主要产煤国煤矿锚杆支护技术分析

2004-4-9
1 概述
大多数采用长壁工作面开采的煤矿面临的主要障碍是采区巷道掘进和支护问题。锚杆支护过程是妨碍煤炭开采进度的“瓶颈”，在一个工作面采煤循环中所占的时间最长。房柱式开采煤矿面临同样的问题。当锚杆支护密度较大时，如果将锚杆支护的时间缩少一半，工作面煤炭产量几乎可以提高1倍。
连续采煤机的设计开机率一般超过95%，但一天内的实际开机时间只有4.7～7.2h。为了改变这种状况，需要采用一种综合系统方法，该方法将煤炭开采、顶板支护、煤炭运输、通风、设备维修和材料供应各环节进行合理配置、系统优化，以提高采煤设备的开机率。同时，新设备、新材料和新工艺的采用也有利于采煤设备开机率的提高。
美国、南非、澳大利亚和英国等国的煤矿已经采用了良好的顶板支护设备和技术，但目前仍需要及时引进这种系统方法。中国、俄罗斯、波兰和印度等国煤矿支护技术相对落后，为了增强自身在国际煤炭市场上的竞争能力，这些国家今后将不得不采用综合机械化顶板支护设备和技术。
作为这种新型系统方法的一个组成部分，久益采矿设备公司（Joy Mining Machinery）研制了一种移动式顶板锚杆钻车——JOY型多钻机平台操作锚杆钻车。该钻车已在澳大利亚和美国的煤矿创造了顶板锚杆钻进的的新纪录。
2 锚杆钻机
国际锚杆钻机市场上的锚杆钻机可分为三类：（1）手持式钻机，如gophers、wombats和superoo钻机。（2）移动式钻机。这种钻机采用履带或橡胶轮，可安装1台、2台、3台或4台钻机。（3）机载钻机，即钻机被固定在连续采煤机和巷道掘进机上。由于锚杆机不断易主,维修量大和报废率高，因此很难精确统计世界各国煤矿使用的锚杆机总数量。但据估计，世界各国煤矿可使用的移动式或机载式锚杆安装机（包括正在使用的、闲置、维修和转让的锚杆机）的数量如下表所示。
世界各国移动式猫杆机和机载式锚杆机统计表   台

世界7大顶板锚杆机生产公司是：JH Fietcher公司（美国）、Joy公司（购买了Cram公司）、Hydramatic公司（澳大利亚）、RHAM公司（南非）、Sandvik公司（瑞典，购买了Tamrock & Secoma集团公司）、Eimco公司（美国，购买了FMC公司和Galis公司）、Long Airdox公司（美国，购买了Lee Norse & SimmonsRand公司）。
世界7大主要的锚杆供应商为：Ani Arnell公司、BoartLongyear公司、Celtite公司、Excel公司、Exchem公司、Jenmar公司和Strata Bolt公司。
世界各国移动式锚杆机和机载锚杆机统计表 台
国家 移动式锚杆机 机载锚杆机
北美洲 2475 59
南非 445 7
澳大利亚 44 119
欧洲、俄罗斯
印度、中国 29
13
总计 2933 198
3 世界各国锚杆支护技术
全脂锚杆安装技术是目前世界上最常用的方法，占已安装锚杆的70%以上。使用该技术时，整个杆体均承受载荷，可以抵制分层煤体对锚固杆体的剪切力。另外30%的锚杆使用量大部分为机械点固锚杆，水泥锚杆、树脂点固锚杆和Swellex型锚杆仅在个别煤矿使用。一般地，锚杆长度为1.2～2.4m，直径为16～22mm。每年世界各国煤矿安装约1.41亿根锚杆，其中美国煤矿的使用量占88%。
锚杆安装过程分4个步骤：钻眼；插入树脂胶卷；插入杆体，搅拌树脂；旋紧和固定锚杆。想减少锚杆安装时间是相当困难的，除非取消某些步骤。锚杆制造商尝试了各种改进技术，如：采用组合锚杆、一端带钻头的锚杆、树脂包在杆体内的锚杆、树脂注射以及其他技术。到目前为止，这些技术还没有得到完善。
3.1 美国
美国是世界第二大煤炭生产国（仅次于中国），但按连续采煤机和顶板锚杆机的数量来分析，它的煤矿机械化程度最高。美国840个井工矿几乎全部采用连续采煤机采煤、机械化运煤（梭车批量运输或带式连续输送）方式和顶板锚杆机支护设备。美国一半多的煤炭产量来自房柱式开采工作面，许多房柱式开采系统采用位置变换方法（place change methods）。
采用位置变换法时，连续采煤机在煤巷中掘进，当超过最后一排顶板锚杆15m时（操作人员在安全位置使用无线电遥控设备操纵连续采煤机），连续采煤机被开进另一条煤巷，此时使用一台移动式锚杆机在15m长的煤巷顶板上安装锚杆。在美国，即使是长壁工作面也采用多巷掘进系统，但在欧洲一般采用单巷掘进系统。这是美国大量采用移动式锚杆机的原因。
在加强锚杆安装作业安全的同时，美国重点注意提高锚杆安装的速度和质量。
3.2 澳大利亚
澳大利亚的51座井工矿中，有34座至少拥有1个长壁工作面。长壁工作面采用双巷掘进系统。长壁工作面采区煤巷掘进速度滞后是影响澳大利亚煤炭工业发展的一个主要因素。每掘进1m煤巷，安装6根顶板锚杆和2根煤壁锚杆，每班安装锚杆100～120根。根据不同地质条件，安装锚杆的根数也会变化。目前一些煤矿采用了安设有锚杆机的连续采煤机，但由于锚杆安装速度跟不上工作面回采速度，一些煤矿逐渐采用了位置变换开采法。
3.3 南非
一般地讲，南非大部分井工矿煤层是硬砂岩顶板，开采条件良好。南非57个井工矿均采用了不同的顶板锚杆安装形式，由于地质条件良好，锚杆安装作业并不构成采煤作业的“瓶颈”。为了阻止顶板岩层的局部冒落，一些煤矿安装了严格的顶板岩层监控系统。大部分煤矿采用了房柱式开采方式，长壁工作面所占的比重不足10%。
3.4 英国
英格兰剩下的17座井工矿和苏格兰的Castlebridge煤矿均采用顶板锚杆作为长壁工作面的主要支护方式。英国几乎不采用房柱式开采方式，由于开采深度大，长壁工作面采用单巷掘进，各工作面之间留有足够宽的煤柱。开采深度在700～1 200m的煤巷的顶板锚杆安装密度比大部分其它西部井工矿大，一般每掘进2.4m安装7～12根顶板锚杆，沿每侧煤壁每隔1.8m安装2～3根锚杆。
3.5 俄罗斯
俄罗斯煤炭工业正在发生重大改革和重组，一些亏损的煤矿被迫关闭。俄罗斯目前约有200座井工矿，全部采用单巷长壁开采系统。西伯利亚库兹巴斯矿区的一些煤矿采用顶板锚杆（点固锚杆或点固树脂锚杆）支护形式，锚杆长度1.6～1.8m，承载能力6～8t。随着经验的积累，这种支护系统将不断得到完善。但由于缺乏资金，对现代化锚杆支护设备的维护和改进工作进展非常缓慢。
3.6 波兰
尽管波兰是世界第4大井工矿煤炭生产国（年产量约120Mt，位居中国、美国和独联体之后），但是波兰没有一个煤矿将锚杆支护用作永久顶板支护技术。所有井工矿采用被动受力的钢型（U型钢）支架。随着高产高效长壁工作面的采用，工作面端头的U型钢支架的缓慢拆除速度和缓慢、昂贵的采区煤巷掘进速度严重阻碍了工作面的回采速度。
由于缺乏操作经验、作业标准和地质条件差（尽管其它国家在相同地质条件下取得了锚杆支护作业的成功），波兰向锚杆支护技术的转变过程最缓慢。为了获得最大的煤炭回采率，采区巷道需要重复使用，这导致了顶板支护条件恶劣，不利于巷道快速掘进和工作面快速回采。
3.7 印度
印度井工矿年产煤炭80Mt，其中90%来自非机械化和半机械化（钻眼、爆破和采用侧卸式装载机装载）房柱式开采工作面。大多数井工矿采用锚杆支护方式，采用点固锚杆或承载能力为6～8t的水泥锚杆。目前一些井工矿对连续采煤机和全部机械化房柱式开采系统感兴趣，可能2000年这样一套系统将进行安装。同时全脂锚杆也将得到使用。
3.8 中国
作为世界上最大的井工矿煤炭生产国，中国采用了各种各样的顶板支护技术，从梯形支架到U型钢支架、钢梁，其中大多数主要煤矿采用了锚杆支护技术。全部机械化顶板锚杆安装技术（采用位置变换系统并使用移动式锚杆机）在神华集团所属的矿井得到了使用。目前中国有9台移动式锚杆安装机，预计将来会逐渐增加。中国大部分煤矿使用手持钻机安装锚杆。
4 锚杆安装新技术
目前世界上主要的井工矿煤炭公司要求更快的采区巷道掘进速度和更多的房柱式开采煤矿。最直接的解决办法是缩短锚杆安装时间，因此许多锚杆生产商寻求可靠的自动化工艺来实现此目的。对自动供给、锚杆旋转、树脂注入、特殊锚杆和一系列顶板锚杆钻机（从气动式到液压式）进行了一系列实验。Joy、Fletcher和Hydramatic公司研制的新型多钻机锚杆机目前已投入市场。下面介绍一下久益公司研制的新型移动式多钻机锚杆安装机（见图1和图2）。

图1 多钻机锚杆钻机结构图
该锚杆机安装有多台钻机、平台式设计、可移动，主要用于“位置变换”法连续采煤机采煤工作面。该锚杆机取消了摇臂和许多其他活动元件。宽大的敞开式平台能液压启动侧面节流阀，侧面节流阀降低，从而可创造更大的作业空间。
“豆荚”形物料箱可储存5t重的消耗材料（300根顶板锚杆、150根煤壁锚杆及其相应的树脂和托盘），且物料箱易于运输和卸载。连续采煤机履带装置利用油箱供油，油箱放在履带和底层的锚杆安装平台之间。
图2 多钻机锚杆机前视图（钻车上安装有4台钻机，两侧的2台钻机固定在延伸着的滑杆上）
根据不同的型号，锚杆机前部安装有2～6台JOY“HFX”型钻机，该钻机采用“HD
R”型电机。平台内的钻机可向两侧偏斜10°的倾角，向前方倾斜4° 。平台外的钻机可
向两侧滑动，覆盖更大的作业空间，以满足垂直锚杆安装作业的要求;同时可倾斜105°，以利于灵活安装煤壁锚杆。
锚杆机上安装有两根先进的圆柱形临时顶板支架，操作时先将这两根支架固定在底板上，然后再固定在顶板上。这两根支架可提供2×10t的承载能力。另外，每台钻机的千斤顶可提供5t的承载能力。
久益公司研制的第一台多钻机锚杆机于1998年在澳大利亚壳牌公司的Capcoal Central煤矿使用。该锚杆机于225分钟内安装了304根1.8m长的锚杆。该矿采区巷道宽5.2m，高2.6m，每隔1米安装4根全酯锚杆。使用该锚杆机平均每班可安装400根锚杆。久益公司的第二台多钻机锚杆机于1999年2月用于美国犹他州阿科煤炭公司所属的Suf
co煤矿。2名操作人员使用该锚杆机于200分钟内安装了304根顶板锚杆。巷道宽6m，高3m。采用1.5m长的全酯锚杆，锚杆安装形式为1.5m×1.5m。
(《Werld Coal》,1999,N05,44～4)李孝尚译 本刊校)