礦井救援用水力切割工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

宋先明，鄭學(xué)召，劉士建，李興玉，姜 鵬

（1．兗礦集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)寧273500；2．西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054）

礦井生產(chǎn)環(huán)境特殊且復(fù)雜，較容易發(fā)生火災(zāi)及瓦斯或者粉塵爆炸，危及礦工的生命財(cái)產(chǎn)安全。當(dāng)?shù)V井發(fā)生事故時(shí)，救護(hù)隊(duì)員在救援的過程中，不可避免的對(duì)設(shè)備的鋼板、錨桿、軌道及管段線路進(jìn)行切割；尤其發(fā)生重大災(zāi)害時(shí)，不可避免的要對(duì)井下進(jìn)行封閉[1]，在災(zāi)后恢復(fù)生產(chǎn)要對(duì)密閉墻進(jìn)行拆除。目前現(xiàn)有的井下切割技術(shù)為火力切割以及手動(dòng)切割[2]，這2 種切割方式都有可能在切割的過程中產(chǎn)生火花，引起瓦斯爆炸。而且這2 種切割方式，操作過程繁復(fù)、效率低。因此，就有必要尋求一種可以防止火源產(chǎn)生、避免礦井瓦斯爆炸的高效切割技術(shù)。

水力切割是一種新型發(fā)展的切割技術(shù)。它是通過加壓水泵使水從一個(gè)極細(xì)的噴嘴噴出，形成高壓水射流，以完成清洗、切割、破碎等作業(yè)，在采礦、機(jī)械、石油、軍工、醫(yī)學(xué)等行業(yè)得到了較廣泛的應(yīng)用[3]，許多專家以及學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究[4-5]，但研究只是分析了切割參數(shù)對(duì)于切割效果的影響，并沒有研究切割不同材料的最佳的工藝參數(shù)。為此分別對(duì)井下設(shè)備的鋼板、錨桿以及密閉墻進(jìn)行了切割試驗(yàn)，得到不同工藝的切割參數(shù)，并將得到的切割工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)的切割參數(shù),以期為提高礦井救援效率提供參考。

1 水力切割技術(shù)原理及特點(diǎn)

1.1 水力切割原理

水力切割技術(shù)就是將普通的水流通過增壓泵加壓，然后通過細(xì)小的噴嘴噴射出的高壓水流，來(lái)切除軟性材料。如果在高壓水流中加入一些磨料，形成漿液，則可以切割任何硬性材料[6]。

普通水經(jīng)過濾器變成清水，然后通過高壓泵將壓力提升至70 MPa 變成高壓水，水流被高壓水分配管路分成平衡水路和引射水路2 路[7]。高壓水在引射水路中將高壓磨料罐中的磨料變成流態(tài)，然后流入到混合腔，從另外一側(cè)輸出混合均勻磨料與高壓水，然后將此高壓磨料漿液輸送至噴槍。噴嘴小孔（直徑為1 mm 左右）將高壓磨料漿液噴出，變成極高能量密度的高速磨料水射流，完成切割作業(yè)。

1.2 便攜式水力切割的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

便攜式水力切割技術(shù)與其它常規(guī)切割工藝相比，具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)[8]：

1）便攜性。由于救護(hù)隊(duì)員在救災(zāi)時(shí)本身攜帶的必須裝備已經(jīng)很重，如果水力切割裝備本身質(zhì)量太大，那對(duì)救護(hù)隊(duì)員將會(huì)是很大的負(fù)擔(dān)。因此，需要把水力切割裝置設(shè)計(jì)的質(zhì)量輕、攜帶方便，這樣才能夠真正的應(yīng)用于救護(hù)隊(duì)的救援工作。

2）防爆性。便攜式水力切在切割過程中具有不產(chǎn)生高溫、明火、火花等優(yōu)勢(shì)，而且壓力小，功率低，設(shè)備的防爆性能滿足災(zāi)區(qū)環(huán)境特點(diǎn)。

3）應(yīng)用范圍廣，適用性強(qiáng)。除鋼化玻璃等少數(shù)材料外，水力切割技術(shù)幾乎可應(yīng)用于所有金屬、非金屬材料的切割加工。水力切割的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是噴頭，體積較小，可應(yīng)用于人員不方便進(jìn)入的場(chǎng)所以及常規(guī)切割工具難以觸及的狹小空間，具有較強(qiáng)的適用性。

2 水力切割裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)

水力切割裝置主要在礦井事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，其便攜性在煤礦事故救援顯得尤為重要，同時(shí)采用新型噴射系統(tǒng)以及輔助控制系統(tǒng)。目前的水力切割系統(tǒng)包括高壓泵裝置、控制系統(tǒng)、磨料添加裝置、噴槍。本試驗(yàn)裝置除上述系統(tǒng)外，加入了噴射系統(tǒng)以及輔助控制系統(tǒng)組成。

1）高壓泵。高壓泵的主要技術(shù)參數(shù)：①功率：15 kW；②額定電壓：380 V；③電流：13．1 A；④過濾器容積：8．4 L；⑤水泵的流量：11 L/min。

2）磨料罐。磨料罐的材料為490 MPa 級(jí)的20 號(hào)錳鋼，總質(zhì)量控制在50 kg 以內(nèi)，高度為1.2 m，外殼厚度為25 mm，公稱直徑為240 mm，額定工作壓力70 MPa。

3）噴槍。為了處理大塊煤（矸）石擠壓遇險(xiǎn)人員，或卡住放煤口和轉(zhuǎn)載機(jī)頭等情況，有必要研究一種單人手持式槍頭。原有水切割為單槍頭切割，在切割過程中形成單獨(dú)水射流，切割縫細(xì)小，為射線運(yùn)動(dòng)方向切割，會(huì)很快切割出一條縫隙?？紤]大塊煤（矸）石厚度大，即使環(huán)形切割也不會(huì)快速開通，研發(fā)雙槍頭切割槍，將2 個(gè)槍頭噴射射流在適當(dāng)處交叉，保持原有壓力使用雙射流交叉切割，使大塊煤（矸）石成塊落，加快切割速度。

4）輔助控制系統(tǒng)。原有水利切割裝置工裝是針對(duì)圓形金屬或金屬結(jié)構(gòu)的個(gè)體開發(fā)，主要是固定到切割體或使用強(qiáng)磁吸附到切割體上作為支點(diǎn)穩(wěn)定切割過程。密閉墻為磚混結(jié)構(gòu)，無(wú)法固定切割槍，快速開展切割工作。通過利用現(xiàn)場(chǎng)錨桿、支架或密閉墻上檢測(cè)管等作為固定切割?yuàn)A具的固定點(diǎn)，研制了新型切割?yuàn)A具控制系統(tǒng)，使切割槍快速固定到密閉墻體，加快切割速度。

3 試驗(yàn)探究

3.1 鋼板切割試驗(yàn)

在礦井發(fā)生事故時(shí)，大量的機(jī)械設(shè)備被困井下，給破拆過程造成一定困難，增加了工人破拆的破拆強(qiáng)度以及拆除時(shí)間。因此，研究設(shè)備參數(shù)對(duì)于材料的切割效果的影響尤為重要。試驗(yàn)材料的選擇的是45#鋼板，45#鋼板參數(shù)為：①?gòu)?qiáng)度極限：≥600 MPa；②屈服極限：≥355 MPa；③伸長(zhǎng)率：≥16%；④壓縮率：≥40%；⑤布氏硬度：≤197。

首先研究了壓力對(duì)切削深度的影響。在切割速率66.7 mm/min，磨料流量為1.67 kg/min，靶距為10 mm 的工作條件下，壓力對(duì)于鋼板切割深度的影響如圖1。

圖1 壓力對(duì)于鋼板切割深度的影響

如圖1，切削深度與壓力近似呈正比關(guān)系。隨著壓力不斷增大，切削深度也不斷加深。由于大多數(shù)的礦井生產(chǎn)以及運(yùn)輸設(shè)備的鋼板的厚度小于20 mm。所以40 MPa 的切割壓力基本能夠滿足礦井破拆要求。

移動(dòng)速度對(duì)于鋼板切割深度及切割速率的影響如圖2。切割條件是磨料流量1.67 kg/min，靶距為10 mm。由圖2 可知，隨著噴嘴的移動(dòng)速度的不斷增加，切割速率先迅速增大然后逐漸減小。然而切割深度與移動(dòng)速度近似呈反比關(guān)系，即隨著噴嘴移動(dòng)的速度的增加，切割深度不斷減小。綜合考慮噴嘴的移動(dòng)速度對(duì)于切割深度以及切割速率這2 個(gè)因素的影響，對(duì)噴嘴的移動(dòng)速度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的結(jié)果為80 mm/min。

圖2 移動(dòng)速度對(duì)于鋼板切割深度及切割速率的影響

靶距對(duì)于切割深度的影響如圖3，由圖3 可知，隨著靶距的增加，切割深度先增大后減小，在靶距值為10 mm 時(shí)達(dá)到峰值,表明靶距為10 mm 時(shí)切割深度最佳。

圖3 靶距對(duì)于切割深度的影響

磨料流量對(duì)于切割深度的影響如圖4，試驗(yàn)中噴嘴移動(dòng)速度為80 mm/min，靶距為10 mm，切割壓力為40 MPa。由圖4 可知，隨著磨料流量的增大，切割深度先急劇增大，然后緩慢減小，在磨料流量為3.2 kg/min 達(dá)到切割深度的峰值，切割深度為20 mm。

圖4 磨料流量對(duì)于鋼板切割深度的影響

3.2 錨桿切割試驗(yàn)

錨桿支護(hù)是礦井巷道中最常見支護(hù)方式之一[9]。在煤礦發(fā)生事故時(shí)，通常采用手動(dòng)破拆。但該破拆方式工作量大，工人操作強(qiáng)度大，拆除時(shí)間長(zhǎng)。所以采用水力切割裝置是一種有效的破拆工具。試驗(yàn)錨桿的公稱直徑為20 mm，屈服強(qiáng)度335 MPa，抗拉強(qiáng)度490 MPa，延伸度16%，破斷載荷試驗(yàn)的目的是找出切斷錨桿的最佳參數(shù)。

壓力對(duì)錨桿切割深度的影響如圖5，試驗(yàn)中切割速度為80 mm/min，切割距離為8 mm。由圖5 可知，隨著錨桿承受的壓力增大，切削深度不斷增大，直到壓力為35 MPa 時(shí)，切割深度值趨于水平。說(shuō)明當(dāng)壓力為35 MPa 時(shí)，錨桿被切斷。

圖5 壓力對(duì)于錨桿切割深度的影響

工作效率的大小取決于移動(dòng)速度的大小。切割速度對(duì)于錨桿切割深度的影響如圖6，在錨桿所受壓力為35 MPa，靶距為8 mm 的試驗(yàn)條件下，隨著移動(dòng)速度不斷增大，切割深度保持不變，當(dāng)移動(dòng)速度為90 mm/min 時(shí)，切割深度不斷變小。說(shuō)明在壓力為35 MPa，靶距為8 mm，移動(dòng)速度為90 mm/min，錨桿被切斷。

圖6 切割速度對(duì)于錨桿切割深度的影響

切割距離是決定切割速度的重要指標(biāo)之一[10]。靶距對(duì)于錨桿切割深度的影響如圖7, 試驗(yàn)中切割深度為20 mm，壓力為35MPa，研究表明在靶距為8 mm 時(shí)為最佳切割距離。

圖7 靶距對(duì)于錨桿切割深度的影響

3.3 密閉墻切割試驗(yàn)

礦井災(zāi)害發(fā)生過程中，尤其是發(fā)生重大礦井災(zāi)害，瓦斯爆炸和火災(zāi)，要對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行封閉。而在災(zāi)后恢復(fù)生產(chǎn)中，要對(duì)密閉墻進(jìn)行破拆。試驗(yàn)材料為水泥與黃沙的混合物，墻體厚度為500 mm。試驗(yàn)?zāi)康臑閷で笄懈蠲荛]墻的最優(yōu)試驗(yàn)參數(shù)，從而有效的減少拆除密閉墻的時(shí)間，增強(qiáng)救援過程中的時(shí)效性。

首先研究了切割壓力與密閉墻切割深度之間的關(guān)系。試驗(yàn)中切割速度為80 mm/min，切割距離為8 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明：切割深度隨著切割壓力增大而不斷增大，當(dāng)壓力增大到44 MPa 時(shí)，切割深度趨于水平。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的井下壓力的為44.7 MPa，所以符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

其次研究了噴嘴的移動(dòng)速度對(duì)于密閉墻切削深度的影響，試驗(yàn)中切割壓力為44 MPa，切割距離為8 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)移動(dòng)速度為105 mm/min 時(shí)切割深度最佳。

4 結(jié) 語(yǔ)

便攜式水力切割技術(shù)應(yīng)用于煤礦應(yīng)急救援中，不但可以減少傳統(tǒng)切割技術(shù)所帶來(lái)的安全隱患，而且還大大提高了工作效率。通過試驗(yàn)得出了水力切割技術(shù)在切割鋼板、錨桿以及密閉墻最優(yōu)的技術(shù)參數(shù)。其結(jié)果如下：切割鋼板的壓力為40 MPa，噴嘴的移動(dòng)速度為80 mm/min，靶距為10 mm，磨料流量為3.2 kg/min；切割錨桿的壓力為35 MPa，移動(dòng)速度為90 mm/min，靶距為8 mm；切割密閉墻的壓力為44 MPa，移動(dòng)速度為105 mm/min。通過優(yōu)化技術(shù)參數(shù)，可以縮短救援時(shí)間，提高救援的時(shí)效性，從而大大減少人員傷亡以及國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失。