無(wú)煤柱高效精準(zhǔn)鋸式切頂工藝及裝備研究與應(yīng)用

無(wú)煤柱開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)是切頂卸壓，傳統(tǒng)切頂方式主要采用“雙向聚能爆破預(yù)裂切頂”。該技術(shù)使用前要確定多種技術(shù)參數(shù)，聚能爆破鉆孔時(shí)對(duì)鉆孔精度，炮孔加工工藝和鉆具要求很高，設(shè)導(dǎo)向孔需要增加鉆孔量，增加鉆孔成本，且該技術(shù)對(duì)鉆孔、定位、炸藥、套管的材質(zhì)、尺寸及力學(xué)特性要求比較高。同時(shí)，使用爆破預(yù)裂頂板，存在裂縫偏差較大，縫隙不平整的問(wèn)題，這使得頂板后期垮落阻力大且巷道維護(hù)困難。另外，在無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)中不只依靠雙向聚能拉伸爆破技術(shù)，還要在采用預(yù)裂爆破技術(shù)后全面利用支護(hù)技術(shù)提高巷道的穩(wěn)定性，如果不及時(shí)采用技術(shù)控制巷道頂板，就會(huì)造成離層的下沉，最終導(dǎo)致巷道發(fā)生變形，反而加大巷道本身的危險(xiǎn)性。若爆破預(yù)裂切頂效果不理想，遇大面積懸頂未塌落，還需重新鉆孔放炮強(qiáng)制放頂。

為解決上述問(wèn)題，完全滿足無(wú)煤柱（小煤柱）開(kāi)采安全高效切頂卸壓的要求，項(xiàng)目提出研發(fā)礦用切頂機(jī)，研究配套機(jī)械化切頂工藝，實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱工作面智能高效精準(zhǔn)地切頂，取代定向聚能爆破切頂過(guò)程中打眼、裝藥等繁瑣工序，降低切割成本，提升切割效率，提高切縫貫通率，徹底切斷頂板應(yīng)力傳遞途徑，真正實(shí)現(xiàn)“切頂卸壓”；同時(shí)光滑的切面塌落后自然形成一道“石墻”，能夠?yàn)楹罄m(xù)的留巷支護(hù)和有害氣體治理創(chuàng)造有利的條件。

1 .主要研究?jī)?nèi)容

（1）礦用切頂機(jī)研制

通過(guò)調(diào)研，確定切頂機(jī)應(yīng)具有的功能和性能指標(biāo)，研究切頂機(jī)結(jié)構(gòu)組成及工作原理，研發(fā)強(qiáng)力切割、穩(wěn)定切割、精準(zhǔn)切割、智能切割四大關(guān)鍵技術(shù)，保障無(wú)煤柱工作面巷道頂板能夠安全、高效、精準(zhǔn)地切割。

（2）工藝研究

礦用切頂機(jī)為機(jī)械化快速切頂、開(kāi)槽卸壓提供了裝備保障，仍需探索一套配備切頂工藝，以及成套設(shè)備入井拆解、安裝調(diào)試、使用維護(hù)等工藝措施，為安全、高效、精準(zhǔn)地切頂提供工藝保障。使用礦井提升機(jī)盤式制動(dòng)器智能監(jiān)測(cè)冗余液壓制動(dòng)系統(tǒng)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況一目了然，故障或有故障趨勢(shì)時(shí)可提前預(yù)知，避免提升機(jī)因制動(dòng)失靈導(dǎo)致機(jī)毀人亡的重大事故。

2 .創(chuàng)新點(diǎn)

（1）發(fā)明了無(wú)煤柱高效精準(zhǔn)鋸式切頂工藝及裝備，裝備由鏈臂式切割部、閉式潤(rùn)滑系統(tǒng)、專用噴霧降溫除塵系統(tǒng)、支頂支底機(jī)構(gòu)、自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)、履帶架與主機(jī)架等集成。最大切深6.5 m，切縫寬度42 mm，鏈臂擺角180°，適用于切割巖石硬度f(wàn)≤7巖石及軟巖石，切縫一次形成、平整穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了無(wú)煤柱開(kāi)采工藝切頂卸壓工序的機(jī)械化和自動(dòng)化。

（2）研發(fā)了以金剛石刀具鏈臂式切割部、閉式潤(rùn)滑系統(tǒng)和專用噴霧降溫除塵系統(tǒng)為核心的強(qiáng)力切割技術(shù)，解決了巖巷強(qiáng)力切割難題以及強(qiáng)力切割時(shí)溫度高、粉塵大、刀具磨損嚴(yán)重、易產(chǎn)生火花等問(wèn)題。

切割部采用聚晶金剛石，其硬度是傳統(tǒng)材料的10倍以上，其使用壽命一般不小于1 000 h；閉式潤(rùn)滑系統(tǒng)減小了刀具與巖石的摩擦，降低了刀具磨損和切割時(shí)的溫度；專用噴霧降溫除塵系統(tǒng)解決了噴嘴易堵塞導(dǎo)致噴霧失效的問(wèn)題，且使用壽命長(zhǎng)。

（3）研發(fā)了復(fù)合聯(lián)接找正油缸、復(fù)合定位連接法蘭組件等關(guān)鍵部件，提出了以支頂支底機(jī)構(gòu)、自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)、履帶架與主機(jī)架一體式集成機(jī)構(gòu)為核心的穩(wěn)定切割技術(shù)，解決了煤礦井下復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下強(qiáng)力切割時(shí)，由于底板不平整、受力復(fù)雜、設(shè)備連接強(qiáng)度不高等因素導(dǎo)致的設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定問(wèn)題。

（4）研發(fā)了以隨動(dòng)激光定位裝置、擺動(dòng)伸縮組件為核心的精準(zhǔn)切割技術(shù)，解決煤礦井下粉塵多、燈光暗、視線差的作業(yè)環(huán)境下難以精準(zhǔn)、快速對(duì)刀的難題。

（5）研發(fā)了以設(shè)備運(yùn)行工況在線監(jiān)測(cè)裝置、無(wú)線遙控裝置為核心的智能切割技術(shù)，具有對(duì)刀監(jiān)視、運(yùn)行工況實(shí)時(shí)集中顯示、視頻監(jiān)控等功能，利用無(wú)線遙控器，僅需一人遠(yuǎn)離工作面操作設(shè)備，保證人身安全，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

（6）開(kāi)發(fā)了定點(diǎn)圓弧矩形法、定點(diǎn)圓弧牛角法兩種切頂工藝；提出了鏈臂和鏈條同向轉(zhuǎn)動(dòng)切割頂板，解決了切頂過(guò)程排屑難的問(wèn)題。

3 .主要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

（1）取代傳統(tǒng)聚能爆破切頂，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)械化切頂；

（2）鏈臂切割部擺角達(dá)到180°，切割速度達(dá)到0～90°/h；

（3）標(biāo)準(zhǔn)切割深度為7.0 m，有效切深達(dá)到6.45 m，切縫寬度42 mm；

（4）研發(fā)集強(qiáng)力切割、穩(wěn)定切割、精準(zhǔn)切割、智能切割四大關(guān)鍵技術(shù)于一體的礦用切頂機(jī)，保障無(wú)煤柱工作面巷道頂板能夠安全、高效、精準(zhǔn)地切割；

（5）有效提高頂板切割效率和穩(wěn)定性，提高安全性，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和工作成本；

（6）切縫平整，巷道垮落阻力小，成巷效果好；

（7）研發(fā)自動(dòng)對(duì)刀系統(tǒng)和監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在粉塵多能見(jiàn)度小的環(huán)境下的自動(dòng)對(duì)刀及對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程遙控監(jiān)測(cè)；

（8）研發(fā)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，以適應(yīng)井下工作面的復(fù)雜工況，保證鏈臂切割部鋸能穩(wěn)定高效的切割；

（9）刀具具備噴嘴及噴霧系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)降塵和冷卻潤(rùn)滑等功能，采用低速刨削形式，刀具可干切，不易產(chǎn)生火花；

（10）刀具使用聚晶金剛石，硬度是傳統(tǒng)材料10倍以上，可提高刀具切割強(qiáng)度和使用壽命，使其使用壽命不低于1 000 h。

4 .研究成果及應(yīng)用效果

本項(xiàng)目項(xiàng)目申請(qǐng)發(fā)明專利1 項(xiàng)，獲得實(shí)用新型專利9項(xiàng)，發(fā)表2篇高水平論文，制定1項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，制造樣機(jī)1臺(tái)；成果在塔山和云岡煤礦的工業(yè)性試驗(yàn)（見(jiàn)圖1），礦用切頂機(jī)切割速度平均值2 m/h，每天可實(shí)現(xiàn)20 m 的超前距離,切縫貫通率可達(dá)100%，并且切面光滑（見(jiàn)圖2），沿空側(cè)側(cè)向懸頂給巷內(nèi)支護(hù)產(chǎn)生較大的附加作用力較小，降低沿空巷道頂板壓力，該礦用鋸式切頂裝備及配套工藝工序簡(jiǎn)化、機(jī)械化程度高，成縫效果好，最高月切縫進(jìn)尺達(dá)1 200 m。該成果都為原始創(chuàng)新且為自主研發(fā)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，對(duì)采煤工藝和方式產(chǎn)生根本性的改變，能夠提高煤炭回收率、降低采掘比、減少資源浪費(fèi)方面將產(chǎn)生巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，市場(chǎng)前景廣闊，并有利于振興民族科技和民族工業(yè)。

圖1 整機(jī)井下工業(yè)性試驗(yàn)

圖2 頂板切縫