★世界煤炭★掘锚机在长壁工作面巷道的应用J ・里明1) S ・弗鲁克1) P ・奥托颜2)(1.久益采矿设备公司,美国;2.岩石机械技术公司,美国) 摘 要 巷道快速掘进法现正在被欧洲的煤矿广泛采用,效果明显。
它不仅掘进速度快,成本低,效率高,而且安全状况也大为改观。
这些成绩的取得,得益于采用了掘锚机,也就是掘进、支护在一台设备上进行。
详细地介绍了该设备在欧洲煤矿的使用情况及锚杆支护方式。
关键词 巷道掘进 掘锚机 12BM15型掘锚机 欧洲1 欧洲的快速掘进设备1.1 欧洲的巷道掘进及支护实践目前,德国所开采的煤层通常至少有1000m深,压力大。
经常是多煤层开采,瓦斯含量高,有时有些煤层还会遇到岩石突出的问题。
困难的地质条件由于历史的原因更加恶化,例如在工作面布置方向、掘进方向上的限制,巷道规格的增大以及巷道重复使用等。
选用何种支护方式首先要考虑岩石应力场。
在英国,一般煤矿开采深度在800m 左右,除了没有突出现象外,其余的情况与德国煤矿大致相同。
制约欧洲大多数长壁煤矿的主要因素就是顺槽巷道的掘进。
几乎所有的欧洲煤矿顺槽都采用单巷掘进。
因为深度大,应力大,不适宜采用多巷掘进,因此支护便成了制约所有顺槽掘进设备的瓶颈(需要的循环时间最长)。
德国煤矿传统型的支护设备是可屈服拱型钢梁,每米重34～44kg ,加上充填(在拱型钢梁后面把水泥浆泵进去),常常还带有锚杆,这样的巷道支护成本很高,并且工序复杂,进度慢。
由于进度慢,又部分地导致了加长工作面。
目前德国拥有西方世界最长的工作面,通常长达350～400m ,还有几个面超过400m 。
这样就需要选用大型的工作面设备,因此巷道断面又要进一步加大,掘进速度更加下降,支护更加困难,造成恶性循环。
但是,过去15年所开发的高强度锚杆,经过在欧州的深井煤矿中应用,业已证明是成功的。
英国差不多所有的长壁顺槽巷道现都用连采机掘成矩形,采用锚杆支护。
在德国也有计划要增大锚杆支护量,尤其是在主运输巷。
高强度锚杆支护与传统的支护方式相比,它有几大优点:(1)减少长壁工作面端头支护耽搁的时间,工作面回采速度加快;(2)在巷道掘进和长壁工作面回采时,支护更有效;(3)掘进速度加快;(4)支护成本降低,极大地降低支护上所投入的人工;(5)安全状况大有改善;(6)运输和辅助服务更方便;(7)顶板支护强度的设计与巷道服务的年限及用途紧密相连;(8)巷道的使用得到改善(规格及形状)。
锚杆支护虽然比传统的顶板支护方式快多了,但是它仍然是最慢的一道工序。
在一天24h 内,连采机开机率只有20%～30%。
为了改进这一局面,需要采用整体改进的方法,达到掘进、顶板支护、煤炭运输、通风、服务及材料供应相配套,使生产设备达到优化。
在欧洲,达到这样效果的设备只有掘锚机。
它能在独眼巷里快速掘进,支护紧跟迎头。
在欧洲的典型采矿条件下,必须紧靠迎头打上高强度锚杆支护。
1.2 适用于欧洲的掘锚机系统在美国和澳大利亚,连续采煤机主要用于沿煤层快速掘巷,并与重型长壁设备一起使用,使长壁回采工艺成为高产高效的主要采煤系统。
新一代掘锚机已具备的性能,再加上在深井,特别是应力大的煤矿,在巷道支护上采用高强度的支护系统,使这样的系统在欧洲煤矿使用也大有可能。
英国成功地在矩形断面巷道上采用锚杆支护,带来了巷道掘进设备的革命。
从80年代中叶到现在,巷道的掘进由过去使用掘进机全部改为使用连采机,到现在又开始采用掘锚机。
现在全世界已有130多台专门设计的掘锚机(其中包括大修后装上钻机的那些连采机),其中英国有14台在用。
最新式设计,如久益公司生产的12BM15型掘锚机系统,可提供能自动伸缩的带式输送机、通风、电气及集尘等设备。
所有这一切都是把结实耐用、经过实践检验的设备安装在掘锚机后面的拖曳平板车上来实现的。
该系统总长不超过30m 。
而欧洲原先使用的标准掘进机系统,全部铺开,长度超过100m 。
这种极大简化了的掘锚机系统与以前相比有许多优点,掘锚机系统的安全性能更好,劳动力减少,掘进速度更快,锚杆支护标准更高,底板支护效果更好,巷道也更为稳定。
RJB 公司的多米尔矿、里卡矿以及DSK 公司的威尔斯矿先后引进了12BM15掘锚机,连带整个后配套系统,包括电气、运输、通风及灭尘装置。
图1 计算机模拟的垂直顶板锚杆与水平侧帮锚杆1.3 掘锚机适用的支护系统要支护矩形断面的巷道,就得使用锚杆,这是高产高效矿井所必需的。
采用树脂的现代锚杆支护系统通过增强围岩来实现支护作用。
聚脂锚杆支护系统的开发起了决定性的作用。
它安装快捷便利,相对简单,适于自动安装。
这样的系统,一旦设计合适,再加上全程树脂锚护,可以提供很高的支护强度,非常适用于恶劣的地质条件。
锚杆支护系统的效果取决于现场的锚杆、树脂和岩石的粘合强度,这又反过来取决于锚杆表面形状、钻孔的大小及钻孔来福线角度及系统材料特性等诸多因素。
在英国,深井独眼巷掘进采用精心设计的锚杆进行支护,并对锚杆进行安全监测。
英国的锚杆支护系统现已采用统一的英国标准(BS7861)。
德国也有类似的、甚至更高的锚杆强度标准。
采用这样的系统,在超过1000m 深的矿井,锚杆支护成功地应用于矩形巷道。
高强度锚杆设计是因地而异的,取决于巷道断面的大小、岩石及应力场的情况等。
随着井筒的加深,相关的岩石应力增大,所需要的锚杆数量会愈多,锚杆长度会愈长。
但是决定最优化的锚杆布局唯一可靠的办法就是通过测量来进行设计和模型试验。
岩石特性和现场应力的测量结果输进计算机进行模拟,加上现场岩性变形的测定以及所用的锚杆载荷来校正模型。
图2 计算机模拟的倾斜外侧锚杆尽管从70年代起岩石力学就采用了数据模型,但是只是最近几年由于技术的发展才有可能准确地模拟煤矿地层的变化,并评估变形量及所需要的支护。
模拟包现在可准确模拟冒顶、“岩石应变软化”和大的变形。
同样重要的是现已开发的可以收集实际的岩石硬度、应力及变形的井下参数的技术,既可以进行数据输入,又可以进行模型校正。
RM T 公司现正用这些先进的测定技术和模拟技术作为一个重要的工具来设计世界各煤矿的锚杆支护系统。
它们在需要大量的支护,包括锚索支护的巷道里,对优化锚杆布局特别有用。
在掘锚机上安装钻机系统的机器有着极大的优越性,但它使支护系统的设计复杂化,因为在锚杆定位上受到限制。
在矩形巷道上打锚杆最好的方向是垂直的。
图1和图2表明了在水平地层所掘的巷道由计算机模拟所产生的剪切应变曲线。
顶板应变主要是从每一角落开始产生的剪切变形,它们在巷道中心点上面发生交叉。
可是剪切破坏同时也出现在锚杆上端不远的弱岩层与强岩层的交汇处。
垂直的锚杆(图1)与倾斜的锚杆(图2)对下部的切变能起到有效的支护作用,可是倾斜的锚杆对上部的变形层的支护力就小很多。
这有两个原因,一是在侧帮的上方布置倾斜锚杆,正好使它们远离了最需要加固的地方;二是它们倾斜地穿过了变形层。
相比之下,垂直锚杆能垂直于剪切面穿过上部变形层,并直接作用在巷道的上方,起到最大的加强作用。
图3 里可矿所采用的锚杆布局及锚杆支护程序 煤帮锚杆通常最好呈水平状,因为其作用就是当出现变形时,维持煤帮的整体性。
在深部井巷里,由于垂直应力的作用,不可避免地会产生煤壁向巷道发生大量位移。
发生这种向内的不等量位移的主要地点通常是在煤层里的低摩擦层面,尤其是在煤层的顶部和底部。
如侧帮锚杆倾斜穿过那些层面,它们要么被这种位移拉出来,要么被切断失去支护作用。
可是,掘锚机不能够兼顾锚杆的位置与垂直度。
图3显示出了锚杆的布置方式及侧帮锚杆的高度,详细说明了在里可矿使用的久益公司生产的12BM15掘锚机上所安装的锚杆机的工作步骤,表明锚杆所能达到的倾角。
采用计算机模拟可以评估锚杆位置与锚杆角度的影响。
2 掘锚机在欧洲的应用久益公司生产的12BM15型掘锚机是为某些特定宽度的巷道一次成巷设计的掘进设备,它的切割宽度可以选择为4.6m 、4.8m 、5m 、5.2m 或5.4m 。
切割头上装有液压伸缩装置(每端行程为300mm ),这样做可以在回撤时使切割头缩回600mm ,便于机器的后退,两个侧帮锚杆机安装在紧靠支护挡板后面的提升与倾斜油缸上(支护挡板就在切割头后面)。
这样做,使得大多数侧帮锚杆水平安装,或者说尽可能接近水平。
顶板锚杆机装有滑行、摆动、倾斜油缸,它们也紧装在支护挡板后面,这样做灵活性很大,使得大多数中部锚杆与外缘锚杆呈垂直状。
巷道中心两侧的锚杆倾斜一定的角度(正常达到15°),大多数系统采用的顶板锚杆长为2.4m ,侧帮锚杆为1.8m ,一次成巷。
该设备上装有两台液压泵,用于锚杆作业。
切割头为旋叶式,以便把煤装到输送机上。
这种方式在英国应用得很成功,不需要装载机构或扒爪。
12BM15掘锚机上的支护工作位置充满了人性化的设计,锚杆及辅料方便进出,工作平台安全、宽敞,这样便提高了生产效率,降低了工人的劳动强度。
该机上装有区域照明灯。
两台顶板锚杆机上的超前临时支护力超过20t。
在多米尔矿、里可矿及最近发往威尔斯矿的这些掘锚机系统均装有各种辅助设施,其中包括自移式带式输送机、集尘装置、通风设施、除尘装置、供电设备、切割系统、装载系统及支护系统。
这些加在一起,从迎头算起,长度才40m(按威尔斯矿的情形)。
如把工具箱和变压器重新布置一下,从头至尾,其长度可缩至30m。
与掘锚机铰接的输送机直接把煤运至自移式的“马蒂尔德”带式输送机尾上。
铰接的输送机为悬挂式,机器与运输机的搭接长度约为3m。
自移式带式输送机尾共10节,每节长3m(这是威尔斯矿的情况),还有带式输送机托辊和尾辊。
垂直油缸先把带式输送机架从底板上举起来。
两个纵向安装的3m长的油缸再使整个带式输送机架前移。
然后,导轨也前移。
在巷道外端设有自动张紧胶带仓和铰车,使胶带伸缩自如。
所有这些动作都是在胶带运转时进行的。
所有其它的辅助设施均装在自移式带式输送机尾的顶部,这包括主压入式通风系统(从巷外自动供风)、抽出式搭接系统、湿式除尘装置、变压器、开关及电缆。
自移式带式输送机尾向前行走时,这些也随带式输送机机尾自动“行进”。
掘锚机先完成切割循环,然后再进行支护循环,距迎头2.3m处打锚杆。
临时支护托起W形钢带,两根锚杆顺势穿过。
余下的顶板锚杆及侧帮锚杆交叉进行(一个锚杆机打孔时,另一个作准备)。
在支护循环时,自移式带式输送机尾仍可自动行进,这便使电气系统、通风系统、除尘系统及胶带也自动跟进。
(1)英国的里可矿。
根据里可矿提供的参数设计出的全套掘锚机系统于2000年11月投入使用。
先打了斯坦利主煤层进风走向平巷,进入现有的巴日利煤层上部的斯坦利主采煤层的新盘区,而巴日利煤层已大部分采空。
斯坦利主采煤层的工作深度均在750～850m。
巴日利煤层与斯坦利煤层的层间距约为65m。
