美国煤矿长壁支护现状概述

古全忠，周光华

(1.Jennmar Corp.，Pittsburgh，Pa，USA 15238; 2.神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏银川750011)



美国煤矿长壁支护现状概述

古全忠1，周光华2

(1.Jennmar Corp.，Pittsburgh，Pa，USA 15238; 2.神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏银川750011)

［摘要］简单介绍了美国的长壁开采概况、矿山支护评估软件、巷道支护、锚杆支护要点和长壁面收尾硐室的应用。这些矿山支护软件涉及到盘区及煤柱设计和稳定性评估、多煤层开采影响、锚杆支护评估、柱式支护设计和评估、顶板分类等。在巷道支护方面，介绍了单位长度的锚固力和复杂地质条件下美国流行的辅助和柱式支护。长壁收尾硐室的实施一方面加快了工作面的安全搬家速度，另一方面也扩展了无机粉料材料的应用。

［关键词］长壁开采;支护软件;锚杆支护;辅助支护;收尾硐室

［引用格式］古全忠，周光华.美国煤矿长壁支护现状概述［J］.煤矿开采，2015，20 (2) : 1－3，59.

1　现阶段美国长壁开采概况和支护面临问题

截止到2014年2月，美国的长壁工作面由2013年的49个减少到48个，共有42个长壁矿，其中有6个矿有2个长壁面［1］。在2013年，一个长壁面的最高、最低和平均年产量分别为10.7Mt，0.187Mt，4.41Mt，且每个长壁矿的平均员工为461人，全美国长壁矿的人数为18913人，全美国长壁矿的个人员工生产效益为4.37t/h。在2014年，长壁面的平均采高、宽度和长度分别为2.31m，362.1m (最宽为502.92m)和3446.4m，而在2013年，分别为2.286m，346.56m，3292.5m。除UTAH州的几个埋深约1000m左右的矿，为减轻冲击地压的影响而设计的约7.62～10.67m的屈服煤柱(图1)和一侧2条巷道外，其余大多为一侧3条巷道。多条巷道的主要目的是为设备布置、人员安全和通风瓦斯控制。长壁面综采支架的平均屈服支撑力为10420kN。

美国是世界第2大采煤大国，随开采时间和地点的变化，开采条件变化和国内类似。除中部常年面临深部开采时遇到的岩石或煤突出的问题，东部矿区面临开采运输距离(最远的胶带巷某矿达20km左右)和深度增加、多煤层开采、支护强度变大、大巷翻修维护频率和成本升高等问题。

图1　控制煤岩突出的两种长壁煤柱布置

多煤层开采分为下煤层和上煤层开采。在下煤层开采时，面临的主要问题是上层采空区内的采空区水和遗留下的煤柱。遗留煤柱的大小、位置、煤层间距、埋深、硬岩如石灰岩和砂岩的含量是下煤层开采设计时的主要参考参数。在上煤层开采盘区设计和支护选择时，除考虑埋深、水平应力、大厚度层状页岩外，还要考虑下煤层开采遗留的煤柱大小和位置、岩层下沉影响上煤层底板等。

2　矿山支护评估设计软件

多年的现场和理论研究，产生了很多岩层控制和长壁设计、巷道支护的经验、理论和公式。为有效地将这些经验、理论和公式转化为供现场工程技术人员和监督人员使用的工具，美国职业安全健康研究院(NIOSH)从本世纪初逐渐开发了10个与岩层控制有关的计算软件(见表1)。这些软件是将多年的理论、现场监测和事故数据分析，进行编程、验证、更新，适用于地下煤矿和硬岩矿(如石灰岩矿)。同时，这些软件也是美国矿山安全健康管理局技术监督部门评估上交设计的主要工具和评判标准。

表1　美国矿山岩层控制常用软件和用途

3　煤矿巷道支护简介

巷道支护从巷道围岩地质应力评估、支护设计、支护元件安装到现场反馈，是一个涉及工程经验、检测、安装机具和人员培训管理的系统工程。

在评估围岩和支护效果方面，除传统的利用钻孔数据和现场工程经验外，窥视仪是主要的检测裂隙、弱面和弱岩的有效工具。实时检测顶板裂隙位置的另外一种技术，是利用钻机参数如顶推力、旋转力、转速、钻头位置和钻头截面来反推［4］。根据此技术，J.H.Fletcher公司和西弗吉尼亚大学开发了一控制单元，此控制单元可实现设定一定钻进速度的情况下，自动优化调节其他钻机参数，并记录裂隙位置。其准确性很大程度上取决于数据采集系统和钻车液压系统单元的反应速度。由于成本原因，此控制单元并没有在煤矿上推广开来，只有个别石灰岩矿在使用。

3.1常规锚杆支护

锚杆的作用原理主要有悬吊、组合梁、镶嵌等3种，具体功能表现为抑制顶板岩层的垂直和水平移动。组合梁和镶嵌的实现是通过安装时施加预紧力来实现的。锚杆安装一旦完成，锚杆的悬吊、组合和镶嵌中的一种或多种作用会同时出现，以哪种作用为主取决于顶板岩层特性和应力分布和方向。实现这3种作用的任何一个或多个的前提是深入岩体的部分或全部杆体是相对固定的。因此，判断一根设计安装好的锚杆是否工作可靠，最根本一点是有一稳固的至少300mm长的锚固段，这也是煤矿锚杆支护设计需要考虑的最根本因素。

在煤矿顶板锚固范围内，常常含有至少一种岩石。为估算单位长度的树脂药卷和锚杆在常见的几种岩石中产生的锚固力，NIOSH做了一系列的现场试验。表2所列为(顶板无水时)试验结果［3］。不同的煤层巷道、锚杆直径、材质和安装质量都会影响此结果。对于某一个矿或某一条巷道而言，单位长度的锚固力是一种较费时、费力，但又是最有效的一种锚杆支护设计参数。

表2　单位长度药卷在不同岩石里产生的锚固力

随着煤矿开采条件变的越来越复杂和困难，树脂药卷的用量越来越大。除一些硬岩矿仍在用纯机械锚头外，煤矿和部分金属矿大都采用纯树脂药卷或树脂药卷辅助的机械锚头。对于房柱式开采，如是薄煤层，受巷道高度的限制，锚杆如需要施加预紧力，则需要将杆体预先截成至少两段以上，安装时用带有剪切销的联接套将滚丝端联接起来。

在美国很多矿的巷道布置和支护设计时，水平应力是一个非常重要的因素。但在实际应用时，最有效的是根据实际情况将巷道和估测的水平应力方向按一定角度布置。按一定角度安装顶板角锚杆还没有引起足够重视。这主要是因为，美国的锚杆钻机台车大多只能打垂直钻孔(可打倾斜钻孔的钻机价格高)，无法将角锚杆端部按一定角度安装于煤壁侧，因此，如果高水平应力存在，联络巷和工作面巷道中的一个多少会受到影响。而在中国，由于角锚杆端部按一定角度安装于煤壁侧，很少看到沿巷道上隅角顶板条形垮落的现象，这一点，从上世纪90年代初到现在，锚杆在中国的使用就可以证明。

3.2辅助和柱式支护

3.2.1辅助支护

在这里，辅助支护主要指的是锚索。受成本和巷道高度的限制，非预应力锚索的用量远大于预应力锚索。一般的锚索树脂锚固剂是1.22m。最近几年，随着聚氨酯材料应用的扩展，全长锚固锚索在破碎顶板尤其是交叉点得到了越来越多的应用。图2所示为两种典型的聚氨酯(即常用的化学加固材料)全长锚固锚索。两者最大区别是浆液封闭器的位置，Orica公司生产的位于钻孔外，而Jennmar公司生产的位于孔内。其优点是，如不注浆，可单做常规锚索安装使用，注浆可择顶板条件随时进行。图3所示为注浆锚索泵送浆液示意图［5］。

图2　典型的两种聚氨酯注浆锚索

3.2.2柱式支护

到目前为止，在长壁开采中比较流行的是泵送式(图4)、桶式支柱(图5)、沙柱和水柱等。前两者具有支护面积大、允许大顶板变形等优点，常用于回风巷、总回风巷和收尾硐室等［6］。在使用这些支柱时，一定要在顶板未产生破裂或大的变形前安装，控制顶板的早期变形从而有效降低顶底板的收缩。

图3　注浆锚索泵送浆液［4］

图4　泵送式支柱

图5　桶式支柱

4　长壁工作面收尾硐室的支护

长壁工作面回采临近结束时，为安全快速的回收支架搬家，常常预先掘好回收硐室并进行加强支护(图6)。从岩层控制角度来讲，支架回收时间越短，顶板变形时间愈短，支架承受的压力也越小。与常规方法相比，由于硐室预先掘好并加强了支护，就不需要再在架前安装锚杆或铺网，从而可以大大节省时间。正常情况下，传统长壁面搬家需要约3～5个星期［8］，如遇到困难围岩条件，时间会更长。而利用预先掘出且支护可靠的收尾巷，仅需要大约2个星期［7］。

回收硐室的宽度一般在5～12m左右，具体取决于设备尺寸和围岩条件。回收硐室的支护主要有3种方式:锚杆－钢带－网+锚索或绗架;锚杆－钢带－网+锚索+可切割的柱式支护，如泵送式支柱;锚杆－钢带－网+锚索+用低强度可切割无机

材料充填回收硐室［7］。

图6　收尾硐室及支护

5　结束语

随着开采地质条件的复杂化和困难化，长壁的初始设计(包括位置、盘区尺寸、开采方向、煤柱尺寸等)对于以后的支护，尤其是巷道起着非常重要的作用。美国NIOSH开发的系列软件对于地下开采多种条件下煤柱的稳定性及支护评估提供了多个快速、相对准确的工具。对于支护产品，针对不同条件下的改进研发、质量控制和安装管理，对于实现支护效果是非常重要的。

中国煤矿巷道多年的锚杆支护设计和现场经验证明，巷帮角锚杆按一定角度安装于煤壁侧，对于控制水平应力的影响巷帮顶板的剪切破坏是很有效的。而在美国，受锚杆机的影响，角锚杆大多只能垂直安装，影响了水平应力的控制效果，而只能从增加锚索的数量、长度和预紧力及改变巷道宽度或方向来增强巷道稳定性。

［参考文献］

［1］S.Fiscor.The Landscape for U.S.Longwall Changes［J］.Coal Age，Feb 2014.

［2］A.Iannacchione.Coal Mine Burst Prevention Controls［A］.27thInternational Conference on Ground Control in Mining［C］.2008.

［3］C.Mark，C.Compton，etc.Anchorage Pull Testing for Fully Grouted Roof Bolts［A］.24thInternational Conference on Ground Control in Mining［C］.2005.

［4］Q.Gu and K.Heasley，Watson，G.Variation Detection of Rock Properties Using a New Drilling Parameter－Drilling Hardness ［A］.32nd International Symposium of the Application of Computers and Operations Research in the Mineral［C］.Tucson Arizona，2005.

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

［6］史元伟，齐庆新，古全忠.国外煤矿冲击地压防治与采掘工程岩层控制［M］.北京:煤炭工业出版社，2013.

［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.

［责任编辑:邹正立］

基础研究

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

［作者简介］古全忠(1969－)，男，山东五莲人，博士，美国注册工程师，现工作于美国匹兹堡的JENNMAR公司，主要从事岩石力学、岩层控制、锚杆支护、煤柱设计、地质安全评估、挡水墙和密闭墙的设计研究工作和现场工程技术服务。

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

［收稿日期］2015－01－04

［中图分类号］TD823.1

［文献标识码］A

［文章编号］1006-6225 (2015) 02-0001-03