薄煤层螺旋钻机开采工艺的研究

杨 飞

（山西乡宁焦煤集团燕家河煤业有限公司， 山西 乡宁 042100）

0 引言

我国煤炭储量丰富，在多年煤炭开采的基础上，开采技术和工艺也得到不断提升。目前，我国煤炭开采主要针对中厚以上的优势煤层，对于煤层厚度小于1.3 m 的薄煤层的开采相对较少。提升薄煤层的开采效率，对于增加煤矿的服务年限、减少煤炭资源的浪费问题具有重要意义。对于薄煤层而言，主要采用方式为螺旋钻机。但是，针对此种采煤工艺的研究还相对较少。其中，螺旋钻机开采工艺参数中的钻采宽度、隔离煤柱宽度等指标对开采效率和工作面稳定性的影响十分重要[1-2]。因此，本文将针对薄煤层综采工作面对其开采工艺展开研究。

1 螺旋钻机概述

螺旋钻机是采煤机的一种，其通过电机带动左、右两侧的钻杆进行旋转，从而实现对工作面煤层的截割，其尤其适用于对薄煤层综采工作面的生产[3]。一般的螺旋钻机结构，如图1 所示。

图1 螺旋钻机结构总装示意图（单位：mm）

基于螺旋钻机对工作面煤层开采原理如图2 所示。

图2 螺旋钻机煤层开采原理

由图2 可知，螺旋钻机的钻头对煤层进行纵向推进，所截割的煤炭通过螺旋钻杆特殊的结构运出，并在与其配套刮板输送机的作用下将所截割煤炭运输下转运机，继而运输至地面。目前，随着对螺旋钻机技术的更替和发展，该设备已经由从前的单轴发展为当前的三轴形式。本文所具体研究的螺旋钻机的型号为ZMY550/165，重点对该型螺旋钻机在实际应用的关键采煤工艺参数进行确定。

2 螺旋钻机开采工艺参数的确定

针对薄煤层的开采，可以在工作面布置一台或者多台螺旋钻机进行施工。因此，对于螺旋钻机开采工艺参数而言，其不仅与工作面所布置的螺旋钻机的数量、布置方式相关，而且与工作面巷道的数量、开采顺序等相关。其中，螺旋钻机以开采单巷道和双巷道的形式进行布置。针对单巷道布置的螺旋钻机，其数量可以布置单台或者双台，并确保每台螺旋钻机的开采方式包括前进式开采和后退式开采两种。

目前螺旋钻机在实际开采中常采用的钻采方式主要为单孔钻采，该种钻采方式存在设备调度频繁从而导致开采效率低的问题。为了解决单孔钻采的问题，当在综采工作面地质条件允许的情况下，可以采用连续多孔的方式对煤层进行开采。而采用连续多孔开采方式的核心为，确定钻采宽度和煤柱宽度两项开采的关键参数。因此，本小节将重点对薄煤层螺旋钻机开采工艺中的钻采宽度和煤柱宽度参数进行研究。

2.1 钻采宽度参数确定

钻采宽度参数的确定与工作面煤层开采后所留设的煤柱对顶板岩层的支撑效果相关。因此，可将工作面顶板简化为简支梁和固定梁，对钻采宽度进行估算，结果如表1 所示。

表1 薄煤层螺旋钻机钻采宽度估算值

结合表1 中对钻采宽度的估算结果，当将顶板简化为简支梁时，钻采宽度大于9.32 m 后即会影响开采的安全性；而当顶板简化为固定梁时，钻采宽度大于11.51 m 时会影响后续开采的安全性。因此，该工作面钻采宽度最大设定为9.32 m，圆整为9 m。

2.2 煤柱宽度参数的确定

薄煤层螺旋钻机开采煤柱宽度参数与工作面顶板覆岩的容重、煤柱的抗压强度以及工作面的深度等相关。从理论上讲，所开采工作面煤层的强度值越大（煤层强度＜3），其对应的煤柱宽度越小，最终得到更高的煤炭回收率。但是，当工作面煤层强度较小时，即对应煤层较软，应该设计较大的煤柱宽度，此时需要对工作面顶板进行有效控制，从而达到提高煤矿回采率的效果[4]。

对于薄煤层钻机开采煤柱宽度而言，一般将该项参数值设定在2 m 左右。在上述理论基础上，针对煤柱宽度参数，本节通过数值模拟方式进行综合确定[5]。

2.2.1 数值模拟模型的建立

本节所研究薄煤层工作面具体煤层的平均厚度为1 m，煤层的埋藏深度为53 m，其平均倾角为5°。根据该煤层的地质、煤层等参数，包括容重、抗拉强度、体积模量等建立数值模拟仿真模型，如图3 所示。

图3 数值模拟仿真模型

由图3 可知，所建立模型的宽度为4m、高度为4m。为保证数值模拟仿真结果的准确性，同时减少仿真计算工作量，将模型划分为1 187 840 个单元格。

2.2.2 数值模拟仿真方案及结果分析

在前期理论研究分析的基础上，对钻采宽度为9 m，分别对煤柱宽度为1.5 m、2.0 m 和2.5 m 三种情况下综采工作面的应力场情况进行对比，从而得出最佳的煤柱宽度值。

不同煤柱宽度对应工作面的应力情况仿真结果如表2 所示。

表2 不同煤柱宽度对应工作面的应力情况

由表2 可知，随着煤柱宽度减小，工作面采场的最大应力值增大，应力集中系数也增大。也就是说，煤柱宽度越小，其对应的稳定性越差，对工作面的顶板支护要求性越高。但是，考虑到煤柱宽度设计过大容易导致煤炭资源浪费。因此，综合考虑工作面的稳定性和煤炭资源的回收率，将煤柱宽度设定为2 m。

3 结论

1）通过将顶板简化为简支梁和固定梁的两种计算方式，为了保证综采工作面的安全生产，对应钻采宽度不得大于9.32 m。因此，最终确定钻采宽度为9 m。

2）对于煤柱宽度而言，采用数值模拟仿真手段，综合考虑不同煤柱宽度对应采场的应力变化和煤炭回收率的问题，最终确定煤柱宽度为2 m。