刍议煤矿开采中的螺旋钻采煤技术运用情况及安全措施

摘要:随着采煤技术的不断增加,煤炭开采的地质条件和技术条件也日趋复杂,本文在这介绍了螺旋钻采煤技术在煤矿中极薄煤层的使用情况,对现场开采中的问题进行了分析和处理,积累了成功开采0.7m左右极薄煤层的实践经验,有效地解决了薄及极薄煤层安全开采的问题,提高了资源回收率,对同类条件下极薄煤层开采有一定的指导意义。

关键词:螺旋钻;采煤技术；极薄煤层;无人工作面；技术措施

0引言

近年来,国内外许多产煤国家由于厚及中厚煤层的储量日益枯竭,为提高资源回收率,解决煤厚在0.9m以下的薄煤层不易开采的难题。20世纪70年代开始,原苏联的煤炭科学设计研究院在露天开采的螺旋钻机的基础上,逐步改进研制出能够在井下使用的螺旋钻采煤机。美国在1979年研制出了安捷尔哥劳德―奥盖尔马依涅尔螺旋钻机。这种机械主要是用来开采房柱式采煤中留下的煤柱,也可以用来开采0.9m以下的缓倾斜煤层,它的单向钻进长度达25m。1980年顿涅茨克煤科院等单位共同合作研制出了结构更为合理、性能更完善的БⅢY型螺旋钻机。之后,乌克兰研制出了BSHK-2DM型螺旋钻采煤机组,该机组可用于薄煤层开采,实现了无人工作面采煤,采深可达85m。1998年,徐州矿务局、新汶矿业集团先后从俄罗斯、乌克兰引进螺旋钻采煤机,在井下进行工业性实验,为我国薄煤层开采掀开新的一页。从国内外的运用情况看,螺旋钻采煤机开采薄及极薄煤层是一种行之有效,需要大力推广的一种新技术、新工艺。螺旋钻采煤技术对于提高极薄煤层的可采性和产量,对提高煤炭资源回收率、推迟矿井的衰老期,对我国煤炭生产可持续发展意义重大。

1螺旋钻采煤机概述

1.1主要技术参数

戊8-21010钻采工作面采用MZ264/276型三轴螺旋钻采煤机钻采,该机组可以实现无人工作面独头采煤,适用于无煤与瓦斯突出危险及无自燃倾向的煤层。

MZ264/276型螺旋钻采煤机为三轴联动式,两边轴为可旋转的螺旋钻杆,用于向外排煤,中间轴为不可旋转的通风管道,用于向钻孔内通风、供水。中间钻头通过齿轮传动箱由一侧钻杆提供动力,实现三轴联动钻进。该机一次采宽1.905m,适用于厚度0.6～1.0m的各种硬度薄及极薄煤层。它是布置在巷道中进行采煤。

该机组有以下显著特点:

1)钻头为三轴联动式,钻杆每5节安装一节稳定器,与单钻杆相比,三轴钻杆的刚性、稳定性和定向性好,侧向不易钻偏,钻孔截面大,采煤回收率高。

2)钻杆连接为内卡环式结构,换装钻杆时能实现机械化操作,拆、接钻杆时间短,减少了辅助时间,提高了生产效率。

3)三轴的中间轴为通风管道,沿管道可敷设水管,实现向钻孔内通风及内喷雾降尘降温,提高钻头截齿的使用寿命,安全可靠,可在高瓦斯矿井中使用。

4)钻杆前部装有微调装置,可适用于煤层倾角的起伏变化。

5)底盘安装有稳钻油缸和调斜油缸,可以方便地固定钻机,对煤层的适应性强,在操作台进行集中控制,一人便可操作。

6)钻机、液压泵钻、电控装置等为分体式,在巷道内形成链式布置,对巷道的适应性强。

采煤机的主要技术参数:中间轴钻头直径425mm,两侧钻头直径625mm。钻杆直径480mm,钻头之间的轴距为640mm,采宽1905mm。适应煤层倾角±15°。下山方向采深最大40m,上山方向采深最大80m。钻进速度在切割阻力200kN/m以内时为1.0m/min,钻杆推进采用液压推进,系统额定压力16MPa,钻杆推进速度前进时0～1.0m/min,后退时0～1.7m/min。通风管的直径325m,通风管的通风量3m3/min以上,喷水量30L/min以上,水管喷嘴的压力≥1.5MPa。机组总功率276kW。

1.2设备布置方式

螺旋钻采煤机主机、液压泵站、电控系统、操作台分散布置。该钻采工作面配备设备主要有KBSGZY―500/6型移动变电站、SGW-40T刮板输送机、JH20A牵引绞车、单轨吊等。移动变电站分两路给工作面设备供电,一路选用50mm2橡套电缆(两趟)专供螺旋钻采煤机用,另一路选用35mm2软橡套电缆专供顺槽刮板输送机、牵引绞车、单轨吊电机用电。设备布置方式如图1所示。

图1设备布置图

1.3采煤工艺

工艺过程:钻采检查试运转―固定钻机―钻机定向钻进―接钻杆―到位后退钻杆―移钻机。

螺旋钻采煤机布置在巷道中沿煤层倾向钻采,钻头割煤,螺旋钻杆把煤带出,煤直接落在运输巷的刮板输送机上运出,该机一次采宽1.905m,三轴联动钻杆每节1.5m,钻机钻采一节钻杆深度后,将煤排净,停止主机运转,进行接钻杆。接完后,开机进钻,每4节要接1节带有联接筒(稳定器)的钻杆。钻采到设计深度或遇到断层时,退出钻杆,螺旋钻机整体前移,预留500mm煤柱后,移钻机开始下一循环钻采。钻孔布置图如图2所示。

图2螺旋钻采煤钻孔布置示意图(mm)

螺旋钻采煤法为条带式开采,采宽1.905m,预留煤柱宽0.5m以上,随着螺旋钻采煤机不断前移采煤,随时观测巷道的围岩变形情况,当巷道压力变大,变形严重时,及时加打锚索加强支护,防止冒顶影响钻采工作。采过的钻孔用砖块自煤层底板逐层垒砌至顶板,墙面用水泥抹平、接严密实,砖墙构筑在钻孔口内不超过1m处。

2现场实践及安全技术措施

2.1现场实践情况分析

在螺旋钻采煤机钻采试验过程中遇到了一些影响生产效率的关键问题,进行详细分析。

1)在钻进8～9m(6节钻杆左右)时经常出现钻杆啃底咬顶现象,需要退钻。原因分析:钻杆稳定器安装位置不合理,导致钻杆由于自重而下移啃底。处理方法:将原设计每4节钻杆安装一节带稳定器的钻杆改为第1节钻杆钻进后就安装1节带稳定器的钻杆,第3节钻杆钻进后再安装1节带稳定器的钻杆。通过增加稳定器,提高了钻进深度及回采率。

2)钻杆拆装时间长,劳动强度高。正常钻进1节钻杆时间约为1.5min,退钻时间约为1min,而拆装钻杆时间则需要20～30min,初期每班钻进仅为12～18m。原因分析:钻杆拆下后受自重及孔口高度超高会下移失稳,工人操作不熟练。处理方法:先用葫芦将钻杆吊起,然后再拆钻杆确保钻杆拆下后不下移失稳;在单轨吊上安装电动葫芦,自动吊装钻杆,减轻工人劳动强度。

3)移钻时间长。由于螺旋钻采煤机主机、液压泵站、电控系统、操作台分散布置,每次移钻时间约为4h。原因分析:由于各设备间电缆、管路连接紧密,移动时需要掐接。处理方法:将管路及电缆适当加长(远距离供液、供电),减少移钻次数。建议:采用自移式螺旋钻采煤机,减少移钻时间,提高生产效率。

4)部分钻杆Φ90mm销轴断裂。原因分析:由于地质条件复杂,下行钻进角度加大以及地质构造带的出现,使钻进阻力增大;在钻采过程中二次调整钻机角度容易出现钻杆挠曲变形。建议:更换较好的销轴材料,增强销轴的强度和韧性,适应地质条件变化。

5)煤层厚度大于700mm时应沿煤层底板钻进,否则容易造成钻头快速上翘打到岩石顶板。

6)虽然螺旋钻采煤机截割头上装有煤-岩位移传感器,使螺旋钻头根据煤层倾角和厚度的变化进行上下方向微调,但变化范围较小(0～60mm)。当煤层赋存不稳定时,需要减小钻孔的深度;当钻孔遇到硬度f>6的夹矸、断层或构造带时,钻头钻不动需要停机、撤钻。

2.2安全技术措施

1)钻机开始工作之前,必须认真执行敲帮问顶制度,维护好工作地点顶板,防止片帮掉渣伤人。

2)螺旋钻采煤机司机要严格掌握好钻向,防止钻入顶、底板。

3)钻孔和钻孔之间必须平行,防止钻穿孔。

4)采过的钻孔应及时密封,密封时留探放孔进行瓦斯检测并联网抽放。

5)加强封孔质量,提高孔口支护效果。防止瓦斯从废弃钻孔中大量涌出。

6)加大对操作人员的技术培训力度,提高操作人员的业务技能。

7)要对设备进行定期保养、检修,保证设备的正常运转,减少故障率。

3结语

1)该机组具有相对于其它0.6～1.0m煤层采煤工艺、效率高、安全保障系数高,系统环节少、用人少、掘进率少、设备配置少、材料消耗少等优势。

2)采用单巷开采,不用布置工作面回风巷,降低了巷道掘进率,有利于采掘接续。

3)实现了煤层洁净开采。钻采过程中遇到断层时退出钻杆,减少了矸石采出量,提高了煤质。

4)实现了回采工艺的单一化。开采工艺过程简单,将传统的回采工艺的破、装、运、支、处五大工序合并,由螺旋钻采煤机完成。

5)实现了煤炭开采的车间化。极大地改善了工人的劳动条件和劳动环境,工人不再进入工作面而是在巷道中操作机器,劳动强度小,生产安全。

6)提高了矿井安全程度。实现了无人工作面独头采煤,杜绝了顶板事故;采用局部通风机对钻孔迎头供风,防尘管路,喷雾喷头至迎头,杜绝了瓦斯煤尘的爆炸。

螺旋钻采煤机无人开采技术的试验成功,有效地解决了薄及极薄煤层的安全开采问题,是薄及极薄煤层开采工艺的一次革命,必将对煤炭资源开采利用产生巨大的影响。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。