收時間越短，頂板變形時間愈短，支架承受的壓力也越小。與常規(guī)方法相比，由于硐室預先掘好并加強了支護，就不需要再在架前安裝錨桿或鋪網(wǎng)，從而可以大大節(jié)省時間。正常情況下，傳統(tǒng)長壁面搬家需要約3～5個星期［8］，如遇到困難圍巖條件，時間會更長。而利用預先掘出且支護可靠的收尾巷，僅需要大約2個星期［7］。

回收硐室的寬度一般在5～12m左右，具體取決于設備尺寸和圍巖條件。回收硐室的支護主要有3種方式:錨桿－鋼帶－網(wǎng)+錨索或絎架;錨桿－鋼帶－網(wǎng)+錨索+可切割的柱式支護，如泵送式支柱;錨桿－鋼帶－網(wǎng)+錨索+用低強度可切割無機

材料充填回收硐室［7］。

圖6　收尾硐室及支護

5　結束語

隨著開采地質(zhì)條件的復雜化和困難化，長壁的初始設計(包括位置、盤區(qū)尺寸、開采方向、煤柱尺寸等)對于以后的支護，尤其是巷道起著非常重要的作用。美國NIOSH開發(fā)的系列軟件對于地下開采多種條件下煤柱的穩(wěn)定性及支護評估提供了多個快速、相對準確的工具。對于支護產(chǎn)品，針對不同條件下的改進研發(fā)、質(zhì)量控制和安裝管理，對于實現(xiàn)支護效果是非常重要的。

中國煤礦巷道多年的錨桿支護設計和現(xiàn)場經(jīng)驗證明，巷幫角錨桿按一定角度安裝于煤壁側，對于控制水平應力的影響巷幫頂板的剪切破壞是很有效的。而在美國，受錨桿機的影響，角錨桿大多只能垂直安裝，影響了水平應力的控制效果，而只能從增加錨索的數(shù)量、長度和預緊力及改變巷道寬度或方向來增強巷道穩(wěn)定性。

［參考文獻］

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［5］D.Faulker.The Development and Application of Polyurethane Injectable Cable Bolts［A］.31stInternational Conference on Ground Control in Mining［C］.2012.

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［7］B.Hanson，R.Ochsner，J.Stankus，X.Li.Signal Peak Makes Longwall Recovery history［J］.Coal Age，October，2014.

［8］D.Wichlacz，T.Britten，B.Beamish.Development of a Pre－diiven Recovery Evaluation Program for Longwall Operations［C］.Coal operator’s Conference，2009.

［責任編輯:鄒正立］

基礎研究

Current Situation of Supporting Technology of Long-wall Mining in United States

GU Quan-zhong1，ZHOU Guang-hua2

(1.Jennmar Corp.，Pittsburgh，Pa，USA 15238; 2.Shenhua Ningxia Coal Group Co.，Ltd.，Yinchuan 750011，China)

Abstract:This paper introduced general situation of long-wall mining，evaluation software of mine supporting，roadway supporting，key point of anchored-bolt supporting and application of dismantlement cavern in long-wall mining face.mine supporting software included coal-pillar design and its stability evaluation，influence of multi-coalseam mining，anchored-bolt supporting evaluation，supporting design and evaluation，and roof classification.In roadway supporting，anchored force per unit length，and auxiliary and pillar supporting widely used in U.S.under complex geological condition.Application of dismantlement cavern in long-wall mining improved dismantlement speed and extended utilization of inorganic powder.

Keywords:long-wall mining; supporting software; anchored-bolt supporting; auxiliary supporting; dismantlement cavern

［作者簡介］古全忠(1969－)，男，山東五蓮人，博士，美國注冊工程師，現(xiàn)工作于美國匹茲堡的JENNMAR公司，主要從事巖石力學、巖層控制、錨桿支護、煤柱設計、地質(zhì)安全評估、擋水墻和密閉墻的設計研究工作和現(xiàn)場工程技術服務。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.001

［收稿日期］2015－01－04

［中圖分類號］TD823.1

［文獻標識碼］A

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0001-03