切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開采切縫鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

李旭濤

（中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

切頂卸壓無(wú)煤柱開采技術(shù)，即：在工作面回采前，在需預(yù)留巷巷道頂板巖層進(jìn)行頂板預(yù)裂鉆孔，再按照一定方向進(jìn)行定向爆破，切斷預(yù)留巷道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(lái)壓作用下，采空區(qū)自然垮落形成初步穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并充填巷幫，進(jìn)而保留留巷為鄰近工作面使用[1-2]。切頂卸壓無(wú)煤柱開采技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：①減少巷道掘進(jìn)，提高了生產(chǎn)效率、保障了施工人員安全；②減少了煤柱預(yù)留，提高了煤炭采量，增加了礦方的經(jīng)濟(jì)效益。該方法成功的關(guān)鍵在于“拉得住、切的開、下的來(lái)、護(hù)得住”，其中，頂板預(yù)裂鉆孔又是切的開的重要環(huán)節(jié)[3-5]，切縫鉆孔是采用切縫鉆機(jī)沿巷道頂板方向切縫線每隔固定間距施工而成，必須滿足定位精準(zhǔn)、鉆孔角度偏差小、所有鉆孔需成1 條直線等要求，提高鉆孔保直率。因此，開發(fā)可靠的切縫鉆機(jī)尤為必要。

1 切縫鉆機(jī)整體技術(shù)方案

1.1 施工工藝

切頂卸壓無(wú)煤柱開采切縫鉆孔施工，是利用切縫鉆機(jī)沿采煤工作面方向，靠近采面巷幫，施工1 排固定間距鉆孔，要求鉆孔間距、深度、傾角一致，滿足所有鉆孔剖面形成一個(gè)平面，為后續(xù)裝藥、爆破施工提供良好基礎(chǔ)，進(jìn)而保證巷道頂板切的開、下的來(lái)[6-8]。當(dāng)然，因各采面地層條件不同，鉆孔間距、深度、傾角都有所不同，根據(jù)多數(shù)礦井無(wú)煤柱開采工藝應(yīng)用表明，鉆孔間距多為0.4、0.5、0.6 m，鉆孔深度不大于20 m，鉆孔傾角為65°左右，因采煤工作面的正常推進(jìn)，必須要求切縫鉆具備較高的鉆孔施工效率，確保煤炭采量。

因此，結(jié)合以上施工工藝，要求切縫鉆機(jī)具備定位精確、移動(dòng)靈活、雙工作臂以及靈活的調(diào)角裝置等功能。

1.2 切縫鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)

依據(jù)切頂卸壓無(wú)煤柱開采施工工藝，2017 年中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司（以下簡(jiǎn)稱西安研究院）研制了ZDY2-300LM 型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)[9-10]（以下簡(jiǎn)稱切縫鉆機(jī)）。切縫鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)為：①電機(jī)功率：45 kW；②額定扭矩：300 N·m；③額定轉(zhuǎn)速：350 r/min；④最大起拔力：8 kN；⑤主軸傾角范圍：-30°～+90°；⑥配套鉆桿直徑：38 mm；⑦配套鉆頭直徑：50 mm；⑧整機(jī)質(zhì)量：5 000 kg⑨整機(jī)尺寸：3.1 m×0.85 m×2.1 m。切縫鉆機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 切縫鉆機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Slotted drill rig structure

1.3 切縫鉆機(jī)功能及技術(shù)特點(diǎn)

1）高效施工作業(yè)。為提高鉆孔施工作業(yè)效率，保證采煤工作面正常推進(jìn)，設(shè)計(jì)雙工作臂結(jié)構(gòu)，既可雙工作臂同時(shí)施工，亦可單臂獨(dú)立施工。

2）鉆孔間距調(diào)節(jié)范圍廣。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)可移動(dòng)式雙工作臂結(jié)構(gòu)，雙工作臂同時(shí)施工，間距2.4 m 和2.5 m 可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)0.4、0.5、0.6 m 鉆孔間距靈活調(diào)整，滿足不同煤層地質(zhì)要求。

3）鉆孔角度多參數(shù)調(diào)節(jié)。為滿足鉆孔深度、傾角施工要求，設(shè)計(jì)工作臂多參數(shù)調(diào)節(jié)裝置。

4）機(jī)身窄小。切縫鉆機(jī)寬度僅為0.85 m，高度僅為2.1 m，機(jī)身窄小，可滿足大多數(shù)中小型礦井鉆進(jìn)施工要求。

5）機(jī)身穩(wěn)固。切縫鉆機(jī)設(shè)計(jì)有4 條穩(wěn)固油缸，保證鉆機(jī)施工平臺(tái)的水平，避免由于地面坑洼及巷道側(cè)幫水溝對(duì)施工效率和質(zhì)量的影響，有利于提高鉆孔施工效率和成孔質(zhì)量。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 等間距雙鉆孔施工的車體平臺(tái)

為提高鉆孔施工效率，切縫鉆機(jī)設(shè)計(jì)雙工作臂結(jié)構(gòu)，各工作臂可獨(dú)立施工，雙工作臂與車體平臺(tái)連接位置采用高強(qiáng)度螺栓連接，根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)，可靈活調(diào)節(jié)雙工作臂開孔距離，保證2.4 m 和2.5 m可靈活調(diào)節(jié)，滿足鉆孔間距0.4、0.5、0.6 m 調(diào)節(jié)。車體平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 車體平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.2 Vehicle body platform structure

車體平臺(tái)沿巷幫外側(cè)支腿可向外轉(zhuǎn)動(dòng)30°，增加抗傾覆能力約1.2 倍，提高整機(jī)穩(wěn)定性，工作臂機(jī)身緊湊，空間布局靈活，二級(jí)油缸給進(jìn)，調(diào)整范圍大，采用油缸加鏈條倍程倍速，使給進(jìn)行程為1.1 m。在工作臂頂部設(shè)計(jì)液壓夾持器和扶正裝置，夾持器操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，扶正器是在高速鉆進(jìn)施工時(shí)，保證鉆機(jī)的整機(jī)穩(wěn)定性。

2.2 預(yù)裂鉆孔施工的調(diào)角裝置

調(diào)角裝置結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 調(diào)角裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of angle adjusting device

調(diào)角裝置包括安裝板、側(cè)推油缸、回轉(zhuǎn)支撐和側(cè)推板，調(diào)角裝置通過(guò)螺栓連接安裝于車體平臺(tái)，根據(jù)需要可調(diào)整安裝螺栓位置，確保鉆孔間距施工要求，工作臂通過(guò)螺栓安裝于回轉(zhuǎn)支撐上。工作臂通過(guò)側(cè)推油缸在安裝板導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)，用于調(diào)整鉆機(jī)機(jī)身跟巷幫間的距離。通過(guò)回轉(zhuǎn)支承的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工作臂的旋轉(zhuǎn)，從而完成不同角度的鉆孔施工。

2.3 高效的鉆孔施工鉆具

根據(jù)鉆孔施工要求，分析鉆桿接頭溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律和摩擦焊焊縫在時(shí)空域的應(yīng)力響應(yīng)行為，確保施工穩(wěn)定性。根據(jù)施工工藝，優(yōu)化鉆具級(jí)配，環(huán)狀間隙大，排屑效率高，設(shè)計(jì)了錐度1∶8 的三角形螺紋的φ38 mm 專用鉆桿，鉆桿長(zhǎng)度1 000 mm，通過(guò)鉆桿的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和鉆具級(jí)配，保證了鉆機(jī)具備較好的保直率。開發(fā)了φ50 mm 三翼弧角內(nèi)凹鉆頭，復(fù)合片呈剖弧線排布，破巖效率高。同時(shí)，鉆頭齒窩采用五軸加工中心鉆銑成型，形成包鑲焊接的效果，大大提高焊接強(qiáng)度，有效避免“掉片”現(xiàn)象，提高鉆頭使用壽命。

2.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)原理圖略。切縫鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)必須能夠滿足在額定功率下2 套工作機(jī)構(gòu)同時(shí)工作時(shí)不相互干擾，并在1 套工作機(jī)構(gòu)施工時(shí)，增加回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步提高施工效率，采用具有LUDV 功能的主閥搭配變量泵，可滿足上述要求，且閥后補(bǔ)償技術(shù)可避免兩機(jī)構(gòu)相互影響而帶來(lái)的波動(dòng)，保證施工效率。雙動(dòng)力頭切縫鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)主要由A10VO100 負(fù)載敏感變量泵、3 個(gè)液控LUDV 多路閥和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其中2 個(gè)LUDV 多路閥分別控制2 個(gè)動(dòng)力頭的回轉(zhuǎn)、給進(jìn)和夾持器的夾持功能，1 個(gè)LUDV 多路閥主要控制工作臂的姿態(tài)調(diào)整、穩(wěn)固支腿和履帶行走，整機(jī)采用水冷散熱器，并利用先導(dǎo)油源為操作手柄提供液壓油。

2.5 水路系統(tǒng)

切縫鉆機(jī)水路系統(tǒng)如圖4。

圖4 水路系統(tǒng)示意圖Fig.4 Waterway system diagram

切縫鉆機(jī)施工過(guò)程中，需要用水沖洗鉆孔排渣和液壓系統(tǒng)冷卻，考慮大多數(shù)頂板預(yù)裂鉆孔深度為10 m 左右，井下靜壓水即可滿足要求，且防止冷卻器被沖壞，在沖洗水路后設(shè)計(jì)減壓閥；在2 組沖洗水路上，設(shè)計(jì)2 組兩位三通閥，鉆進(jìn)時(shí)，水進(jìn)入鉆桿進(jìn)行沖洗；停鉆時(shí)，鉆桿中間的水在重力作用下經(jīng)過(guò)兩位三通閥排除，避免加裝或拆卸鉆桿時(shí)，水流淋濕工人。

3 試驗(yàn)測(cè)試

3.1 型式試驗(yàn)

切縫鉆機(jī)裝配、調(diào)試完成之后，在國(guó)家安全生產(chǎn)勘探設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)中心進(jìn)行鉆機(jī)空載和負(fù)載能力測(cè)試，主要包括扭矩、轉(zhuǎn)速、給進(jìn)力、起拔力及過(guò)載能力測(cè)試。

1）空載試驗(yàn)。首先在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)該履帶鉆機(jī)流量和壓力進(jìn)行測(cè)試，分別在液壓泵出口和LS 反饋閥處連接流量計(jì)，保持動(dòng)力頭空轉(zhuǎn)進(jìn)行測(cè)試，空載情況下鉆機(jī)測(cè)試結(jié)果見表1。結(jié)果表明：當(dāng)雙動(dòng)力頭不論單獨(dú)或同時(shí)動(dòng)作時(shí)，變量泵的出口壓力均為8 MPa 左右；當(dāng)液壓系統(tǒng)處于中位待機(jī)時(shí)，系統(tǒng)輸出流量10.8 L/min，此時(shí)LS 反饋閥壓力為5.1 MPa，說(shuō)明系統(tǒng)存在一定的泄露；當(dāng)雙動(dòng)力頭進(jìn)行回轉(zhuǎn)和給進(jìn)時(shí)，單獨(dú)動(dòng)作和同時(shí)動(dòng)作的系統(tǒng)流量和壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，LS 反饋閥油口壓力并無(wú)顯著變化，說(shuō)明該系統(tǒng)各回路流量不受其外負(fù)載影響，僅與LS 反饋油路有關(guān)。

表1 空載情況下鉆機(jī)測(cè)試結(jié)果Table 1 Rig test results under no-load condition

2）負(fù)載試驗(yàn)。對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以減小LS 信號(hào)的泄漏，通過(guò)提高工作閥組的LS 溢流壓力和工作閥組數(shù)量的優(yōu)化，閥片數(shù)由18 片等效降為8片，從而降低LS 信號(hào)的泄漏量補(bǔ)償內(nèi)部泄漏。負(fù)載情況下鉆機(jī)測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 負(fù)載情況下鉆機(jī)測(cè)試結(jié)果Table 2 Rig test results under load

3.2 工業(yè)性試驗(yàn)

ZDY2-300LM 型切縫鉆機(jī)于2018 年10 月在陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司象山煤礦3#煤回風(fēng)下山補(bǔ)巷進(jìn)行首次工業(yè)性試驗(yàn)，共計(jì)施工作業(yè)14 d，施工鉆孔共計(jì)26 個(gè)，包括：孔徑50 mm 切縫鉆孔18個(gè)，最大孔深29 m，最小孔深8 m；孔徑35 mm 錨桿（索）孔8 個(gè)，最大孔深12 m，最小孔深6 m；鉆機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足切頂卸壓無(wú)煤柱開采技術(shù)頂板預(yù)裂鉆孔及錨桿（索）孔施工要求。

2019 年1 月，ZDY2-300LM 型切縫鉆機(jī)在黑龍江龍煤雙鴨山礦業(yè)有限責(zé)任公司東榮二礦南四17層二面下料道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，截至5 月中旬，南四17 層二面已經(jīng)全部回采完成，共計(jì)施工頂板預(yù)裂鉆孔1 100 余個(gè)，累計(jì)鉆孔進(jìn)尺10 044 m，為后續(xù)切頂卸壓無(wú)煤柱開采技術(shù)爆破施工及工作面的安全回采奠定了基礎(chǔ)，與之前礦方所使用的鉆機(jī)相比，鉆孔施工效率提高73%[11-12]。

2019 年5 月，ZDY2-300LM 型切縫鉆機(jī)在華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲一號(hào)煤礦，進(jìn)行切頂卸壓無(wú)煤柱開采技術(shù)頂板預(yù)裂鉆孔施工，截止2020 年底，切縫鉆機(jī)在2204 綜采工作面施工鉆孔32 000 m，基于無(wú)煤柱開采技術(shù)，大幅提高了沙曲一號(hào)煤礦資源利用率。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）研制的ZDY2-300LM 型切縫鉆機(jī)，有效解決了切頂卸壓無(wú)煤柱開采技術(shù)頂板預(yù)裂鉆孔施工缺乏專用設(shè)備難題，該鉆機(jī)具備施工作業(yè)高效、鉆孔間距調(diào)節(jié)范圍廣、鉆孔角度參數(shù)調(diào)節(jié)多，機(jī)身窄小及較好的鉆孔保直率等顯著特點(diǎn)。

2）基于施工工藝，分析了切縫鉆機(jī)結(jié)構(gòu)布局、車體平臺(tái)、調(diào)角裝置、施工鉆具、水路系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，針對(duì)型式試驗(yàn)分別對(duì)切縫鉆機(jī)進(jìn)行空載試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明鉆機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

3）鉆機(jī)分別在象山煤礦、東榮二礦和沙曲一號(hào)煤礦進(jìn)行頂板預(yù)裂鉆孔施工應(yīng)用，鉆孔總進(jìn)尺近50 000 m，結(jié)果表明鉆機(jī)滿足切頂卸壓無(wú)煤柱開采技術(shù)頂板預(yù)裂鉆孔施工要求，并取得了良好的切頂卸壓效果，確保了采煤工作面的安全正常推進(jìn)，提高了礦井生產(chǎn)效率。