無煤柱高效精準鋸式切頂工藝及裝備研究與應用

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

為解決上述問題，完全滿足無煤柱（小煤柱）開采安全高效切頂卸壓的要求，項目提出研發(fā)礦用切頂機，研究配套機械化切頂工藝，實現(xiàn)無煤柱工作面智能高效精準地切頂，取代定向聚能爆破切頂過程中打眼、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，徹底切斷頂板應力傳遞途徑，真正實現(xiàn)“切頂卸壓”；同時光滑的切面塌落后自然形成一道“石墻”，能夠為后續(xù)的留巷支護和有害氣體治理創(chuàng)造有利的條件。

1 .主要研究內(nèi)容

（1）礦用切頂機研制

通過調(diào)研，確定切頂機應具有的功能和性能指標，研究切頂機結(jié)構(gòu)組成及工作原理，研發(fā)強力切割、穩(wěn)定切割、精準切割、智能切割四大關鍵技術，保障無煤柱工作面巷道頂板能夠安全、高效、精準地切割。

（2）工藝研究

礦用切頂機為機械化快速切頂、開槽卸壓提供了裝備保障，仍需探索一套配備切頂工藝，以及成套設備入井拆解、安裝調(diào)試、使用維護等工藝措施，為安全、高效、精準地切頂提供工藝保障。使用礦井提升機盤式制動器智能監(jiān)測冗余液壓制動系統(tǒng)，液壓制動系統(tǒng)的運行狀況一目了然，故障或有故障趨勢時可提前預知，避免提升機因制動失靈導致機毀人亡的重大事故。

2 .創(chuàng)新點

（1）發(fā)明了無煤柱高效精準鋸式切頂工藝及裝備，裝備由鏈臂式切割部、閉式潤滑系統(tǒng)、專用噴霧降溫除塵系統(tǒng)、支頂支底機構(gòu)、自動調(diào)平系統(tǒng)、履帶架與主機架等集成。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≤7巖石及軟巖石，切縫一次形成、平整穩(wěn)定，實現(xiàn)了無煤柱開采工藝切頂卸壓工序的機械化和自動化。

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

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的溫度；專用噴霧降溫除塵系統(tǒng)解決了噴嘴易堵塞導致噴霧失效的問題，且使用壽命長。

（3）研發(fā)了復合聯(lián)接找正油缸、復合定位連接法蘭組件等關鍵部件，提出了以支頂支底機構(gòu)、自動調(diào)平系統(tǒng)、履帶架與主機架一體式集成機構(gòu)為核心的穩(wěn)定切割技術，解決了煤礦井下復雜作業(yè)環(huán)境下強力切割時，由于底板不平整、受力復雜、設備連接強度不高等因素導致的設備運行不穩(wěn)定問題。

（4）研發(fā)了以隨動激光定位裝置、擺動伸縮組件為核心的精準切割技術，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、快速對刀的難題。

（5）研發(fā)了以設備運行工況在線監(jiān)測裝置、無線遙控裝置為核心的智能切割技術，具有對刀監(jiān)視、運行工況實時集中顯示、視頻監(jiān)控等功能，利用無線遙控器，僅需一人遠離工作面操作設備，保證人身安全，降低勞動強度。

（6）開發(fā)了定點圓弧矩形法、定點圓弧牛角法兩種切頂工藝；提出了鏈臂和鏈條同向轉(zhuǎn)動切割頂板，解決了切頂過程排屑難的問題。

3 .主要達到的技術指標

（1）取代傳統(tǒng)聚能爆破切頂，實現(xiàn)智能機械化切頂；

（2）鏈臂切割部擺角達到180°，切割速度達到0～90°/h；

（3）標準切割深度為7.0 m，有效切深達到6.45 m，切縫寬度42 mm；

（4）研發(fā)集強力切割、穩(wěn)定切割、精準切割、智能切割四大關鍵技術于一體的礦用切頂機，保障無煤柱工作面巷道頂板能夠安全、高效、精準地切割；

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

（6）切縫平整，巷道垮落阻力小，成巷效果好；

（7）研發(fā)自動對刀系統(tǒng)和監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)在粉塵多能見度小的環(huán)境下的自動對刀及對設備的遠程遙控監(jiān)測；

（8）研發(fā)自動調(diào)平系統(tǒng)，以適應井下工作面的復雜工況，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)，實現(xiàn)降塵和冷卻潤滑等功能，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 .研究成果及應用效果

本項目項目申請發(fā)明專利1 項，獲得實用新型專利9項，發(fā)表2篇高水平論文，制定1項企業(yè)標準，制造樣機1臺；成果在塔山和云岡煤礦的工業(yè)性試驗（見圖1），礦用切頂機切割速度平均值2 m/h，每天可實現(xiàn)20 m 的超前距離,切縫貫通率可達100%，并且切面光滑（見圖2），沿空側(cè)側(cè)向懸頂給巷內(nèi)支護產(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化、機械化程度高，成縫效果好，最高月切縫進尺達1 200 m。該成果都為原始創(chuàng)新且為自主研發(fā)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，對采煤工藝和方式產(chǎn)生根本性的改變，能夠提高煤炭回收率、降低采掘比、減少資源浪費方面將產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟效益，市場前景廣闊，并有利于振興民族科技和民族工業(yè)。

圖1 整機井下工業(yè)性試驗

圖2 頂板切縫