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，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、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，項目提出研發礦用切頂機，研究配套機械化切頂工藝，實現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“切頂卸壓”；同時光滑的切面塌落后自然形成一道“石墻”，能夠為后續的留巷支護和有害氣體治理創造有利的條件。

1 .主要研究內容

（1）礦用切頂機研制

通過調研，確定切頂機應具有的功能和性能指標，研究切頂機結構組成及工作原理，研發強力切割、穩定切割、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測冗余液壓制動系統，液壓制動系統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 .創新點

（1）發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、專用噴霧降溫除塵系統、支頂支底機構、自動調平系統、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、平整穩定，實現了無煤柱開采工藝切頂卸壓工序的機械化和自動化。

（2）研發了以金剛石刀具鏈臂式切割部、閉式潤滑系統和專用噴霧降溫除塵系統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、易產生火花等問題。

切割部采用聚晶金剛石，其硬度是傳統材料的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）研發了復合聯接找正油缸、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、自動調平系統、履帶架與主機架一體式集成機構為核心的穩定切割技術，解決了煤礦井下復雜作業環境下強力切割時，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定問題。

（4）研發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、視線差的作業環境下難以精準、快速對刀的難題。

（5）研發了以設備運行工況在線監測裝置、無線遙控裝置為核心的智能切割技術，具有對刀監視、運行工況實時集中顯示、視頻監控等功能，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）取代傳統聚能爆破切頂，實現智能機械化切頂；

（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）研發集強力切割、穩定切割、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）研發自動對刀系統和監控監測系統，實現在粉塵多能見度小的環境下的自動對刀及對設備的遠程遙控監測；

（8）研發自動調平系統，以適應井下工作面的復雜工況，保證鏈臂切割部鋸能穩定高效的切割；

（9）刀具具備噴嘴及噴霧系統，實現降塵和冷卻潤滑等功能，采用低速刨削形式，刀具可干切，不易產生火花；

（10）刀具使用聚晶金剛石，硬度是傳統材料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

本項目項目申請發明專利1 項，獲得實用新型專利9項，發表2篇高水平論文，制定1項企業標準，制造樣機1臺；成果在塔山和云岡煤礦的工業性試驗（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），沿空側側向懸頂給巷內支護產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。該成果都為原始創新且為自主研發，擁有自主知識產權，對采煤工藝和方式產生根本性的改變，能夠提高煤炭回收率、降低采掘比、減少資源浪費方面將產生巨大的社會經濟效益，市場前景廣闊，并有利于振興民族科技和民族工業。

圖1 整機井下工業性試驗

圖2 頂板切縫