李正甲，羅松元，王海云，代雙成，袁小浩

(北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013)

0 引言

現(xiàn)階段，我國(guó)礦井采用壁式體系采煤法，開(kāi)采過(guò)程中出于安全角度考慮留設(shè)安全煤柱，起到類似于隔離帶和承重墻的作用[1-3]。很多煤炭企業(yè)對(duì)留設(shè)的煤柱不進(jìn)行回收，造成了煤炭資源巨大的浪費(fèi)，煤柱損失已是礦井生產(chǎn)中丟煤的主要部分。除此之外，丟棄的煤柱還容易引起自然發(fā)火，甚至在有些煤層中由于煤柱遭受強(qiáng)大的集中壓應(yīng)力，形成沖擊地壓而釀成動(dòng)力災(zāi)害。目前，尚無(wú)計(jì)算合理煤柱尺寸的可靠方法，主要依靠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定。隨著科技進(jìn)步、各種采礦儀器發(fā)展及回采經(jīng)驗(yàn)的豐富，發(fā)現(xiàn)礦井及采區(qū)規(guī)劃中，出于安全角度考慮留設(shè)的煤柱尺寸往往較大，造成煤炭資源的大量浪費(fèi)[4-7]，因此研究安全的煤柱的回收技術(shù)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

納林廟煤礦二號(hào)井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯境內(nèi)，主采煤層為6-2煤，平均埋深190 m，平均煤厚5.5 m，屬近淺埋煤層一次采全高綜合機(jī)械化采煤。礦井核準(zhǔn)生產(chǎn)能力為500萬(wàn)t/a。目前礦井僅剩余6-2110工作面和6-2116工作面，礦井剩余服務(wù)年限約為2 a。開(kāi)采過(guò)程中存在工作面上下端頭架后懸頂及局部瓦斯積聚隱患，施工大孔徑鉆孔一是有利于頂板及時(shí)垮落、有效降低上下端頭架后懸頂?shù)默F(xiàn)象；二是回收部分煤柱，增加工作面煤炭產(chǎn)量。同時(shí)，螺旋鉆設(shè)備應(yīng)用成功后不但可以用于納林廟二礦其它工作面煤柱及邊角煤的回收，也可以推廣到其他同類地質(zhì)條件下的礦井。

1 工程背景

以納林廟煤礦二號(hào)井6-2110綜采工作面為工程背景，該工作面東鄰6-2109采空區(qū)，西鄰6-2111采空區(qū)，南鄰6-2煤層井田邊界，北鄰6-2煤層西翼輔運(yùn)大巷，上部為4-2煤層(間距75 m)，為孤島工作面?；夭晒に囀谴蟛筛呔C合機(jī)械化回采一次采全高，截深為0.8 m。上覆巖層直接頂為細(xì)粒砂巖，厚度為2.75～25.06 m，較堅(jiān)硬遇水軟化；基本頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為13.4～17.56 m；固結(jié)性較差，較軟；直接底為泥巖，厚度0～4.53 m，硬度低，遇水膨脹變軟；基本底為細(xì)粒砂巖，厚度為5.87～7.8 m，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，較堅(jiān)硬。工作面回采煤層為6-2煤，煤層情況見(jiàn)表1。

表1 煤層情況表

輔運(yùn)順槽沿煤層底板布置，鄰近6-2111主運(yùn)順槽，間距25 m。巷道采用矩形斷面，凈寬5 500 mm，凈高3 800 mm，斷面積20.9 m2，采幫采用塑鋼網(wǎng)-玻璃鋼錨桿支護(hù)，非采幫采用菱形金屬網(wǎng)-金屬錨桿支護(hù)。主運(yùn)順槽沿煤層底板布置。巷道采用矩形斷面，凈寬5 800 mm，凈高3 800 mm，斷面面積為22.04 m2，采幫采用塑鋼網(wǎng)-玻璃鋼錨桿支護(hù)，非采幫采用菱形金屬網(wǎng)-金屬錨桿支護(hù)。

2 工作原理

綜采工作面螺旋鉆機(jī)回收煤柱設(shè)備是指在利用井下綜采工作面現(xiàn)有生產(chǎn)及運(yùn)煤系統(tǒng)，為回收工作面兩巷安全煤柱而進(jìn)行研制加工的一套螺旋鉆機(jī)裝置。其工作原理是利用安裝在滑移支架的電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)減速經(jīng)由連接止推裝置，動(dòng)力輸出到鉆桿，在鉆桿上焊有螺旋渦式葉片和特制鉆頭，由工作面液壓系統(tǒng)供液的油缸提供水平推力，進(jìn)而鉆入煤柱形成圓形孔洞[8-10]。接著利用鉆桿上的螺旋式葉片，煤柱被鉆頭破碎后隨鉆桿旋轉(zhuǎn)采出。鉆機(jī)推入煤壁一節(jié)鉆桿后，停止主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，接入下一節(jié)鉆桿繼續(xù)采煤，直至預(yù)定設(shè)計(jì)的深度。采出的煤落在鋪設(shè)特制加工的窄皮帶中，皮帶與工作面煤流系統(tǒng)搭接，直接將煤運(yùn)出。采空后的圓形空洞結(jié)構(gòu)對(duì)煤柱的支護(hù)作用短時(shí)間內(nèi)不會(huì)造成破壞，壓力顯現(xiàn)不明顯，對(duì)工作面及兩巷的支護(hù)沒(méi)有明顯影響。該工藝最大特點(diǎn)是僅在巷道中用螺旋鉆機(jī)即可將巷道兩側(cè)煤壁的煤采出，工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投入少，安全性高。螺旋鉆機(jī)實(shí)物如圖1所示。

圖1 螺旋鉆機(jī)實(shí)物圖

回收煤柱的方法完全不同于常規(guī)回收煤柱方法，而是在綜采工作面正?；夭蓵r(shí)，利用安裝在工作面兩側(cè)的螺旋鉆機(jī)對(duì)工作面兩側(cè)巷道的安全煤柱進(jìn)行回收。經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外煤炭行業(yè)及相關(guān)企業(yè)調(diào)研，未發(fā)現(xiàn)有煤礦企業(yè)使用與綜采工作面平行配合作業(yè)的對(duì)安全煤柱進(jìn)行回收的螺旋鉆機(jī)裝置。

3 設(shè)計(jì)與技術(shù)方案

3.1 設(shè)備介紹

設(shè)備組成：回收煤柱螺旋鉆設(shè)備由主機(jī)設(shè)備、推移裝置、運(yùn)煤裝置和自移裝置等幾部分組成。主機(jī)設(shè)備為螺旋鉆機(jī)提供動(dòng)力；推移裝置用來(lái)完成鉆機(jī)的支撐固定、縱向進(jìn)鉆動(dòng)作和橫向位移換位動(dòng)作；運(yùn)煤裝置用來(lái)完成鉆機(jī)落煤到工作面運(yùn)輸機(jī)的裝載；自移裝置用來(lái)完成鉆桿的自移換裝和存放；通過(guò)各個(gè)機(jī)械裝置相互配合實(shí)現(xiàn)螺旋鉆機(jī)鉆采。

主機(jī)設(shè)備：螺旋鉆機(jī)回收煤柱設(shè)備的主機(jī)設(shè)備主要由動(dòng)力部、連接止推裝置、旋挖裝置等組成。動(dòng)力部是設(shè)備動(dòng)力輸出的來(lái)源，基于鉆機(jī)動(dòng)力低轉(zhuǎn)速、大扭矩的特點(diǎn)，采用SGW-40T刮板輸送機(jī)的動(dòng)力部，主要由DSB-40型異步電動(dòng)機(jī)、線矩摩擦離合器、JS-40型減速機(jī)組成。電動(dòng)機(jī)功率為40 kW，減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速60.2 r/min，輸出扭矩6 340 N·m，由線矩摩擦離合器提供限矩起動(dòng)和過(guò)載保護(hù)，能夠較好的滿足使用要求。鉆桿的推進(jìn)和扭矩傳遞為專門設(shè)計(jì)的連接止推裝置，由止推板、軸承、軸承座和連接筒等部件組成，采用進(jìn)口推力軸承，裝置側(cè)面加裝加強(qiáng)筋板，是保障旋挖裝置推進(jìn)和退出的關(guān)鍵部件，保證了連接強(qiáng)度及使用壽命。該裝置自行設(shè)計(jì)，自行購(gòu)置原件在車間加工制成。旋挖裝置由旋挖頭和若干節(jié)螺旋鉆桿組成，采用制式快速接頭進(jìn)行連接，該裝置經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)定型論證后委托外單位加工。

推移裝置：螺旋鉆機(jī)推移裝置主要由油缸、滑移架和控制閥組組成。為適應(yīng)2 m長(zhǎng)鉆桿的推進(jìn)行程要求，兩側(cè)4條固定油缸在機(jī)組定位后支撐到兩幫，用液壓油缸伸縮控制主機(jī)設(shè)備推移，機(jī)組油缸動(dòng)力采用綜采液壓系統(tǒng)供液，工作壓力為24 MPa，可達(dá)到在較小的安裝空間內(nèi)有較大行程的目的。其中縱向推進(jìn)油缸根據(jù)鉆桿長(zhǎng)度與油缸廠家定制加工，滑移架和控制閥組自行加工制作。

運(yùn)煤裝置：用來(lái)完成鉆機(jī)落煤到工作面運(yùn)輸機(jī)的裝載，自行加工改裝的1.4 m可伸縮窄皮帶。一端布置在鉆眼下部輔運(yùn)順槽另一端，與工作面運(yùn)輸機(jī)機(jī)尾部位平行搭接；主運(yùn)順槽另一端布置在膠帶輸送機(jī)上方，鉆采的煤炭資源支架進(jìn)入工作面煤流系統(tǒng)。

自移裝置：鉆桿自移裝置由滑移軌道、托架、限位裝置等組成，鉆桿對(duì)接方式為滑道直推手動(dòng)對(duì)接，可避免吊裝設(shè)備布置的繁瑣，可達(dá)到輕松對(duì)接的目的，其主要部件自行設(shè)計(jì)加工。

3.2 工藝設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)原則：綜采工作面螺旋鉆回收煤柱工藝綜合機(jī)械化采煤工藝部分不發(fā)生改變，仍然是采煤機(jī)截割破煤、刮板運(yùn)輸機(jī)裝煤運(yùn)煤、液壓支架支護(hù)頂板(工作面兩端頭采用端頭架、超前支護(hù)段采用單體液壓支柱支護(hù))，以全部垮落法處理采空區(qū)。螺旋鉆機(jī)鉆采工藝?yán)寐菪@頭破煤，自帶螺紋的鉆桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)煤；運(yùn)出鉆眼后進(jìn)入改裝后的窄皮帶運(yùn)至工作面煤流系統(tǒng)(輔運(yùn)順槽運(yùn)煤至運(yùn)輸機(jī)機(jī)尾、主運(yùn)順槽運(yùn)至膠帶輸送機(jī)內(nèi))；對(duì)于鉆眼的支護(hù)及鉆采過(guò)后鉆眼的處理由工作面設(shè)計(jì)方案理論分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)情況確定。

工作時(shí)間：工作面正常回采時(shí)，當(dāng)采煤機(jī)遠(yuǎn)離機(jī)尾向機(jī)頭方向割煤，崗位工施工機(jī)尾螺旋鉆鉆眼，大約需25 min；當(dāng)采煤機(jī)遠(yuǎn)離機(jī)頭向機(jī)尾方向割煤時(shí)，崗位工施工機(jī)頭螺旋鉆鉆眼，大約需25 min。采煤機(jī)由機(jī)頭向機(jī)尾和由機(jī)尾向機(jī)頭方向割煤都需至少1 h，螺旋鉆機(jī)鉆采工藝和綜采工藝互不干擾。

支護(hù)狀態(tài)：由于主輔運(yùn)非采幫煤柱均采用菱形金屬網(wǎng)-金屬錨桿支護(hù)，鉆采前均需要先剪斷菱形金屬網(wǎng)再用螺旋鉆機(jī)鉆采，鉆采后將菱形金屬網(wǎng)用鐵絲縫補(bǔ)完整?；夭蓵r(shí)遇巷道煤壁片幫嚴(yán)重、頂板破碎等其他礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象時(shí)，采取適當(dāng)增加鉆眼間距、加強(qiáng)鉆眼處支護(hù)(補(bǔ)打單體液壓支柱)、增加工作面推進(jìn)速度等措施。生產(chǎn)過(guò)程中，隨時(shí)對(duì)超前支護(hù)段頂板狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

設(shè)備布置：螺旋鉆機(jī)設(shè)備橫截面為1.5 m2，設(shè)備布置斷面小于轉(zhuǎn)載機(jī)上的破碎機(jī)斷面，對(duì)通風(fēng)、行人及運(yùn)輸均無(wú)影響。

3.3 技術(shù)方案

主輔運(yùn)順槽螺旋鉆布置：根據(jù)薄煤層螺旋鉆采煤法回采經(jīng)驗(yàn)(留設(shè)煤柱方案)，結(jié)合綜采工作面螺旋鉆回收煤柱地質(zhì)條件、巷道布置方式和支護(hù)形式、工作面主輔運(yùn)順槽內(nèi)設(shè)備布置特點(diǎn)等，進(jìn)行主、輔運(yùn)順槽螺旋鉆設(shè)備布置，如圖2所示。

圖2 主、輔運(yùn)順槽螺旋鉆布置圖

鉆眼布置：輔運(yùn)順槽螺旋鉆布置在運(yùn)輸機(jī)機(jī)尾上方，每米可施工上下2個(gè)鉆眼，有效解決架后懸頂，并回收部分煤柱資源，直接進(jìn)入工作面煤流系統(tǒng)。輔運(yùn)順槽在距硬化路面約2 m位置處鉆眼，鉆眼直徑0.6 m，兩鉆眼中心距為1 m，深度為6 m(可施工到10 m)，兩鉆眼間留有0.4 m煤柱。主運(yùn)順槽螺旋鉆布置方式和輔運(yùn)基本相同，回收的煤柱資源直接進(jìn)入工作面轉(zhuǎn)載機(jī)，鉆眼布置圖如圖3所示。

圖3 鉆眼布置圖

4 結(jié)論

(1)利用井下綜采工作面現(xiàn)有生產(chǎn)及運(yùn)煤系統(tǒng)，研發(fā)出回收工作面兩巷安全煤柱的一套包含主機(jī)設(shè)備、推移裝置、運(yùn)煤裝置和自移裝置等幾部分組成的螺旋鉆機(jī)設(shè)備，通過(guò)各個(gè)機(jī)械裝置相互配合可以實(shí)現(xiàn)螺旋鉆機(jī)鉆采。

(2)以納林廟煤礦二號(hào)井6-2110綜采工作面為工程背景，針對(duì)此工作面的情況試研究了一種螺旋鉆機(jī)回收煤柱技術(shù)方案，對(duì)于設(shè)備和鉆眼布置方案給予初步確定，綜采與螺旋鉆機(jī)鉆采雙工藝相互銜接配合、平行作業(yè)，可有效解決工作面上下端頭架后懸頂?shù)陌踩珕?wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面安全煤柱的同步回收。

(3)進(jìn)行煤柱設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮其穩(wěn)定性和破壞方式，在薄煤層螺旋鉆采煤留設(shè)煤柱經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，下一階段有必要對(duì)綜采工作面螺旋鉆回收煤柱工藝留設(shè)煤柱的技術(shù)方案進(jìn)行探究。