薄煤層螺旋鉆機開采工藝的研究

楊 飛

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)燕家河煤業(yè)有限公司， 山西 鄉(xiāng)寧 042100）

0 引言

我國煤炭儲量豐富，在多年煤炭開采的基礎(chǔ)上，開采技術(shù)和工藝也得到不斷提升。目前，我國煤炭開采主要針對中厚以上的優(yōu)勢煤層，對于煤層厚度小于1.3 m 的薄煤層的開采相對較少。提升薄煤層的開采效率，對于增加煤礦的服務(wù)年限、減少煤炭資源的浪費問題具有重要意義。對于薄煤層而言，主要采用方式為螺旋鉆機。但是，針對此種采煤工藝的研究還相對較少。其中，螺旋鉆機開采工藝參數(shù)中的鉆采寬度、隔離煤柱寬度等指標(biāo)對開采效率和工作面穩(wěn)定性的影響十分重要[1-2]。因此，本文將針對薄煤層綜采工作面對其開采工藝展開研究。

1 螺旋鉆機概述

螺旋鉆機是采煤機的一種，其通過電機帶動左、右兩側(cè)的鉆桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對工作面煤層的截割，其尤其適用于對薄煤層綜采工作面的生產(chǎn)[3]。一般的螺旋鉆機結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 螺旋鉆機結(jié)構(gòu)總裝示意圖（單位：mm）

基于螺旋鉆機對工作面煤層開采原理如圖2 所示。

圖2 螺旋鉆機煤層開采原理

由圖2 可知，螺旋鉆機的鉆頭對煤層進(jìn)行縱向推進(jìn)，所截割的煤炭通過螺旋鉆桿特殊的結(jié)構(gòu)運出，并在與其配套刮板輸送機的作用下將所截割煤炭運輸下轉(zhuǎn)運機，繼而運輸至地面。目前，隨著對螺旋鉆機技術(shù)的更替和發(fā)展，該設(shè)備已經(jīng)由從前的單軸發(fā)展為當(dāng)前的三軸形式。本文所具體研究的螺旋鉆機的型號為ZMY550/165，重點對該型螺旋鉆機在實際應(yīng)用的關(guān)鍵采煤工藝參數(shù)進(jìn)行確定。

2 螺旋鉆機開采工藝參數(shù)的確定

針對薄煤層的開采，可以在工作面布置一臺或者多臺螺旋鉆機進(jìn)行施工。因此，對于螺旋鉆機開采工藝參數(shù)而言，其不僅與工作面所布置的螺旋鉆機的數(shù)量、布置方式相關(guān)，而且與工作面巷道的數(shù)量、開采順序等相關(guān)。其中，螺旋鉆機以開采單巷道和雙巷道的形式進(jìn)行布置。針對單巷道布置的螺旋鉆機，其數(shù)量可以布置單臺或者雙臺，并確保每臺螺旋鉆機的開采方式包括前進(jìn)式開采和后退式開采兩種。

目前螺旋鉆機在實際開采中常采用的鉆采方式主要為單孔鉆采，該種鉆采方式存在設(shè)備調(diào)度頻繁從而導(dǎo)致開采效率低的問題。為了解決單孔鉆采的問題，當(dāng)在綜采工作面地質(zhì)條件允許的情況下，可以采用連續(xù)多孔的方式對煤層進(jìn)行開采。而采用連續(xù)多孔開采方式的核心為，確定鉆采寬度和煤柱寬度兩項開采的關(guān)鍵參數(shù)。因此，本小節(jié)將重點對薄煤層螺旋鉆機開采工藝中的鉆采寬度和煤柱寬度參數(shù)進(jìn)行研究。

2.1 鉆采寬度參數(shù)確定

鉆采寬度參數(shù)的確定與工作面煤層開采后所留設(shè)的煤柱對頂板巖層的支撐效果相關(guān)。因此，可將工作面頂板簡化為簡支梁和固定梁，對鉆采寬度進(jìn)行估算，結(jié)果如表1 所示。

表1 薄煤層螺旋鉆機鉆采寬度估算值

結(jié)合表1 中對鉆采寬度的估算結(jié)果，當(dāng)將頂板簡化為簡支梁時，鉆采寬度大于9.32 m 后即會影響開采的安全性；而當(dāng)頂板簡化為固定梁時，鉆采寬度大于11.51 m 時會影響后續(xù)開采的安全性。因此，該工作面鉆采寬度最大設(shè)定為9.32 m，圓整為9 m。

2.2 煤柱寬度參數(shù)的確定

薄煤層螺旋鉆機開采煤柱寬度參數(shù)與工作面頂板覆巖的容重、煤柱的抗壓強度以及工作面的深度等相關(guān)。從理論上講，所開采工作面煤層的強度值越大（煤層強度＜3），其對應(yīng)的煤柱寬度越小，最終得到更高的煤炭回收率。但是，當(dāng)工作面煤層強度較小時，即對應(yīng)煤層較軟，應(yīng)該設(shè)計較大的煤柱寬度，此時需要對工作面頂板進(jìn)行有效控制，從而達(dá)到提高煤礦回采率的效果[4]。

對于薄煤層鉆機開采煤柱寬度而言，一般將該項參數(shù)值設(shè)定在2 m 左右。在上述理論基礎(chǔ)上，針對煤柱寬度參數(shù)，本節(jié)通過數(shù)值模擬方式進(jìn)行綜合確定[5]。

2.2.1 數(shù)值模擬模型的建立

本節(jié)所研究薄煤層工作面具體煤層的平均厚度為1 m，煤層的埋藏深度為53 m，其平均傾角為5°。根據(jù)該煤層的地質(zhì)、煤層等參數(shù)，包括容重、抗拉強度、體積模量等建立數(shù)值模擬仿真模型，如圖3 所示。

圖3 數(shù)值模擬仿真模型

由圖3 可知，所建立模型的寬度為4m、高度為4m。為保證數(shù)值模擬仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時減少仿真計算工作量，將模型劃分為1 187 840 個單元格。

2.2.2 數(shù)值模擬仿真方案及結(jié)果分析

在前期理論研究分析的基礎(chǔ)上，對鉆采寬度為9 m，分別對煤柱寬度為1.5 m、2.0 m 和2.5 m 三種情況下綜采工作面的應(yīng)力場情況進(jìn)行對比，從而得出最佳的煤柱寬度值。

不同煤柱寬度對應(yīng)工作面的應(yīng)力情況仿真結(jié)果如表2 所示。

表2 不同煤柱寬度對應(yīng)工作面的應(yīng)力情況

由表2 可知，隨著煤柱寬度減小，工作面采場的最大應(yīng)力值增大，應(yīng)力集中系數(shù)也增大。也就是說，煤柱寬度越小，其對應(yīng)的穩(wěn)定性越差，對工作面的頂板支護(hù)要求性越高。但是，考慮到煤柱寬度設(shè)計過大容易導(dǎo)致煤炭資源浪費。因此，綜合考慮工作面的穩(wěn)定性和煤炭資源的回收率，將煤柱寬度設(shè)定為2 m。

3 結(jié)論

1）通過將頂板簡化為簡支梁和固定梁的兩種計算方式，為了保證綜采工作面的安全生產(chǎn)，對應(yīng)鉆采寬度不得大于9.32 m。因此，最終確定鉆采寬度為9 m。

2）對于煤柱寬度而言，采用數(shù)值模擬仿真手段，綜合考慮不同煤柱寬度對應(yīng)采場的應(yīng)力變化和煤炭回收率的問題，最終確定煤柱寬度為2 m。