水力切割技術(shù)在煤礦安全領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展前景

文 虎，秦 康，鄭學(xué)召，郭 軍

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.國(guó)家礦山應(yīng)急救援西安研究中心，陜西 西安 710054；3.陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

煤炭作為我國(guó)的主要能源，其生產(chǎn)量和消費(fèi)量約占全國(guó)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)總量76%和66%[1-2]。我國(guó)95%以上的煤礦是井工開(kāi)采[3]，井工開(kāi)采工作環(huán)境中含有爆炸性物質(zhì)，會(huì)發(fā)生瓦斯（煤塵）爆炸事故，威脅礦工生命安全。在煤礦生產(chǎn)中，軌道鋪設(shè)、錨桿切割、設(shè)備回收等工作，不可避免的需要進(jìn)行切割作業(yè)。在礦井事故救援過(guò)程中，救援人員往往需要清理救援通道，難以避免地需要進(jìn)行切割作業(yè)。目前應(yīng)用于井下的切割工藝操作繁瑣，效率低，事故風(fēng)險(xiǎn)大，威脅礦工和救援人員生命安全。因此，有必要尋找一種新型的、可應(yīng)用于煤礦危險(xiǎn)環(huán)境的安全高效的切割技術(shù)。水力切割技術(shù)是一種冷切割技術(shù)，它在切割過(guò)程中沒(méi)有化學(xué)變化，具有對(duì)切割材料性能無(wú)影響、無(wú)熱變形，不會(huì)產(chǎn)生粉塵和有毒氣體的特點(diǎn)，而且避免了明火作業(yè)，適用于存在易燃易爆物質(zhì)和封閉的環(huán)境中。因此，水力切割技術(shù)在煤礦井下生產(chǎn)和礦山救援方面將有很大的發(fā)展空間。

1 水力切割原理以及特點(diǎn)

水力切割可分為純水、添加劑和磨料水力切割3種。純水水力切割僅以水作為工作介質(zhì)，只能切割紙張、塑料、橡膠等軟材料，切割能力較差；添加劑水力切割是在水中添加高分子長(zhǎng)鏈聚合物，可以切割稍硬的材料，切割能力相對(duì)較好；磨料水力切割是把水與固體磨料顆粒混合，固體顆粒在高壓水射流中獲得強(qiáng)大的動(dòng)能來(lái)沖擊被切割物體，可以切割硬質(zhì)材料，極大地提高了切割能力，進(jìn)一步拓寬了水力切割的應(yīng)用范圍。

1.1 水力切割的原理

水力切割技術(shù)是采用超高壓技術(shù)將普通的水流加壓至高壓，并通過(guò)小直徑噴嘴噴射高速射流，切割材料。若是把磨料混合到高壓水射流中形成的高壓磨料水射流具有較高的切割能力可以切割大部分的材料。目前的水力切割系統(tǒng)包括高壓水裝置、控制系統(tǒng)、磨料添加裝置、噴頭。磨料水力切割系統(tǒng)如圖1。

圖1 磨料水力切割系統(tǒng)圖

高壓水裝置出來(lái)的高壓水被高壓水分配管路分成平衡和引射2個(gè)水路，高壓水在引射水路中將高壓磨料罐中的磨料變成流態(tài)，流入到混合室，從另外一側(cè)輸出混合流體，匯合入平衡水路中的高壓水，然后將此混合流體輸送至噴槍進(jìn)行切割作業(yè)[4]。

1.2 水力切割的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

查閱相關(guān)文獻(xiàn)[5]，對(duì)比分析了水力切割工藝與其它常規(guī)切割工藝在不同材質(zhì)切割方面應(yīng)用的情況，水切割與其他切割方法比較見(jiàn)表1。

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)：

1）切割過(guò)程安全環(huán)保。水力切割過(guò)程幾乎不會(huì)有熱量和火花產(chǎn)生，被切割物體不會(huì)因受熱而使性能發(fā)生變化，也可應(yīng)用在有爆炸物質(zhì)的環(huán)境中。而且，水力切割時(shí)水和被切割物體都不會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，不會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)和粉塵，是一種綠色切割技術(shù)。

2）切割質(zhì)量好、效率高。在高水壓作用下水力切割工藝不僅可以快速切割金屬，而且加工質(zhì)量高，切口狹窄，切面光滑，切口材料結(jié)構(gòu)和性能不產(chǎn)生變化。

3）應(yīng)用范圍廣，適用性強(qiáng)。除少數(shù)材料外，水力切割技術(shù)幾乎可切割于所有金屬和非金屬材料。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。

表1 水切割與傳統(tǒng)切割方法比較

2 水力切割在煤礦安全領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 煤礦開(kāi)采方面的應(yīng)用

水力采煤是以高壓水射流作為動(dòng)力源破落煤體的一種采煤工藝，該技術(shù)適用于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的不穩(wěn)定和急傾斜煤層以及旱采機(jī)械化開(kāi)采難以開(kāi)采的煤層[6-7]。如襄垣七一新發(fā)煤業(yè)有限公司井田南翼丟棄的邊角煤柱煤層斷層多，地質(zhì)變化較大。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，設(shè)計(jì)水力采煤工藝系統(tǒng)以及布置水采巷道和硐室，極大的提高了煤炭資源的回收率，提高了礦井經(jīng)濟(jì)效益，開(kāi)采過(guò)程中的安全性也得到提高[8]。水力采煤比其他采煤方法的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)：

1）水力采煤工作面用水槍采煤，礦工可以在水采工作面以外進(jìn)行操作，在無(wú)人的情況下也可以開(kāi)采煤礦，提高了工作面安全性。

2）水力采煤工作面采用高壓水射流采煤，極大地降低了煤塵產(chǎn)生量，降低了煤塵爆炸的可能性。

3）水力采煤工藝，主要靠水射流落煤，增加了采空區(qū)浮煤的濕度，可有效延長(zhǎng)遺煤的自然發(fā)火期，減小煤自燃的發(fā)生。因此，應(yīng)用水力采煤技術(shù)使得煤礦生產(chǎn)的安全性得到了極大提高。

2.2 巷道掘進(jìn)方面的應(yīng)用

在煤礦生產(chǎn)中，煤巖巷的掘進(jìn)是重要的生產(chǎn)步驟，掘進(jìn)的速度、截齒的切割強(qiáng)度和截齒的使用壽命都會(huì)影響著掘進(jìn)工作的進(jìn)行。巖巷掘進(jìn)過(guò)程中使用高壓水射流輔助截齒進(jìn)行煤巖體的切割能夠提高掘進(jìn)的速度和截齒的使用壽命。覃兆勇[9]等把高壓水射流破碎煤巖的機(jī)理歸納為了3點(diǎn)，即沖蝕破碎作用、剪切破碎作用和拉伸破碎作用，并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)得出高壓水射流破碎煤巖時(shí)，煤巖受到了沖擊、剪切和拉伸破碎的作用。張文華等[10]研究了高壓水射流與機(jī)械齒聯(lián)合破巖的機(jī)理和高壓水射流破碎巖石過(guò)程，得到了高壓水射流與機(jī)械齒聯(lián)合破巖的效率約為高壓水射流和機(jī)械齒單獨(dú)破巖之和的2倍，射流和齒的間距在13 mm左右最佳。楊曉峰等[11]研究了由于溫度的變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)巖石切割刀具的影響，得出了熱應(yīng)力是導(dǎo)致巖石切割刀具失效的主要因素，將熱應(yīng)力控制在合理的范圍內(nèi),可以避免刀具過(guò)早失效,延長(zhǎng)其使用壽命。因此，使用高壓水射流輔助煤巖巷道的掘進(jìn)能夠提高掘進(jìn)的速度，延長(zhǎng)巖石切割刀具，節(jié)約巷道掘進(jìn)成本。使用水射流輔助掘進(jìn)煤巖巷道還能夠起到降塵的效果，避免煤巖塵的積聚，可以避免掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生煤塵爆炸事故，提高煤巖掘進(jìn)的安全性。

2.3 瓦斯抽采方面的應(yīng)用

水力化技術(shù)近年來(lái)在煤礦瓦斯抽采方面得到了大量研究與實(shí)踐，它利用高壓水作為儲(chǔ)層內(nèi)原生裂隙擴(kuò)大、延伸形成新的孔洞、裂隙等的動(dòng)力，使得巖體產(chǎn)生位移，以達(dá)到儲(chǔ)層卸壓、增滲的目的，如水射流割縫(或擴(kuò)孔、鉆孔)、水力壓裂等[12]。常利銘[13]研究了水力壓裂機(jī)理，以解決低透性煤層瓦斯抽采效率低，鉆孔施工量大等問(wèn)題，分析了該技術(shù)對(duì)的煤體增透、改變煤體強(qiáng)度、平衡地應(yīng)力等的影響，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，延長(zhǎng)了抽采時(shí)間，提高了抽采瓦斯?jié)舛?、瓦斯量和抽采效率。沈春明[14]等基于高壓水射流割縫卸壓增透的原理，研究了割縫后煤體滲透率和瓦斯抽采效果的變化，得到了煤體在割縫卸壓變化過(guò)程中透氣性的變化規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，割縫后煤體透氣性提高到113倍，抽采有效影響半徑增加1倍。因此，水力切割技術(shù)可以提高低滲透性煤層的滲透率，使得瓦斯的抽采效果顯著提高，有助于預(yù)防煤與瓦斯突出，具有良好的應(yīng)用前景。

2.4 材料切割方面的應(yīng)用

礦井下環(huán)境特殊對(duì)于明火的使用有限制，使得井下切割作業(yè)的難度增加。目前，傳統(tǒng)切割技術(shù)在礦山切割等作業(yè)中由于其切割熱效應(yīng)和切割火花，會(huì)造成瓦斯爆炸等安全隱患，不適用于井下作業(yè)。

水力切割技術(shù)因其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，不僅作業(yè)安全而且有較高的切割效率，可應(yīng)用于煤礦井下爆炸氣體環(huán)境中。李秉軒等[15]對(duì)水力切割技術(shù)在井下切割錨索鋼絞線進(jìn)行了研究，得出了水力切割技術(shù)可以快速有效切割錨索等支護(hù)索具，能很好的解決煤礦井下回采巷道頂板放頂困難的問(wèn)題，同時(shí)避免了用傳統(tǒng)切割技術(shù)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)。沈娟[16]研究了磨料水射流切割技術(shù)在煤礦切割作業(yè)中磨料流量、工作壓力和切割速度等對(duì)切割效率的影響，并對(duì)幾種煤礦生產(chǎn)過(guò)程中遇到的材料，進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，例如鋼板、螺栓和鏈環(huán)，得出了最優(yōu)的切割參數(shù)。黃永菊等[17]結(jié)合磨料水射流的特性，分析切割質(zhì)量的多種情況，建立了影響切割質(zhì)量參數(shù)的分析模型，為磨料水射流切割工藝參數(shù)的選擇、切割質(zhì)量和速度提升提供了參考。可以看出水力切割技術(shù)對(duì)煤礦井下常見(jiàn)材料的切割有較好的適用性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

3 水力切割技術(shù)在礦山救援方面的應(yīng)用前景分析

3.1 需求分析

我國(guó)礦井災(zāi)害多發(fā)，尤其是礦井重特大事故的發(fā)生，往往會(huì)造成巷道坍塌、通風(fēng)系統(tǒng)損毀、繼發(fā)性火災(zāi)和瓦斯爆炸等，極大地威脅救援人員的生命安全[18-19]。在事故救援過(guò)程中，通常需要進(jìn)行設(shè)備破拆、巷道清理、拆除密閉等，需要利用水力切割這種高效、安全的切割技術(shù)工藝。

在發(fā)生瓦斯爆炸和火災(zāi)事故時(shí)，通常需要對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行封閉，以便控制和處理災(zāi)情。而在災(zāi)后恢復(fù)生產(chǎn)中，需對(duì)災(zāi)區(qū)密閉進(jìn)行拆除。現(xiàn)有井下密閉拆除技術(shù)對(duì)高強(qiáng)度密閉強(qiáng)行拆除需要的時(shí)間較長(zhǎng)，效率低，救援人員遭遇次生災(zāi)害的可能性增大。因此，迫切需要研發(fā)高效且安全的破拆技術(shù)。此外，在沖擊地壓等事故救援過(guò)程中，救護(hù)隊(duì)有時(shí)面對(duì)遇險(xiǎn)人員被困于井下巷道內(nèi)，現(xiàn)有裝備無(wú)法快速安全高效破拆等問(wèn)題，同樣需要高效安全的破拆技術(shù)裝備。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)分析

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)為質(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）提升切割速度。在煤礦井下事故發(fā)生時(shí)，時(shí)間是非常寶貴的，救護(hù)隊(duì)需要用最少的時(shí)間抵達(dá)救護(hù)現(xiàn)場(chǎng)救出被困人員。這就需要快速的切割設(shè)備來(lái)清理路障，因此，水力切割設(shè)備應(yīng)該提高切割效率，使得救護(hù)隊(duì)員能夠最快清理障礙，以最快的速度營(yíng)救被困人員。

3）水力切割裝備的防爆性。雖然水力切割的介質(zhì)是水，具有不產(chǎn)生高溫、明火、火花等優(yōu)勢(shì)，但裝備本身若使用電力驅(qū)動(dòng)的話，設(shè)備的防爆性能也需要滿足災(zāi)區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

水力切割技術(shù)是一種冷切割技術(shù)，切割過(guò)程安全環(huán)保，介紹了水力切割技術(shù)的原理、特點(diǎn)以及在煤礦安全領(lǐng)域的應(yīng)用。水力切割技術(shù)不斷裝備的便攜性、切割速度和裝備電氣設(shè)備防爆性等性能后，在煤礦安全生產(chǎn)和礦山救援領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。