磨料射流定向切頂系統的設計與研制

摘要：N00工法是一種節約資源并能降低開采成本的長壁采煤工法，快速無傷定向切割頂板巖石使采空區頂板垮落是該工法的關鍵。基于水射流理論與技術，提出了利用磨料射流定向切割頂板的新思路，研究了磨料射流定向切頂系統的結構組成及工作原理，設計了水射流噴嘴、切割噴頭、定向器、輸送機及磨料供給系統等關鍵部件的結構與尺寸，通過實驗優化了磨料射流定向切頂的最優工作參數，并于陜西某礦S1201-Ⅱ工作面進行了頂板切割試驗。結果表明，在射流壓力25 MPa，噴嘴直徑1.5 mm，磨料類型黃沙/石英砂，磨料質量分數3.5%，切割速度4.4 mm/s條件下，系統可在1個循環時間（50 min）、1個步距（840 mm）范圍內對7 000～8 000 mm長度的4孔同步定向切縫，實現對留巷頂板的快速高效定向切割。

關鍵詞：沿空留巷;切頂卸壓;N00工法;磨料射流;定向切縫

中圖分類號：TD431

文獻標志碼：A文章編號：1000-582X（2022）02-001-13

Abstract： The N00 method is a highly efficient and resource saving mining method， and its key step is to quickly separate the gob roof and the roadway roof by making a slit between them. Based on the water jet theory and technology， a new idea of using abrasive jet directional cutting roof was proposed. The structural composition and working principle of the abrasive jet directional cutting system were studied， and the water jet nozzle， cutting nozzle， orienter， conveyor， abrasive were designed. Through experiments， the working parameters of the abrasive jet directional cutting were optimized. The roof cutting test was carried out on the S1201-Ⅱ working face of a mine in Shaanxi. The results show that under the conditions of jet pressure 25 MPa， nozzle diameter 1.5 mm， abrasive type yellow sand/quartz sand， abrasive mass concentration 3.5% and cutting speed 4.4 mm/s， the developed system is able to make slits at the same time in 4 holes of 7 000-8 000 mm deep within a cycle time （50 min）.

Keywords： gob-side entry retaining; roof cutting and pressure relief; N00 coal mining method; abrasive water-jet; directional slitting

為了解決傳統采煤工法浪費資源以及引發礦井災害的問題，“中國科學院”院士何滿潮[1]提出了N00工法。N00工法是以切頂短臂梁理論[2]為指導，采用恒阻錨索對巷道頂板加強支護，運用切頂卸壓技術，采后形成留巷，供下一個工作面開采使用，直至整個盤區的N個工作面回采結束，均無需掘進順槽和留設煤柱。理論上N00工法可以使盤區采出率達到100%，快速切頂技術是N00工法卸壓留巷的關鍵環節[3]。沿著頂板切割線切斷采空區內頂板與留巷頂板的基本聯系，進而降低由于懸臂梁作用形成的應力集中，同時消除了相鄰工作面采動影響造成的巷道頂板支護困難等問題，減小了頂板壓力。

高壓水射流技術是一種高效、多功能的新型實用技術，在工程中具有廣闊的應用前景[4-7]。切割過程中無火花、粉塵和有毒氣體的產生，具有沖擊力和應力波引起的周圍破壞范圍小等特點。高壓水射流技術以其獨特的優越性，在中國煤礦的煤巷掘進、防治煤與瓦斯突出和治理工作面回風隅角瓦斯積聚中得到廣泛應用。重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室多年來對高壓水射流進行了深入的基礎和應用研究，取得了一系列的成果[8-14]。

鑒于高壓水射流技術的諸多優點，筆者提出利用磨料射流定向切割頂板的新思路，并設計研制磨料射流定向切頂系統，以配套N00長壁采煤工法的推廣應用。

1 磨料射流定向切頂系統設計與優化

1.1 系統組成及工作原理

如圖1所示，N00工法切頂留巷有3個基本要求：1）使頂板巖石沿預定的方向斷裂即分離巷道與采空區的聯系;2）保持頂板巖石的完整性，從而保持預留巷道頂板完整性;3）除了要求有效定向切頂外，還要求很高的切頂效率。為了不影響長壁工作面的正常推進，需要在工作面一個循環時間內對一個步距長度的巷道頂板進行定向切割。

磨料射流定向切頂系統主要由高壓水裝置、磨料供給裝置、磨料射流切割噴頭、定向器、輸送機及廢水回收裝置等組成。其技術原理如圖2所示。具體工作流程如下：首先在頂板巖層中預先鉆進4個鉆孔，4個孔軸線處于同一平面上，孔徑為50 mm，相鄰兩孔孔壁相距160 mm，孔深等于或略大于所需切割頂板的高度，形成定向造縫的切縫孔。然后在高壓密封鉆桿上安裝定向器以固定噴嘴在割縫孔中的方位，防止切割噴頭在孔中轉動，確保切割形成的縫基本在一個平面上。切割作業開始時，利用輸送裝置實現高壓密封鉆桿在孔中的上下移動，帶動射流由上往下移動從而形成切縫面。

由于4個切縫孔布置在同一個平面上，利用高壓水射流在每個切縫孔中沿著徑向相鄰鉆孔切縫。當切縫深度大于孔間距的一半（80 mm）時，就會定向連通所有切縫孔，形成定向裂縫面。即使由于鉆孔微小的偏差或其他原因造成各個切縫不完全在一個平面上，造成各孔不連通，也不會影響采空區頂板脫離留巷頂板而垮落。因為各個縫的深度大于孔間距的一半，致使未貫通的巖石連接處非常薄弱，不足以阻擋采空區頂板垮落。該系統可以單個孔或4個孔同時造縫。由于井下作業空間有限，該裝置需要與特殊的液壓支架配套使用，隨液壓支架一起移動，因此，對該裝置的要求除了切割效率高之外，還要結構簡單輕便，操作容易。

1.2 系統關鍵裝置優化設計

磨料射流定向切頂系統的關鍵裝置有：雙射流切割噴頭、定向器、輸送機和磨料罐等。為實現快速定向切縫，本系統的研發主要圍繞以下5個技術攻關核心展開：

1）直徑小于50 mm的雙射流切割噴頭內嵌2個噴嘴，需研究噴嘴與噴頭內部流道結構，以實現磨料射流高集束度，提升切割能力與耐磨性。

2）切割噴頭工作時雙射流并非嚴格互成180°對稱，雙射流產生的反作用力會推動切割噴頭旋轉;送管和收管時，高壓膠管轉動產生的扭矩帶動切割噴頭轉動。為實現“定向切縫”，需設計定向器，以消除上述2種因素對切割噴頭切割方位的影響。

3）切頂卸壓留巷是隨著工作面的推進而進行的一個動態過程，切頂設備需要隨工作面支架一起移動。因此，輸送裝置要能實現左右移動、前后擺動和水平扭轉等功能，以適應切縫孔的變動。

4）由于井下作業空間有限，為了滿足4個切割噴頭，即8個切割噴嘴同時工作所需的磨料，這就要求磨料罐容積足夠大，同時還要盡可能體積小，操作簡便。

5）為實現快速定向切縫，需要研究經濟合理的切割參數，包括射流壓力、噴嘴直徑、磨料類型與質量分數，及切割噴頭移動速度等。

1.2.1 噴嘴

常見的切割噴嘴類型有直柱型、錐形、錐直型和類喇叭型等[13]，如圖3所示。運用計算流體動力學（CFD）的方法對這4種噴嘴的流場進行模擬，從而選定噴嘴的形式。

上述4種類型噴嘴均為軸對稱結構，仿真時將他們簡化為二維軸對稱結構進行處理。模擬的噴嘴進口半徑為10 mm，出口處半徑為1 mm。幾何模型包括噴嘴內的流道以及噴嘴出口以外長100 mm、半徑在20 mm的一段流體，以模擬射流射進水體中的情況。每個模型的網格數為9 700至9 900之間，具體數因噴嘴結構不同略有差異。選取Pressure Based Segregate Solver求解器求解，湍流模型選用標準k-ε模型，噴嘴入口邊界壓力條件設置為15 MPa。水體的左端設置為出口，壓力等于大氣壓。上述4種噴嘴的流場速度云圖如圖4所示。

圖5為4種噴嘴外射流在軸線處速度的變化。從圖4和圖5可以看出，射流離開噴嘴后在水體中發散衰減都很快。其中直柱形噴嘴出口速度最小，衰減也最快。這主要是由于小直徑的直柱較長，摩擦損失較大所致。喇叭形噴嘴的出口速度也較小，衰減也較快，原因是射流在喇叭段內就已經開始衰減。錐形和錐直形噴嘴的射流出口速度比直柱形和喇叭形都高，衰減也較慢。

考慮到錐形噴嘴制造時出口直徑很難控制，并且在使用時略有磨損就會使錐形噴嘴的直徑迅速變大，因此錐形出口不宜用作磨料射流的噴嘴，故認為錐直型噴嘴射流結構最優。根據錐直型結構設計的高壓液態定向切頂系統磨料射流噴嘴如圖6所示。

1.2.2 切割噴頭

為實現在頂板切縫孔內同時切出2個割縫面，在實驗室單噴嘴切割巖石的基礎上，設計了垂直型雙射流噴頭。垂直轉向型雙射流噴頭由1條圓柱形進水道和2條互成180°角的圓柱形出水道組成，2條出水道各安裝1個錐直型噴嘴。高壓水流進入噴頭后沿著2個噴嘴向2個相反的方向射出。通過初步試驗發現，在垂直型流道的雙射流噴頭結構中，磨料會對垂直轉向處以及噴嘴出口處造成很大磨損，引起射流束發散，降低射流束的切割能力。同時，由于現有切割噴頭加工工藝（流道90°轉角安裝）等原因，導致切割噴頭內部流道壓損較高，使得磨料射流噴嘴出口速度降低，導致切割能力下降。

針對在測試中發現原設計垂直型雙射流切割噴頭局部壓力損失大與收斂性差的問題，通過FLUENT數值模擬軟件進行3D流場模擬（圖7所示），對比射流的流速和形態選擇出最優參數結構。重新設計出流線型雙射流切割噴頭，其流線型內部流道及結構參數如圖8所示。

采用流線型流道設計后，射流束聚集度大大提高。圖9是采用流線型流道設計的切割噴頭切割頁巖的照片，圖9中左邊一束射流射進巖石，右邊另一束射流無阻礙地射向右邊空間。可以看到，這束射流在射出噴嘴后很長一段距離內仍然保持很高的集束度。另外，這種流線型流道的切割噴頭射流束的切割能力很強，從圖10可見這種新設計的流線型雙射流切割噴頭的射流束在切穿80 mm厚的頁巖后仍然保持很高的流速和很高的集束度。

針對噴頭流線型流道加工困難的問題，在加工工藝上使用了金屬3D打印技術。雖然金屬3D打印加工技術成本更高，耗時更長，但是能確保新設計的切割噴頭射流束更收斂，能量更集中。為了提高切割噴嘴的耐磨性，增加切割噴嘴的使用壽命，選用硬質合金作為噴嘴的材質。實驗室切割巖石試驗證明，新設計的流線型切割噴頭平均切割深度能提高28%，同時更加耐磨，使用壽命更長。

1.2.3 定向器

為了使所形成的切縫在同一個平面上同時保證切縫面的走向沿著預定的方向，需要保證切割噴頭在孔中不轉動，因此需要為切割噴頭設計1個定向器。定向器由扶正器與旋轉快接連桿構成，扶正器限制了切割噴頭在切縫過程中由于雙射流非100%對稱導致的旋轉轉動，旋轉快接連桿則隔離了高壓膠管在卷管及送管過程中產生的旋轉扭矩對切割噴頭的影響。

扶正器的設計如圖11所示，扶正器由輕型鋁合金圓筒和3條弓形不銹鋼彈簧片構成。扶正器圓筒外壁和底部均開有螺紋孔，用以固定3片弓形不銹鋼彈簧片和切割噴頭。3條弓形的不銹鋼彈簧片與鉆孔壁產生的摩擦力可以限制住扶正器與切割噴頭在切縫孔內旋轉，但不會阻礙其上升和下降。根據實際切縫孔的直徑大小情況，可以通過彈簧片松緊度調節槽來調節彈簧片與切縫孔壁的摩擦力，以實現切割噴頭定向切縫的目的。

可旋轉快接連桿由切割噴頭快速轉接頭（公）、高壓膠管快速轉接頭（公）以及1個礦用KJ13快接直通（兩端為母接口）組成。圖12為加工和組裝完成的快接連桿實物圖。

1.2.4 輸送裝置

切割作業開始時，要先將切割頭從切縫鉆孔的孔口送到鉆孔的頂端，然后緩慢向下移動形成連續切割面（見圖2）。因此需要設計1個輸送裝置，以實現送管和收管。

考慮到切頂卸壓留巷是隨著工作面的推進而進行的一個動態過程，切頂設備需要隨工作面支架一起移動。因此輸送裝置要能實現左右移動、前后擺動及水平扭轉等功能，以適應切縫孔的變動。同時，輸送裝置要實現同時輸送4個切割噴頭，并且要附有接水槽以便廢水回收。

圖13為輸送機的設計圖。輸送機主要由卷繞機裝置、排繩器裝置、摩擦輪輸送裝置、升降定位裝置和調壓裝置等組成。摩擦輪輸送裝置由液壓馬達驅動，主要用于定向造縫過程中收放高壓膠管、定向輸送割縫噴頭。卷繞機裝置由另一個液壓馬達驅動，主要負責卷管和排管。升降定位裝置負責把本輸送機頂部的摩擦輪裝置和接料槽舉送到上覆巖層的位置，以達到更好地送管和排水接料作業。調壓裝置主要用于調節摩擦輪和卷筒的液壓馬達轉速，進而協調調節送管和收管的速度。

在適應煤礦井下工作環境方面，該輸送機結構簡單輕便，操作容易，可與特殊的液壓支架配套使用，隨液壓支架一起移動。在主要可實現功能方面，該輸送機可調節左右位移、水平偏轉、前后搖擺以適應頂板切縫孔的數量和變動，同時實現高壓膠管的有效排列，速度快慢可控的收放功能。

1.2.5 磨料供給系統

磨料射流切割作業需要用到磨料供給裝置進行儲存并向高速水流中混入磨料粒子，形成高壓磨料水射流。為了滿足4個切割噴頭，即8個切割噴嘴同時工作所需的磨料，這就要求磨料罐容積要夠大，同時還要能承受至少25 MPa的高壓。

8個切割噴嘴同時切割時噴出的流量為200 L/min。設磨料質量分數為6%，則每分鐘所需磨料質量為12.77 kg。假設切割移動速度為4.4 mm/s（基于實驗室磨料射流切割數據），切縫孔長度為8 000 mm，那么，切割作業時間為31 min。石英砂的堆積密度經過實驗室測量為1.8～2.0 t/m3，則所需磨料的體積為0.22 m3。即理論上磨料罐的最小容積為0.22 m3就可滿足切割需求。考慮到實際應用中，磨料罐內的磨料不會全部都排出，有一部分磨料會壓實黏掛在罐壁上。假設有30%的磨料剩余在罐內，那么罐體所需的容積為0.32 m3。同時要為磨料罐預留一定的空間來容納水，本次設計中預留空間占比取15%，得出磨料罐合理的容積為0.38 m3。

圖14為根據文獻[15]設計加工的大容量磨料供給系統實物圖，它由加料斗、球形磨料罐、磨料混合腔、壓力表、泄壓閥、直通球形閥及高壓管線等組成，通過調節直通球形閥可以控制磨料進入混合腔的量，從而實現調節磨料質量分數。由于煤礦井下工作空間有限，為了減少磨料罐的高度，磨料罐設計成球形結構。

2 磨料射流定向切頂工藝參數優化實驗

為了確定最佳工作參數，進行了巖石切割實驗。通過分析切割性能隨泵壓、噴嘴直徑、磨料質量分數、切割速度等的變化規律，確定最優工藝參數，確保達到切割深度的要求以及低質量分數磨料的消耗。本次實驗參數選取如下：切割速度（2個），3.4，4.4 mm/s;噴嘴直徑（3個），1.5，1.8，2.0 mm;射流壓力（5個），10，12，15，20，25 MPa;磨料類型（2種），石英砂、現場黃沙，其中石英砂按顆粒大小分2種，20～40目、40～70目，現場黃沙顆粒小于80目;磨料質量分數（4個），2.5%，3.5%，4.0%，5.5%。

2.1 實驗裝置

實驗在重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室的四維水射流試驗臺上進行（圖15）。進行實驗時，采用與煤礦現場相同的南京六合BZW200/56型柱塞泵作為動力水源，額定流量200 L/min，公稱壓力為56 MPa。所用到的切割頭為上文介紹的流線型雙射流切割噴頭，噴嘴直徑分別為1.5，1.8，2.0 mm。

實驗中采用的巖石試件取自陜煤集團檸條塔礦南翼1201工作面運輸順槽，靠近工作面煤壁頂板處。圖16是部分現場頂板巖石樣本。該試件成分為粉砂巖，質地堅硬密實，內部結構均勻。巖石樣本尺寸大小不等，最大的約為1 000 mm×400 mm×200 mm，最小的約為150 mm×200 mm×300 mm。

2.2 實驗結果

在不同的射流壓力、噴嘴直徑和磨料質量分數組合下，切割的深度也各不相同。圖17展示了巖石試件的切割過程，圖18展示了對巖石試件切出了5條平行裂縫。總的切縫試驗結果如表1所示。

說明：磨料質量分數“調節”表示正在進行磨料質量分數調節功能測試。

實驗結果表明磨料射流可對現場取樣巖石進行有效切割;切割性能與射流壓力、磨料質量分數及噴嘴直徑呈正相關，與切割速度呈負相關;相同條件下，磨料選用現場黃沙時可達到石英砂相當的切割效果。最淺切割深度為50 mm，最深切割深度為160 mm。

基于以上實驗數據和綜合考慮現場條件，確定現場試驗最優工藝參數為：射流壓力25 MPa、噴嘴直徑1.5 mm（8個）、磨料類型為黃沙/石英砂、磨料質量分數3.5%、切割速度4.4 mm/s。

3 陜西某礦S1201-2工作面高壓液態定向切頂試驗

為了實地檢驗本高壓液態定向切頂系統的運行效果，在陜西某礦進行了設備安裝與現場試驗。通過現場試驗實際考察該系統的整體運行情況，并通過采集切縫孔內的全景圖像分析切縫效果。

3.1 試驗地點概況

本次試驗地點位于中國陜西省榆林市神木縣境內陜煤集團檸條塔礦，南翼S1201-2工作面回風順槽。該工作面長280 m，走向長度為2 344 m。煤層厚度3.85～4.11 m，煤層平均厚度3.93 m，埋深為115～117 m。表2為該煤礦S1201工作面煤層、頂板與底板的巖石特征與位置。

試驗開始之前，礦方工人已在頂板上沿著預定的切頂線向上鉆4個孔，即為切縫孔，孔徑50 mm，相鄰兩孔壁間距160 mm，孔深10 m。進行試驗前，需要稍微調整輸送機的位移和角度（見圖19），使之跟頂板切縫孔對準。切割參數：射流壓力25 MPa、噴嘴直徑1.5 mm（8個）;磨料類型：石英砂、磨料質量分數3.5%;切割速度：4.4 mm/s。

3.2 試驗結果與分析

現場切頂試驗總共進行2次，共對8個鉆孔進行了切縫試驗。現場試驗表明，所研制的N00磨料射流定向切頂裝置能完成現場留巷頂板在1個循環時間（50 min）、1個步距（840 mm）范圍內對7 000～8 000 mm高度的4孔同步定向切縫。

全景鉆孔攝像儀[16]掃描成像顯示2次試驗共8個孔的每個孔內都形成了2條切割裂縫。圖20為第2次試驗內窺鏡現場采集的4個切縫孔內部割縫效果圖。從圖20中可以清晰看到頂板巖層的紋理和2條基本平行的細長裂縫，這2條裂縫即為磨料射流切割巖層生成的裂縫，從全景圖效果可看出2條裂縫相隔很近，這是為了方便對比切縫效果而作的圖像調整，實際上這2條切縫相隔180°。圖20中標示0 m處為切縫孔的孔口，即切割作業結束點。距離孔口約2 m的位置裂縫開始消失，這是為了工作人員的安全，在切割頭退至距割縫孔孔口約2 m處時，停止切割。

4 結 論

1）基于高壓水射流破巖理論設計了一種用于N00工法的磨料射流定向切頂系統，并闡明了系統構成與工作原理，優化設計了水射流噴嘴、切割噴頭、定向器、輸送機、磨料供給系統等關鍵部件的結構與尺寸。

2）通過實驗室對頂板巖石樣品進行切縫實驗，確定了滿足N00工法要求的磨料射流定向切頂的最優工作參數：射流壓力25 MPa、噴嘴直徑1.5 mm（8個）;磨料類型為黃沙/石英砂;磨料質量分數3.5%;切割速度4.4 mm/s。

3）通過陜西某礦S1201-Ⅱ工作面現場切縫試驗表明，該系統可在1個循環時間（50 min）、1個步距（840 mm）范圍內對7 000～8 000 mm長度的4孔同步定向切縫。

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（編輯 張 蘋）