1 概述
大多數(shù)采用長壁工作面開采的煤礦面臨的主要障礙是采區(qū)巷道掘進(jìn)和支護(hù)問題。錨桿支護(hù)過程是妨礙煤炭開采進(jìn)度的“瓶頸”，在一個(gè)工作面采煤循環(huán)中所占的時(shí)間最長。房柱式開采煤礦面臨同樣的問題。當(dāng)錨桿支護(hù)密度較大時(shí)，如果將錨桿支護(hù)的時(shí)間縮少一半，工作面煤炭產(chǎn)量幾乎可以提高1倍。
連續(xù)采煤機(jī)的設(shè)計(jì)開機(jī)率一般超過95%，但一天內(nèi)的實(shí)際開機(jī)時(shí)間只有4.7～7.2h。為了改變這種狀況，需要采用一種綜合系統(tǒng)方法，該方法將煤炭開采、頂板支護(hù)、煤炭運(yùn)輸、通風(fēng)、設(shè)備維修和材料供應(yīng)各環(huán)節(jié)進(jìn)行合理配置、系統(tǒng)優(yōu)化，以提高采煤設(shè)備的開機(jī)率。同時(shí)，新設(shè)備、新材料和新工藝的采用也有利于采煤設(shè)備開機(jī)率的提高。
美國、南非、澳大利亞和英國等國的煤礦已經(jīng)采用了良好的頂板支護(hù)設(shè)備和技術(shù)，但目前仍需要及時(shí)引進(jìn)這種系統(tǒng)方法。中國、俄羅斯、波蘭和印度等國煤礦支護(hù)技術(shù)相對(duì)落后，為了增強(qiáng)自身在國際煤炭市場(chǎng)上的競爭能力，這些國家今后將不得不采用綜合機(jī)械化頂板支護(hù)設(shè)備和技術(shù)。
作為這種新型系統(tǒng)方法的一個(gè)組成部分，久益采礦設(shè)備公司（Joy Mining Machinery）研制了一種移動(dòng)式頂板錨桿鉆車——JOY型多鉆機(jī)平臺(tái)操作錨桿鉆車。該鉆車已在澳大利亞和美國的煤礦創(chuàng)造了頂板錨桿鉆進(jìn)的的新紀(jì)錄。
2 錨桿鉆機(jī)
國際錨桿鉆機(jī)市場(chǎng)上的錨桿鉆機(jī)可分為三類：（1）手持式鉆機(jī)，如gophers、wombats和superoo鉆機(jī)。（2）移動(dòng)式鉆機(jī)。這種鉆機(jī)采用履帶或橡膠輪，可安裝1臺(tái)、2臺(tái)、3臺(tái)或4臺(tái)鉆機(jī)。（3）機(jī)載鉆機(jī)，即鉆機(jī)被固定在連續(xù)采煤機(jī)和巷道掘進(jìn)機(jī)上。由于錨桿機(jī)不斷易主,維修量大和報(bào)廢率高，因此很難精確統(tǒng)計(jì)世界各國煤礦使用的錨桿機(jī)總數(shù)量。但據(jù)估計(jì)，世界各國煤礦可使用的移動(dòng)式或機(jī)載式錨桿安裝機(jī)（包括正在使用的、閑置、維修和轉(zhuǎn)讓的錨桿機(jī)）的數(shù)量如下表所示。
世界各國移動(dòng)式貓桿機(jī)和機(jī)載式錨桿機(jī)統(tǒng)計(jì)表 臺(tái)
世界7大頂板錨桿機(jī)生產(chǎn)公司是：JH Fietcher公司（美國）、Joy公司（購買了Cram公司）、Hydramatic公司（澳大利亞）、RHAM公司（南非）、Sandvik公司（瑞典，購買了Tamrock & Secoma集團(tuán)公司）、Eimco公司（美國，購買了FMC公司和Galis公司）、Long Airdox公司（美國，購買了Lee Norse & SimmonsRand公司）。
世界7大主要的錨桿供應(yīng)商為：Ani Arnell公司、BoartLongyear公司、Celtite公司、Excel公司、Exchem公司、Jenmar公司和Strata Bolt公司。
世界各國移動(dòng)式錨桿機(jī)和機(jī)載錨桿機(jī)統(tǒng)計(jì)表 臺(tái)
國家 移動(dòng)式錨桿機(jī) 機(jī)載錨桿機(jī)
北美洲 2475 59
南非 445 7
澳大利亞 44 119
歐洲、俄羅斯
印度、中國 29
13
總計(jì) 2933 198
3 世界各國錨桿支護(hù)技術(shù)
全脂錨桿安裝技術(shù)是目前世界上最常用的方法，占已安裝錨桿的70%以上。使用該技術(shù)時(shí)，整個(gè)桿體均承受載荷，可以抵制分層煤體對(duì)錨固桿體的剪切力。另外30%的錨桿使用量大部分為機(jī)械點(diǎn)固錨桿，水泥錨桿、樹脂點(diǎn)固錨桿和Swellex型錨桿僅在個(gè)別煤礦使用。一般地，錨桿長度為1.2～2.4m，直徑為16～22mm。每年世界各國煤礦安裝約1.41億根錨桿，其中美國煤礦的使用量占88%。
錨桿安裝過程分4個(gè)步驟：鉆眼；插入樹脂膠卷；插入桿體，攪拌樹脂；旋緊和固定錨桿。想減少錨桿安裝時(shí)間是相當(dāng)困難的，除非取消某些步驟。錨桿制造商嘗試了各種改進(jìn)技術(shù)，如：采用組合錨桿、一端帶鉆頭的錨桿、樹脂包在桿體內(nèi)的錨桿、樹脂注射以及其他技術(shù)。到目前為止，這些技術(shù)還沒有得到完善。
3.1 美國
美國是世界第二大煤炭生產(chǎn)國（僅次于中國），但按連續(xù)采煤機(jī)和頂板錨桿機(jī)的數(shù)量來分析，它的煤礦機(jī)械化程度最高。美國840個(gè)井工礦幾乎全部采用連續(xù)采煤機(jī)采煤、機(jī)械化運(yùn)煤（梭車批量運(yùn)輸或帶式連續(xù)輸送）方式和頂板錨桿機(jī)支護(hù)設(shè)備。美國一半多的煤炭產(chǎn)量來自房柱式開采工作面，許多房柱式開采系統(tǒng)采用位置變換方法（place change methods）。
采用位置變換法時(shí)，連續(xù)采煤機(jī)在煤巷中掘進(jìn)，當(dāng)超過最后一排頂板錨桿15m時(shí)（操作人員在安全位置使用無線電遙控設(shè)備操縱連續(xù)采煤機(jī)），連續(xù)采煤機(jī)被開進(jìn)另一條煤巷，此時(shí)使用一臺(tái)移動(dòng)式錨桿機(jī)在15m長的煤巷頂板上安裝錨桿。在美國，即使是長壁工作面也采用多巷掘進(jìn)系統(tǒng)，但在歐洲一般采用單巷掘進(jìn)系統(tǒng)。這是美國大量采用移動(dòng)式錨桿機(jī)的原因。
在加強(qiáng)錨桿安裝作業(yè)安全的同時(shí)，美國重點(diǎn)注意提高錨桿安裝的速度和質(zhì)量。
3.2 澳大利亞
澳大利亞的51座井工礦中，有34座至少擁有1個(gè)長壁工作面。長壁工作面采用雙巷掘進(jìn)系統(tǒng)。長壁工作面采區(qū)煤巷掘進(jìn)速度滯后是影響澳大利亞煤炭工業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要因素。每掘進(jìn)1m煤巷，安裝6根頂板錨桿和2根煤壁錨桿，每班安裝錨桿100～120根。根據(jù)不同地質(zhì)條件，安裝錨桿的根數(shù)也會(huì)變化。目前一些煤礦采用了安設(shè)有錨桿機(jī)的連續(xù)采煤機(jī)，但由于錨桿安裝速度跟不上工作面回采速度，一些煤礦逐漸采用了位置變換開采法。
3.3 南非
一般地講，南非大部分井工礦煤層是硬砂巖頂板，開采條件良好。南非57個(gè)井工礦均采用了不同的頂板錨桿安裝形式，由于地質(zhì)條件良好，錨桿安裝作業(yè)并不構(gòu)成采煤作業(yè)的“瓶頸”。為了阻止頂板巖層的局部冒落，一些煤礦安裝了嚴(yán)格的頂板巖層監(jiān)控系統(tǒng)。大部分煤礦采用了房柱式開采方式，長壁工作面所占的比重不足10%。
3.4 英國
英格蘭剩下的17座井工礦和蘇格蘭的Castlebridge煤礦均采用頂板錨桿作為長壁工作面的主要支護(hù)方式。英國幾乎不采用房柱式開采方式，由于開采深度大，長壁工作面采用單巷掘進(jìn)，各工作面之間留有足夠?qū)挼拿褐?。開采深度在700～1 200m的煤巷的頂板錨桿安裝密度比大部分其它西部井工礦大，一般每掘進(jìn)2.4m安裝7～12根頂板錨桿，沿每側(cè)煤壁每隔1.8m安裝2～3根錨桿。
3.5 俄羅斯
俄羅斯煤炭工業(yè)正在發(fā)生重大改革和重組，一些虧損的煤礦被迫關(guān)閉。俄羅斯目前約有200座井工礦，全部采用單巷長壁開采系統(tǒng)。西伯利亞庫茲巴斯礦區(qū)的一些煤礦采用頂板錨桿（點(diǎn)固錨桿或點(diǎn)固樹脂錨桿）支護(hù)形式，錨桿長度1.6～1.8m，承載能力6～8t。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，這種支護(hù)系統(tǒng)將不斷得到完善。但由于缺乏資金，對(duì)現(xiàn)代化錨桿支護(hù)設(shè)備的維護(hù)和改進(jìn)工作進(jìn)展非常緩慢。
3.6 波蘭
盡管波蘭是世界第4大井工礦煤炭生產(chǎn)國（年產(chǎn)量約120Mt，位居中國、美國和獨(dú)聯(lián)體之后），但是波蘭沒有一個(gè)煤礦將錨桿支護(hù)用作永久頂板支護(hù)技術(shù)。所有井工礦采用被動(dòng)受力的鋼型（U型鋼）支架。隨著高產(chǎn)高效長壁工作面的采用，工作面端頭的U型鋼支架的緩慢拆除速度和緩慢、昂貴的采區(qū)煤巷掘進(jìn)速度嚴(yán)重阻礙了工作面的回采速度。
由于缺乏操作經(jīng)驗(yàn)、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地質(zhì)條件差（盡管其它國家在相同地質(zhì)條件下取得了錨桿支護(hù)作業(yè)的成功），波蘭向錨桿支護(hù)技術(shù)的轉(zhuǎn)變過程最緩慢。為了獲得最大的煤炭回采率，采區(qū)巷道需要重復(fù)使用，這導(dǎo)致了頂板支護(hù)條件惡劣，不利于巷道快速掘進(jìn)和工作面快速回采。
3.7 印度
印度井工礦年產(chǎn)煤炭80Mt，其中90%來自非機(jī)械化和半機(jī)械化（鉆眼、爆破和采用側(cè)卸式裝載機(jī)裝載）房柱式開采工作面。大多數(shù)井工礦采用錨桿支護(hù)方式，采用點(diǎn)固錨桿或承載能力為6～8t的水泥錨桿。目前一些井工礦對(duì)連續(xù)采煤機(jī)和全部機(jī)械化房柱式開采系統(tǒng)感興趣，可能2000年這樣一套系統(tǒng)將進(jìn)行安裝。同時(shí)全脂錨桿也將得到使用。
3.8 中國
作為世界上最大的井工礦煤炭生產(chǎn)國，中國采用了各種各樣的頂板支護(hù)技術(shù)，從梯形支架到U型鋼支架、鋼梁，其中大多數(shù)主要煤礦采用了錨桿支護(hù)技術(shù)。全部機(jī)械化頂板錨桿安裝技術(shù)（采用位置變換系統(tǒng)并使用移動(dòng)式錨桿機(jī)）在神華集團(tuán)所屬的礦井得到了使用。目前中國有9臺(tái)移動(dòng)式錨桿安裝機(jī)，預(yù)計(jì)將來會(huì)逐漸增加。中國大部分煤礦使用手持鉆機(jī)安裝錨桿。
4 錨桿安裝新技術(shù)
目前世界上主要的井工礦煤炭公司要求更快的采區(qū)巷道掘進(jìn)速度和更多的房柱式開采煤礦。最直接的解決辦法是縮短錨桿安裝時(shí)間，因此許多錨桿生產(chǎn)商尋求可靠的自動(dòng)化工藝來實(shí)現(xiàn)此目的。對(duì)自動(dòng)供給、錨桿旋轉(zhuǎn)、樹脂注入、特殊錨桿和一系列頂板錨桿鉆機(jī)（從氣動(dòng)式到液壓式）進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。Joy、Fletcher和Hydramatic公司研制的新型多鉆機(jī)錨桿機(jī)目前已投入市場(chǎng)。下面介紹一下久益公司研制的新型移動(dòng)式多鉆機(jī)錨桿安裝機(jī)（見圖1和圖2）。
圖1 多鉆機(jī)錨桿鉆機(jī)結(jié)構(gòu)圖
該錨桿機(jī)安裝有多臺(tái)鉆機(jī)、平臺(tái)式設(shè)計(jì)、可移動(dòng)，主要用于“位置變換”法連續(xù)采煤機(jī)采煤工作面。該錨桿機(jī)取消了搖臂和許多其他活動(dòng)元件。寬大的敞開式平臺(tái)能液壓啟動(dòng)側(cè)面節(jié)流閥，側(cè)面節(jié)流閥降低，從而可創(chuàng)造更大的作業(yè)空間。
“豆莢”形物料箱可儲(chǔ)存5t重的消耗材料（300根頂板錨桿、150根煤壁錨桿及其相應(yīng)的樹脂和托盤），且物料箱易于運(yùn)輸和卸載。連續(xù)采煤機(jī)履帶裝置利用油箱供油，油箱放在履帶和底層的錨桿安裝平臺(tái)之間。
圖2 多鉆機(jī)錨桿機(jī)前視圖（鉆車上安裝有4臺(tái)鉆機(jī)，兩側(cè)的2臺(tái)鉆機(jī)固定在延伸著的滑桿上）
根據(jù)不同的型號(hào)，錨桿機(jī)前部安裝有2～6臺(tái)JOY“HFX”型鉆機(jī)，該鉆機(jī)采用“HD
R”型電機(jī)。平臺(tái)內(nèi)的鉆機(jī)可向兩側(cè)偏斜10°的傾角，向前方傾斜4° 。平臺(tái)外的鉆機(jī)可
向兩側(cè)滑動(dòng)，覆蓋更大的作業(yè)空間，以滿足垂直錨桿安裝作業(yè)的要求;同時(shí)可傾斜105°，以利于靈活安裝煤壁錨桿。
錨桿機(jī)上安裝有兩根先進(jìn)的圓柱形臨時(shí)頂板支架，操作時(shí)先將這兩根支架固定在底板上，然后再固定在頂板上。這兩根支架可提供2×10t的承載能力。另外，每臺(tái)鉆機(jī)的千斤頂可提供5t的承載能力。
久益公司研制的第一臺(tái)多鉆機(jī)錨桿機(jī)于1998年在澳大利亞殼牌公司的Capcoal Central煤礦使用。該錨桿機(jī)于225分鐘內(nèi)安裝了304根1.8m長的錨桿。該礦采區(qū)巷道寬5.2m，高2.6m，每隔1米安裝4根全酯錨桿。使用該錨桿機(jī)平均每班可安裝400根錨桿。久益公司的第二臺(tái)多鉆機(jī)錨桿機(jī)于1999年2月用于美國猶他州阿科煤炭公司所屬的Suf
co煤礦。2名操作人員使用該錨桿機(jī)于200分鐘內(nèi)安裝了304根頂板錨桿。巷道寬6m，高3m。采用1.5m長的全酯錨桿，錨桿安裝形式為1.5m×1.5m。
(《Werld Coal》,1999,N05,44～4)李孝尚譯 本刊校)
