古全忠，周光華

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

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美國(guó)煤礦長(zhǎng)壁支護(hù)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(tuán)有限責(zé)任公司，寧夏銀川750011)

［摘要］簡(jiǎn)單介紹了美國(guó)的長(zhǎng)壁開(kāi)采概況、礦山支護(hù)評(píng)估軟件、巷道支護(hù)、錨桿支護(hù)要點(diǎn)和長(zhǎng)壁面收尾硐室的應(yīng)用。這些礦山支護(hù)軟件涉及到盤區(qū)及煤柱設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性評(píng)估、多煤層開(kāi)采影響、錨桿支護(hù)評(píng)估、柱式支護(hù)設(shè)計(jì)和評(píng)估、頂板分類等。在巷道支護(hù)方面，介紹了單位長(zhǎng)度的錨固力和復(fù)雜地質(zhì)條件下美國(guó)流行的輔助和柱式支護(hù)。長(zhǎng)壁收尾硐室的實(shí)施一方面加快了工作面的安全搬家速度，另一方面也擴(kuò)展了無(wú)機(jī)粉料材料的應(yīng)用。

［關(guān)鍵詞］長(zhǎng)壁開(kāi)采;支護(hù)軟件;錨桿支護(hù);輔助支護(hù);收尾硐室

［引用格式］古全忠，周光華.美國(guó)煤礦長(zhǎng)壁支護(hù)現(xiàn)狀概述［J］.煤礦開(kāi)采，2015，20 (2) : 1－3，59.

1　現(xiàn)階段美國(guó)長(zhǎng)壁開(kāi)采概況和支護(hù)面臨問(wèn)題

截止到2014年2月，美國(guó)的長(zhǎng)壁工作面由2013年的49個(gè)減少到48個(gè)，共有42個(gè)長(zhǎng)壁礦，其中有6個(gè)礦有2個(gè)長(zhǎng)壁面［1］。在2013年，一個(gè)長(zhǎng)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(gè)長(zhǎng)壁礦的平均員工為461人，全美國(guó)長(zhǎng)壁礦的人數(shù)為18913人，全美國(guó)長(zhǎng)壁礦的個(gè)人員工生產(chǎn)效益為4.37t/h。在2014年，長(zhǎng)壁面的平均采高、寬度和長(zhǎng)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(gè)埋深約1000m左右的礦，為減輕沖擊地壓的影響而設(shè)計(jì)的約7.62～10.67m的屈服煤柱(圖1)和一側(cè)2條巷道外，其余大多為一側(cè)3條巷道。多條巷道的主要目的是為設(shè)備布置、人員安全和通風(fēng)瓦斯控制。長(zhǎng)壁面綜采支架的平均屈服支撐力為10420kN。

美國(guó)是世界第2大采煤大國(guó)，隨開(kāi)采時(shí)間和地點(diǎn)的變化，開(kāi)采條件變化和國(guó)內(nèi)類似。除中部常年面臨深部開(kāi)采時(shí)遇到的巖石或煤突出的問(wèn)題，東部礦區(qū)面臨開(kāi)采運(yùn)輸距離(最遠(yuǎn)的膠帶巷某礦達(dá)20km左右)和深度增加、多煤層開(kāi)采、支護(hù)強(qiáng)度變大、大巷翻修維護(hù)頻率和成本升高等問(wèn)題。

圖1　控制煤巖突出的兩種長(zhǎng)壁煤柱布置

多煤層開(kāi)采分為下煤層和上煤層開(kāi)采。在下煤層開(kāi)采時(shí)，面臨的主要問(wèn)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(kāi)采設(shè)計(jì)時(shí)的主要參考參數(shù)。在上煤層開(kāi)采盤區(qū)設(shè)計(jì)和支護(hù)選擇時(shí)，除考慮埋深、水平應(yīng)力、大厚度層狀頁(yè)巖外，還要考慮下煤層開(kāi)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(hù)評(píng)估設(shè)計(jì)軟件

多年的現(xiàn)場(chǎng)和理論研究，產(chǎn)生了很多巖層控制和長(zhǎng)壁設(shè)計(jì)、巷道支護(hù)的經(jīng)驗(yàn)、理論和公式。為有效地將這些經(jīng)驗(yàn)、理論和公式轉(zhuǎn)化為供現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員和監(jiān)督人員使用的工具，美國(guó)職業(yè)安全健康研究院(NIOSH)從本世紀(jì)初逐漸開(kāi)發(fā)了10個(gè)與巖層控制有關(guān)的計(jì)算軟件(見(jiàn)表1)。這些軟件是將多年的理論、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和事故數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行編程、驗(yàn)證、更新，適用于地下煤礦和硬巖礦(如石灰?guī)r礦)。同時(shí)，這些軟件也是美國(guó)礦山安全健康管理局技術(shù)監(jiān)督部門評(píng)估上交設(shè)計(jì)的主要工具和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

表1　美國(guó)礦山巖層控制常用軟件和用途

3　煤礦巷道支護(hù)簡(jiǎn)介

巷道支護(hù)從巷道圍巖地質(zhì)應(yīng)力評(píng)估、支護(hù)設(shè)計(jì)、支護(hù)元件安裝到現(xiàn)場(chǎng)反饋，是一個(gè)涉及工程經(jīng)驗(yàn)、檢測(cè)、安裝機(jī)具和人員培訓(xùn)管理的系統(tǒng)工程。

在評(píng)估圍巖和支護(hù)效果方面，除傳統(tǒng)的利用鉆孔數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)工程經(jīng)驗(yàn)外，窺視儀是主要的檢測(cè)裂隙、弱面和弱巖的有效工具。實(shí)時(shí)檢測(cè)頂板裂隙位置的另外一種技術(shù)，是利用鉆機(jī)參數(shù)如頂推力、旋轉(zhuǎn)力、轉(zhuǎn)速、鉆頭位置和鉆頭截面來(lái)反推［4］。根據(jù)此技術(shù)，J.H.Fletcher公司和西弗吉尼亞大學(xué)開(kāi)發(fā)了一控制單元，此控制單元可實(shí)現(xiàn)設(shè)定一定鉆進(jìn)速度的情況下，自動(dòng)優(yōu)化調(diào)節(jié)其他鉆機(jī)參數(shù)，并記錄裂隙位置。其準(zhǔn)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(yīng)速度。由于成本原因，此控制單元并沒(méi)有在煤礦上推廣開(kāi)來(lái)，只有個(gè)別石灰?guī)r礦在使用。

3.1常規(guī)錨桿支護(hù)

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(dòng)。組合梁和鑲嵌的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)安裝時(shí)施加預(yù)緊力來(lái)實(shí)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(huì)同時(shí)出現(xiàn)，以哪種作用為主取決于頂板巖層特性和應(yīng)力分布和方向。實(shí)現(xiàn)這3種作用的任何一個(gè)或多個(gè)的前提是深入巖體的部分或全部桿體是相對(duì)固定的。因此，判斷一根設(shè)計(jì)安裝好的錨桿是否工作可靠，最根本一點(diǎn)是有一穩(wěn)固的至少300mm長(zhǎng)的錨固段，這也是煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)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(zhǎng)度的樹(shù)脂藥卷和錨桿在常見(jiàn)的幾種巖石中產(chǎn)生的錨固力，NIOSH做了一系列的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。表2所列為(頂板無(wú)水時(shí))試驗(yàn)結(jié)果［3］。不同的煤層巷道、錨桿直徑、材質(zhì)和安裝質(zhì)量都會(huì)影響此結(jié)果。對(duì)于某一個(gè)礦或某一條巷道而言，單位長(zhǎng)度的錨固力是一種較費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，但又是最有效的一種錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。

表2　單位長(zhǎng)度藥卷在不同巖石里產(chǎn)生的錨固力

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

在美國(guó)很多礦的巷道布置和支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，水平應(yīng)力是一個(gè)非常重要的因素。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，最有效的是根據(jù)實(shí)際情況將巷道和估測(cè)的水平應(yīng)力方向按一定角度布置。按一定角度安裝頂板角錨桿還沒(méi)有引起足夠重視。這主要是因?yàn)?，美?guó)的錨桿鉆機(jī)臺(tái)車大多只能打垂直鉆孔(可打傾斜鉆孔的鉆機(jī)價(jià)格高)，無(wú)法將角錨桿端部按一定角度安裝于煤壁側(cè)，因此，如果高水平應(yīng)力存在，聯(lián)絡(luò)巷和工作面巷道中的一個(gè)多少會(huì)受到影響。而在中國(guó)，由于角錨桿端部按一定角度安裝于煤壁側(cè)，很少看到沿巷道上隅角頂板條形垮落的現(xiàn)象，這一點(diǎn)，從上世紀(jì)90年代初到現(xiàn)在，錨桿在中國(guó)的使用就可以證明。

3.2輔助和柱式支護(hù)

3.2.1輔助支護(hù)

在這里，輔助支護(hù)主要指的是錨索。受成本和巷道高度的限制，非預(yù)應(yīng)力錨索的用量遠(yuǎn)大于預(yù)應(yīng)力錨索。一般的錨索樹(shù)脂錨固劑是1.22m。最近幾年，隨著聚氨酯材料應(yīng)用的擴(kuò)展，全長(zhǎng)錨固錨索在破碎頂板尤其是交叉點(diǎn)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。圖2所示為兩種典型的聚氨酯(即常用的化學(xué)加固材料)全長(zhǎng)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(diǎn)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(shí)進(jìn)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(hù)

到目前為止，在長(zhǎng)壁開(kāi)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(hù)面積大、允許大頂板變形等優(yōu)點(diǎn)，常用于回風(fēng)巷、總回風(fēng)巷和收尾硐室等［6］。在使用這些支柱時(shí)，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(zhǎng)壁工作面收尾硐室的支護(hù)

長(zhǎng)壁工作面回采臨近結(jié)束時(shí)，為安全快速的回收支架搬家，常常預(yù)先掘好回收硐室并進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)(圖6)。從巖層控制角度來(lái)講，支架回收時(shí)間越短，頂板變形時(shí)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(yù)先掘好并加強(qiáng)了支護(hù)，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(shí)間。正常情況下，傳統(tǒng)長(zhǎng)壁面搬家需要約3～5個(gè)星期［8］，如遇到困難圍巖條件，時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。而利用預(yù)先掘出且支護(hù)可靠的收尾巷，僅需要大約2個(gè)星期［7］。

回收硐室的寬度一般在5～12m左右，具體取決于設(shè)備尺寸和圍巖條件?；厥枕鲜业闹ёo(hù)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(hù)，如泵送式支柱;錨桿－鋼帶－網(wǎng)+錨索+用低強(qiáng)度可切割無(wú)機(jī)

材料充填回收硐室［7］。

圖6　收尾硐室及支護(hù)

5　結(jié)束語(yǔ)

隨著開(kāi)采地質(zhì)條件的復(fù)雜化和困難化，長(zhǎng)壁的初始設(shè)計(jì)(包括位置、盤區(qū)尺寸、開(kāi)采方向、煤柱尺寸等)對(duì)于以后的支護(hù)，尤其是巷道起著非常重要的作用。美國(guó)NIOSH開(kāi)發(fā)的系列軟件對(duì)于地下開(kāi)采多種條件下煤柱的穩(wěn)定性及支護(hù)評(píng)估提供了多個(gè)快速、相對(duì)準(zhǔn)確的工具。對(duì)于支護(hù)產(chǎn)品，針對(duì)不同條件下的改進(jìn)研發(fā)、質(zhì)量控制和安裝管理，對(duì)于實(shí)現(xiàn)支護(hù)效果是非常重要的。

中國(guó)煤礦巷道多年的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)證明，巷幫角錨桿按一定角度安裝于煤壁側(cè)，對(duì)于控制水平應(yīng)力的影響巷幫頂板的剪切破壞是很有效的。而在美國(guó)，受錨桿機(jī)的影響，角錨桿大多只能垂直安裝，影響了水平應(yīng)力的控制效果，而只能從增加錨索的數(shù)量、長(zhǎng)度和預(yù)緊力及改變巷道寬度或方向來(lái)增強(qiáng)巷道穩(wěn)定性。

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［責(zé)任編輯:鄒正立］

基礎(chǔ)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(jiǎn)介］古全忠(1969－)，男，山東五蓮人，博士，美國(guó)注冊(cè)工程師，現(xiàn)工作于美國(guó)匹茲堡的JENNMAR公司，主要從事巖石力學(xué)、巖層控制、錨桿支護(hù)、煤柱設(shè)計(jì)、地質(zhì)安全評(píng)估、擋水墻和密閉墻的設(shè)計(jì)研究工作和現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)服務(wù)。

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

［收稿日期］2015－01－04

［中圖分類號(hào)］TD823.1

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1006-6225 (2015) 02-0001-03