美国煤矿长壁支护现状概述

第２０卷第２期（总第１２３期）　２０１５年４月　煤矿　开采　

Ｃ０ＡＬ　ＭＩＮＩＮＧ　ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　Ｖｏ１．２０Ｎｏ．２（Ｓｅｒｉｅｓ　Ｎｏ．１２３）　Ａｐｒｉｌ　２０１５　

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）　

［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　［中图分类号］ＴＤ８２３．１　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００６—６２２５（２０１５）０２—０００１—０３　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｌｏｎｇ－ｗａｌｌ　Ｍｉｎｉｎｇ　ｉｎ　Ｕｎｉｔｅｄ　Ｓｔａｔｅｓ　Ｇｕ　Ｑｕａｎ．ｚｈｏｎｇ　．ＺＨ０Ｕ　Ｇｕａｎｇ．ｈｕａ　（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　ｓｕｐｐｏ￣ｍ’ｇ，　

ｋｅｙ　ｐｏｉｎｔ　ｏｆ　ａｎｃｈｏｒｅｄ－ｂｏｌｔ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｓｍａｎｔｌｅｍｅｎｔ　ｃａｖｅｒｎ　ｉｎ　ｌｏｎｇ－ｗａｌｌ　ｍｉｎｉｎｇ　ｆａｃｅ．ｍｉｎｅ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｎｃｌｕｄ－　ｅｄ　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　ｓｕｐｐｏｒｔ—　ｉｎｇ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　Ｕ．Ｓ．ｕｎｄｅｒ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｓｍａｎｔｌｅｍｅｎｔ　ｃａｖｅｒｎ　ｉｎ　ｌｏｎｇ—ｗａｌｌ　ｍｉｎｉｎｇ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｄｉｓｍａｎ・　ｔｌｅｍｅｎｔ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｏｒｇａｎｉｃ　ｐｏｗｄｅ￣　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｎｇ—ｗａｌｌ　ｍｉｎｉｎｇ；ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ；ａｎｃｈｏｒｅｄ－ｂｏｌｔ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ；ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ；ｄｉｓｍａｎｔｌｅｍｅｎｔ　ｃａｖｅｒｎ　

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…。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　２．３１１ＴＩ，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　

（ａ】两巷一屈服煤柱　【ｂ）两巷一屈服＋盈曲保护爆柱　图１　控制煤岩突出的两种长壁煤柱布置　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。　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　

［收稿日期］２０１５－０１－０４　［ＤＯＩ］１０．１３５３２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎｌｌ一３６７７／ｔｄ．２０１５．０２．００１　［作者简介］古全忠（１９６９一），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。　［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．　总第１２３期　煤矿　开采　２０１５年第２期　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　软件名称　用途　ＡＨＳＭ　譬　薹　髻　坌雾　暑　减轻水平应　ＡＬＰｓ　煤柱稳定性分析。用途：长壁工作面煤柱设　ＡＭＳＳ　Ｉ煤霁蓁蔫孺　翁栗　是　臻磊　５　多　ＡＲＢｓ雾嚣薯　妻摹甭薷盆箍括　：帮助选择井下煤　ＡＲＭＰＳ畿簇瞿　墓藿募　析。用途：房柱式开采煤柱回　ＡＲＭＰｓ—ＨｗＭ囊　簇　是鉴曩葬　分析。用途：常规　ＣＭＲＲ　矿顶板分类。用途：估算煤矿顶板相对固有强　Ｓ－ＰＩＬＬＡＲ孽岩矿岩柱设计。目标：岩柱尺寸和巷道宽度设　ＳＴ０Ｐ奔　麓　星粪　对于不同的柱式支护参数的设　边界元基础上的位移应力计算。用途：计算预测　多煤层反应（应力集中）、煤柱设计等。主要优　ＬａＭｏｄｅｌ　点是可将不规则或复杂的盘区或煤柱设计图直接　从ＡｕｔｏＣＡＤ导入，从而保证了原始尺寸的准确性　和律模的怏捷　缺点是后处理　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　ｊ。根　据此技术，Ｊ．Ｈ．Ｆｌｅｔｃｈｅｒ公司和西弗吉尼亚大学开　２　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人岩　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　Ｊ。　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　岩石类型　锚固力系数／（ｔ・ｍｍ　）　黏土岩　分层黑灰色页岩　黑灰色火黏土岩　黑灰色页岩　细带状灰色页岩　

３．４３　２．８３　２．４８　４．Ｏ９　３．２７　

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