我國煤礦井下110工法用切縫鉆機研發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

李旭濤

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)又稱為“110”工法，采煤工作面回采前，在需留巷巷道頂板巖層采用爆破進行頂板預(yù)裂切縫，切斷留巷和工作面煤層頂板在一定深度范圍內(nèi)的聯(lián)系；回采后，在巷道頂板周期來壓的作用下，采空區(qū)自然垮落形成采空區(qū)采場初步穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，并填充巷幫，進而保留留巷為鄰近采煤工作面使用，該工法實現(xiàn)了1個工作面1條巷道無煤柱開采[1-3]?！?10”工法的關(guān)鍵在于“拉得住、切得開、下得來、護得住”，即恒阻錨索能拉得住上覆巖層基本頂，聚能爆破裝置預(yù)裂頂板時能切得開頂板形成裂縫，采場周期來壓時頂板能沿著預(yù)裂頂板時切開的裂縫下來，自動成巷后巷道能夠護得住[4-6]。其中，頂板預(yù)裂鉆孔又是頂板切得開的重要環(huán)節(jié)，切縫鉆孔是由切縫鉆機在切縫線每隔一定距離施工而成，主要用于爆破過程中放置聚能管、控制切頂深度[7-9]。切縫孔的施工必須滿足定位精確、鉆孔角度誤差小、所有鉆孔需成一條直線等要求，因此，切實可行的切頂卸壓方法及可靠的切縫鉆機顯得尤為關(guān)鍵。

1 水力切頂卸壓方法及切縫鉆機研發(fā)現(xiàn)狀

1.1 水力切頂卸壓方法

中國礦業(yè)大學(xué)許興亮、田素川等人發(fā)明了“一種巷道水力割縫定向爆破切頂卸壓方法”[10]，水力壓裂切頂卸壓的原理是在指定巖層中施工鉆孔，然后在鉆孔中安裝高壓封隔器。當高壓泵啟動時，高壓水會通過管路進入該封隔器，首先促使封隔器兩端的膠囊膨脹，兩端封堵鉆孔。當壓力逐漸升高至10MPa時，封隔器中間段的壓力單向閥會自動開啟，高壓水通過閥眼進入鉆孔。水壓力逐漸升高至巖層的極限強度時，孔壁開裂，破壞其完整性，弱化其力學(xué)性能，從而降低礦壓顯現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，水力割縫與定向爆破相結(jié)合方式，具有可操控性好、方便易行、切頂速度快、耗藥量少、切頂成型控制好等特點。解決了傳統(tǒng)爆破切頂時，可控性差，爆破過度或爆破不足現(xiàn)象頻發(fā)的問題，解決了純水力割縫切頂時，速度慢、時間長，不利于煤礦高產(chǎn)、高效的問題。目前，水力割縫定向爆破切頂卸壓方法已在長平煤礦、王坡煤礦、杜兒坪礦及寺河煤礦等礦區(qū)進行大范圍推廣使用[11-13]，具有安全性高、施工簡單、成本低等優(yōu)勢，在解決本每層及鄰近煤層卸壓護巷、上隅角懸頂和瓦斯積聚等問題上具有良好的效果。

1.2 DCA-45型切縫鉆機

為推進“110工法”的快速實施，2014年，山東兗煤黑豹礦業(yè)裝備有限公司與中國科學(xué)院院士何滿潮及其帶領(lǐng)的深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，基于長臂開采110工法用煤礦切頂卸壓沿空成巷無煤柱開采技術(shù)研究聯(lián)合研制DCA-45型自動成巷超前切縫鉆機，專門用于切縫爆破鉆孔施工。

DCA-45型切縫鉆機整機功率45kW，鉆臂2個，額定轉(zhuǎn)矩300N·m，額定轉(zhuǎn)速460r/min，推進行程1470mm（矮型鉆機1070mm），適應(yīng)鉆桿長度為1.4m（矮型鉆機1m），長×寬×高=2.4m×0.7m×1.8/2.3/3.3m，根據(jù)巷道高度不同，共3種機型可選，可適應(yīng)巷道高度分別為1.9～2.5m、2.4～3.2m、3.4～4.2m，鉆臂中心距2.4/2.5m可調(diào)。該鉆機采用S29型鉆桿，準48mm鉆頭，鉆孔深度可達15m。鉆機結(jié)構(gòu)緊湊，采用履帶行走，通過性強，雙鉆臂可獨立旋轉(zhuǎn)，能夠滿足鉆孔軸線與鉛垂線夾角的要求，鉆機配備夾持機構(gòu)、鉆機支頂裝置，方便鉆桿的拆卸。DCA-45型切縫鉆機分別在神南檸條塔煤礦、中煤唐山溝煤礦、大屯煤電姚橋煤礦、神木哈拉溝煤礦、延安禾草溝煤礦進行現(xiàn)場應(yīng)用，該鉆機在鉆孔效率和成孔質(zhì)量上，得到了較好的驗證。

1.3 ZDY2-300LM型切縫鉆機

2016年，為積極響應(yīng)“110”工法頂板預(yù)裂鉆孔施工的特殊要求，中煤科工集團西安研究院有限公司發(fā)揮其在鉆探技術(shù)與裝備領(lǐng)域的優(yōu)勢，率先組成研發(fā)創(chuàng)新團隊，在吸收、消化再創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，并結(jié)合國內(nèi)煤礦“110工法”施工的具體條件進行創(chuàng)新設(shè)計，申請了名為“實現(xiàn)等間距雙鉆孔同時施工的調(diào)角裝置及其液控方法”的發(fā)明專利[14]，并研制了ZDY2-300LM型切縫鉆機。

研制成功的ZDY2-300LM型切縫鉆機主要用于“110工法”頂板預(yù)裂鉆孔施工作業(yè)，亦可用于煤礦巷道頂板、邊幫錨桿（索）孔施工。該鉆機主要由雙鉆臂、雙先導(dǎo)操作臺、穩(wěn)固支腿、調(diào)角裝置、電機泵組及履帶車體等部件組成，電機功率45kW,長×寬×高=3.1m×0.85m×2.1m，額定轉(zhuǎn)矩300N·m，額定轉(zhuǎn)速350r/min，最大給進力20kN，給進行程1.1m，采用準38mm鉆桿（鉆桿長L=1m），配套準50mm PDC弧角鉆頭[15]。ZDY2-300LM切縫鉆機具有多功能穩(wěn)固支腿，可用于鉆機機身穩(wěn)固和切縫角度調(diào)整，具有液控先導(dǎo)控制功能，具備控制靈活精準、操作簡單，操作人員可遠離鉆孔落水區(qū)操作施工，具備鉆孔中心距2.4m和2.5m靈活、單獨調(diào)節(jié)，滿足礦方切縫孔間距0.4 、0.5 、0.6m施工范圍。ZDY2-300LM型切縫鉆機鉆臂具有側(cè)向移動機構(gòu)，滿足所有鉆孔在一條直線上，頂板沿預(yù)裂切縫線切落后成巷質(zhì)量好，減少日后巷道維護工程量；鉆機配備鉆桿夾持機構(gòu)、鉆機支頂裝置，能夠方便鉆桿的裝卸及鉆桿的導(dǎo)向，成孔質(zhì)量好，易于裝入定向爆破聚能管。該鉆機施工作業(yè)前，要求巷道高度不小于2.3m。

2018年10月，ZDY2-300LM型切縫鉆機在韓城象山煤礦進行現(xiàn)場應(yīng)用，結(jié)果表明：切縫鉆孔單根鉆桿平均用時90s，雙臂同時施工深度10m的切縫鉆孔（準50mm）平均用時25min；錨固鉆孔單根鉆進平均用時40s，雙臂同時施工深度8m的錨索孔（準32mm），平均用時20min，ZDY2-300LM型切縫鉆機打鉆工序用時示意圖如圖1。工序為：①-移機移位；②-支腿穩(wěn)固；③-鉆架側(cè)移；④-鉆架回轉(zhuǎn)；⑤-上頂穩(wěn)固；⑥-循環(huán)介質(zhì)；⑦-單根安裝；⑧-單根鉆進；⑨-單根卸鉆。

圖1 ZDY2-300LM型切縫鉆機打鉆工序用時示意圖Fig.1 Schematic diagram of drilling operation time of ZDY2-300LM type seam cutting drill

2019年1月至2019年10月ZDY2-300LM型切縫鉆機在龍煤集團雙鴨山礦業(yè)有限公司東榮二礦進行現(xiàn)場應(yīng)用[16]，切縫鉆機共計無故障累計進尺10045 m，采用 準38mm鉆桿（L=1m），配套 準50mm PDC弧角鉆頭，雙臂同時施工深度9m的切縫鉆孔平均用時25min。施工效率較其他鉆機具有明顯優(yōu)勢，為東榮二礦“110”工法的順利實施與推廣，提供了保障。

1.4 ZDY2-1000LF型雙臂切縫鉆機

為適應(yīng)煤礦井下“110工法”頂板預(yù)裂鉆孔施工中深鉆孔的需求，中煤科工集團西安研究院又開發(fā)出ZDY2-1000LF型礦用分體式雙臂切縫鉆機。

ZDY2-1000LF型雙臂切縫鉆機采用履帶分體結(jié)構(gòu)，井下移動快捷，現(xiàn)場布置靈活，具有雙工作臂，鉆機功率75kW，額定轉(zhuǎn)矩280～1000N·m，額定轉(zhuǎn)速280～90r/min，給進行程1.2m，鉆車運輸尺寸：長×寬×高=4.4m×1m×2.8m，泵車運輸尺寸：長×寬×高=2.9m×1m×1.8m，可實現(xiàn)前后傾角-90°～+25°，垂直360°仰俯角全斷面鉆孔施工作業(yè)，鉆臂間距可在3.4～4m的范圍內(nèi)調(diào)整，側(cè)移距離0.3m，滿足不同鉆孔布置要求。

2018年7月，ZDY2-1000LF型切縫鉆機在山西高河能源有限公司E2308運輸巷進行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗[17]。試驗共完成鉆孔施工6次，完成鉆孔10個，最大鉆孔深度200m，其中100m鉆孔5個，200m鉆孔2個，累計鉆孔深度1065m。當使用靜壓水作為沖洗液時，單工作臂2.5h完成100m鉆孔，雙工作臂3h完成2個100m鉆孔；當使用液壓水泵提供的水作為沖洗液時，單工作臂2h完成100m鉆孔。

1.5 CMQ系列切頂卸壓鉆機

近年來，為解決煤礦井下“110工法”缺乏專用裝備的需求，江蘇中煤礦山設(shè)備有限公司發(fā)揮自有優(yōu)勢，先后研發(fā)了CMQ1-1200/30型、CMQ2-1200/45型、CMQ2-3200/55型3款切頂卸壓鉆機。

CMQ1-1200/30型切頂卸壓鉆機采用單工作臂結(jié)構(gòu)，電機功率30kW，額定轉(zhuǎn)矩800N·m，額定轉(zhuǎn)速30r/min，鉆架給進行程1.1m，最大鉆孔深度可達50m，長×寬×高=3.7m×0.8m×2.4m可實現(xiàn)-25°～+25°前后角，垂直360°俯仰角的全方位切頂作業(yè)，并可在不移機的情況下實現(xiàn)鉆車鉆臂前后平移600 mm，左右平移300mm，適用于巖石堅固性系數(shù)f=14的各種煤層、巖層。該設(shè)備鉆機動力頭扭矩大、行程長，鉆進效率高，可大幅度提高作業(yè)效率，液壓系統(tǒng)配備了快速推進功能，可節(jié)約裝、卸鉆桿時間2倍多。并配帶有裝、卸鉆桿的部件，降低了操作人員的勞動強度。但是該鉆機采用單工作臂，施工效率較低，且該鉆機未安裝穩(wěn)固支腿，當鉆機在靠近巷道側(cè)幫水溝一側(cè)打鉆施工時，因底板不一定平整，進而導(dǎo)致施工鉆孔不一定形成一條直線，影響爆破切頂效果。

CMQ2-1200/45型和CMQ2-3200/55型切頂卸壓鉆機整機功率分別為45kW和55kW，額定轉(zhuǎn)矩分別為800N·m和2800N·m，額定轉(zhuǎn)速分別為30r/min和80r/min，長×寬×高=4.5m×1.1m×2.4m，鉆孔直徑 準30mm～準75mm，2款鉆機采用雙工作臂，且回轉(zhuǎn)器扭矩大，鉆孔施工效率顯著提高，作業(yè)安全，能顯著減輕工人的體力勞動強度。適用于各種斷面的平、斜巷道施工，但是該兩款鉆機仍未設(shè)計穩(wěn)固調(diào)角支腿，當巷道底板條件較差時，難以保證爆破切頂施工效果。

1.6 智能鉆錨機器人和智能鏈臂切頂機

1）智能鉆錨機器人。冀凱河北機電科技有限公司開發(fā)了智能鉆錨機器人。智能鉆錨機器人主要由動力系統(tǒng)、伸縮履帶底盤、操控系統(tǒng)、四連桿豎直升降機構(gòu)、調(diào)角裝置、鉆臂系統(tǒng)和鉆桿庫組成。該鉆機特點是自動鉆孔，一鍵自動鉆進操作，無需人工干預(yù)，配套安裝有鉆桿庫和機械手，自動續(xù)接和拆卸鉆桿，最大鉆孔深度11m。該機采用遠程無線操作，可全斷面施工切縫鉆孔和錨桿（索）孔，鉆機長×寬×高=3.5m×0.8m×1.5m，履帶底盤可自動伸縮到1.2 m,滿足打鉆施工過程中整機穩(wěn)定性。根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的鉆孔參數(shù)，自動定位鉆孔孔位，自動裝、卸鉆桿，實現(xiàn)無人自動化施工作業(yè)。

2）智能鏈臂切頂機?，F(xiàn)階段，“110工法”開采工藝中，普遍采用打孔、裝藥、爆破方法進行切頂卸壓，工人勞動強度大，風(fēng)險高，切頂成型效果難以保證，因此，上海創(chuàng)力集團股份有限公司研制了KLJ7智能鏈臂切頂機[18]。該設(shè)備推動了無煤柱采煤工藝由“人工爆破切頂”向“機械精準切頂”轉(zhuǎn)變。KLJ7智能鏈臂切頂機，長×寬×高=11.2m×1.84m×2.73m，整機功率75kW，質(zhì)量30t，最大切割深度7m，鏈臂切割速度0°/h～90°/h，鏈條轉(zhuǎn)速范圍0～0.8m/s。該機主要由切頂裝置、支頂裝置、對刀裝置、伸縮回轉(zhuǎn)裝置、機架裝置、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、行走裝置和支地裝置組成，切頂裝置是切頂機的核心部件，主要由減速機、鏈臂架體及鏈條組成，鏈條上安裝有金剛石刀具，用來切割巖石，鏈臂架體安裝有水霧噴嘴，用來降塵抑爆。但是該設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸較大，對于巷道條件要求高，巷道適應(yīng)性差，另外，該設(shè)備最大切割深度僅為7m，對于頂板較硬巖層，需要切割更大深度切縫孔時，難以滿足切縫設(shè)計要求。2019年，KLJ7智能鏈臂切頂機在同煤集團塔山煤礦三盤區(qū)8311小煤柱開采工作面2311巷道進行工業(yè)性試驗[19]，切縫深度6.6m，寬度42mm，切割效率達2m/h，切縫貫通率100%，切面光滑，沿空側(cè)側(cè)向懸頂給巷內(nèi)支護產(chǎn)生的附加作用力較小，大大降低沿空巷道頂板壓力。

2 切縫鉆機研制關(guān)鍵技術(shù)

1）等間距雙鉆孔施工的工作機構(gòu)。“110工法”頂板預(yù)裂鉆孔施工作業(yè)，大多數(shù)煤礦鉆孔直徑50 mm，鉆孔深度10m左右，孔距0.5m，但各個煤礦巷道因頂板地質(zhì)條件不同，鉆孔參數(shù)稍微有所差異，且鉆孔施工數(shù)量巨大，因此，為提高施工效率，切縫鉆機采用雙鉆臂結(jié)構(gòu)，保證1次移機可同時施工2個鉆孔，根據(jù)鉆孔孔距0.4 、0.5 、0.6m施工要求，切縫鉆機雙鉆臂間距2.5m和2.6m可調(diào)，因此設(shè)計一款等間距雙鉆孔施工的工作機構(gòu)是保證鉆孔施工效率的前提。

2）預(yù)裂切縫鉆孔施工的調(diào)角裝置。煤礦巷道普遍存在地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道底板平整度較差，施工設(shè)備調(diào)角困難等問題，為保證所有鉆孔軸線均處于預(yù)先設(shè)定的一條直線上，防止交叉串孔，每個鉆孔在施工前需調(diào)整方位角和傾角。切縫鉆機調(diào)角裝置主要由調(diào)平機構(gòu)、側(cè)推機構(gòu)和偏轉(zhuǎn)機構(gòu)組成，調(diào)平機構(gòu)主要保證履帶車體處于水平狀態(tài)，側(cè)推機構(gòu)主要用于調(diào)整鉆機機身和巷道側(cè)幫距離，偏轉(zhuǎn)機構(gòu)保證預(yù)裂切縫鉆孔角度，通過3種機構(gòu)調(diào)整，確保切縫角度滿足設(shè)計要求。

3）高效的鉆孔施工鉆具。因頂板預(yù)裂鉆孔數(shù)量多，所以高效、可靠的鉆孔施工鉆具是保障“110工法”鉆孔施工效率的重要部件。切縫鉆機在鉆孔施工過程中，考慮排渣效果，一般采用S29或準38mm鉆桿，鉆桿長度根據(jù)鉆架給進行程和施工效率而定，鉆桿接頭采用摩擦焊接，確保鉆桿柱強度。鉆頭一般采用準50三翼弧角和兩翼內(nèi)凹鉆頭，兩翼內(nèi)凹鉆頭切削巖層速度快，但是由于冷卻水從鉆頭側(cè)面噴出，易導(dǎo)致出矸不暢，影響鉆進效率。三翼弧角鉆頭采用3組金剛石復(fù)合片，強度好，鉆頭整體強度好，而且設(shè)計合理出水流暢，因此其切削巖層速度較兩翼內(nèi)凹鉆頭高。

3 切縫鉆機發(fā)展趨勢

針對我國煤礦井下“110工法”用切縫鉆機研發(fā)現(xiàn)狀和面臨的問題，切縫鉆機的發(fā)展趨勢將重點體現(xiàn)可靠性、集成化和智能化等方面。

1）提高切縫鉆機的可靠性和高效性。切縫鉆機在狹長巷道施工作業(yè)面臨作業(yè)空間緊促，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜等難題。且“110工法”頂板預(yù)裂鉆孔數(shù)量特別巨大，不能因設(shè)備故障和施工效率低下而影響采煤工作面正常推進，因此，要求切縫鉆機在結(jié)構(gòu)尺寸盡可能小的情況下，其必須具有足夠的可靠性和鉆孔施工的高效性。

2）提高切縫鉆機的集成化，實現(xiàn)一機多用?！?10工法”頂板預(yù)裂鉆孔施工，主要涉及鉆孔、捅孔、安裝聚能管、裝藥、封孔、爆破及爆破效果檢驗等工序，現(xiàn)階段，每道工序都需要1臺甚至多臺設(shè)備進行施工作業(yè)，導(dǎo)致本已狹小的作業(yè)場地，更加難以進行設(shè)備調(diào)動，設(shè)備之間干涉問題屢見不鮮，因此，要求切縫鉆機能夠?qū)崿F(xiàn)功能集成和一機多用，比如，鉆機能夠自動拆卸鉆桿的同時還能完成安裝聚能管，完成裝藥和封孔等工作。

3）提高切縫鉆機智能化控制水平。頂板預(yù)裂鉆孔施工工況就已經(jīng)表明，切縫鉆機具有如下施工特征：①鉆機移動頻繁，通過人工液控操作難以避免鉆機走偏；②鉆機姿態(tài)調(diào)整困難，特別是巷道底板條件未知，通過人工感觀對鉆機進行姿態(tài)調(diào)整，導(dǎo)致鉆孔施工易出現(xiàn)交叉串孔，所有鉆孔軸線未必在一條直線，進而導(dǎo)致切頂成型效果差。因此，必須提高切縫鉆機智能化控制水平，包括巷道空間位姿精確感知、行走路徑規(guī)劃和自適應(yīng)姿態(tài)調(diào)整。通過位姿精確感知，實時感知巷道周圍環(huán)境信息，并分析接收和處理數(shù)據(jù)，控制鉆機自主行走，按照預(yù)先設(shè)計的開孔角度、開孔位置及鉆孔間距等信息精準完成施工作業(yè)。

4 結(jié) 語

長臂開采切頂短臂梁理論及其110工法，這一技術(shù)的成功應(yīng)用標志著我國進入第三次礦業(yè)科學(xué)技術(shù)變革，研發(fā)頂板預(yù)裂鉆孔切縫鉆機是保證“110工法”順利實施的重要一環(huán)。目前切縫鉆機研制進展緩慢，尚處于機械化、自動化階段，智能化程度普遍較低，實現(xiàn)等間距雙鉆孔施工的工作機構(gòu)、鉆機調(diào)角裝置及高效的鉆孔施工鉆具等關(guān)鍵技術(shù)正在嘗試突破。提高切縫鉆機的可靠性、高效性、集成化及智能化控制水平是其發(fā)展方向。