薄煤層螺旋鉆機開采工藝的研究

楊 飛

（山西鄉寧焦煤集團燕家河煤業有限公司， 山西 鄉寧 042100）

0 引言

我國煤炭儲量豐富，在多年煤炭開采的基礎上，開采技術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中的鉆采寬度、隔離煤柱寬度等指標對開采效率和工作面穩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、右兩側的鉆桿進行旋轉，從而實現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[3]。一般的螺旋鉆機結構，如圖1 所示。

圖1 螺旋鉆機結構總裝示意圖（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行縱向推進，所截割的煤炭通過螺旋鉆桿特殊的結構運出，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運機，繼而運輸至地面。目前，隨著對螺旋鉆機技術的更替和發展，該設備已經由從前的單軸發展為當前的三軸形式。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用的關鍵采煤工藝參數進行確定。

2 螺旋鉆機開采工藝參數的確定

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行施工。因此，對于螺旋鉆機開采工藝參數而言，其不僅與工作面所布置的螺旋鉆機的數量、布置方式相關，而且與工作面巷道的數量、開采順序等相關。其中，螺旋鉆機以開采單巷道和雙巷道的形式進行布置。針對單巷道布置的螺旋鉆機，其數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備調度頻繁從而導致開采效率低的問題。為了解決單孔鉆采的問題，當在綜采工作面地質條件允許的情況下，可以采用連續多孔的方式對煤層進行開采。而采用連續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鍵參數。因此，本小節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進行研究。

2.1 鉆采寬度參數確定

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

表1 薄煤層螺旋鉆機鉆采寬度估算值

結合表1 中對鉆采寬度的估算結果，當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；而當頂板簡化為固定梁時，鉆采寬度大于11.51 m 時會影響后續開采的安全性。因此，該工作面鉆采寬度最大設定為9.32 m，圓整為9 m。

2.2 煤柱寬度參數的確定

薄煤層螺旋鉆機開采煤柱寬度參數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。從理論上講，所開采工作面煤層的強度值越大（煤層強度＜3），其對應的煤柱寬度越小，最終得到更高的煤炭回收率。但是，當工作面煤層強度較小時，即對應煤層較軟，應該設計較大的煤柱寬度，此時需要對工作面頂板進行有效控制，從而達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，一般將該項參數值設定在2 m 左右。在上述理論基礎上，針對煤柱寬度參數，本節通過數值模擬方式進行綜合確定[5]。

2.2.1 數值模擬模型的建立

本節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°。根據該煤層的地質、煤層等參數，包括容重、抗拉強度、體積模量等建立數值模擬仿真模型，如圖3 所示。

圖3 數值模擬仿真模型

由圖3 可知，所建立模型的寬度為4m、高度為4m。為保證數值模擬仿真結果的準確性，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 數值模擬仿真方案及結果分析

在前期理論研究分析的基礎上，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力場情況進行對比，從而得出最佳的煤柱寬度值。

不同煤柱寬度對應工作面的應力情況仿真結果如表2 所示。

表2 不同煤柱寬度對應工作面的應力情況

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

3 結論

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，對應鉆采寬度不得大于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，采用數值模擬仿真手段，綜合考慮不同煤柱寬度對應采場的應力變化和煤炭回收率的問題，最終確定煤柱寬度為2 m。