矿井救援用水力切割工艺参数优化试验

宋先明，郑学召，刘士建，李兴玉，姜 鹏

（1．兖矿集团有限公司，山东 济宁273500；2．西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安710054）

矿井生产环境特殊且复杂，较容易发生火灾及瓦斯或者粉尘爆炸，危及矿工的生命财产安全。当矿井发生事故时，救护队员在救援的过程中，不可避免的对设备的钢板、锚杆、轨道及管段线路进行切割；尤其发生重大灾害时，不可避免的要对井下进行封闭[1]，在灾后恢复生产要对密闭墙进行拆除。目前现有的井下切割技术为火力切割以及手动切割[2]，这2 种切割方式都有可能在切割的过程中产生火花，引起瓦斯爆炸。而且这2 种切割方式，操作过程繁复、效率低。因此，就有必要寻求一种可以防止火源产生、避免矿井瓦斯爆炸的高效切割技术。

水力切割是一种新型发展的切割技术。它是通过加压水泵使水从一个极细的喷嘴喷出，形成高压水射流，以完成清洗、切割、破碎等作业，在采矿、机械、石油、军工、医学等行业得到了较广泛的应用[3]，许多专家以及学者对此进行了研究[4-5]，但研究只是分析了切割参数对于切割效果的影响，并没有研究切割不同材料的最佳的工艺参数。为此分别对井下设备的钢板、锚杆以及密闭墙进行了切割试验，得到不同工艺的切割参数，并将得到的切割工艺参数进行优化，得到最优的切割参数,以期为提高矿井救援效率提供参考。

1 水力切割技术原理及特点

1.1 水力切割原理

水力切割技术就是将普通的水流通过增压泵加压，然后通过细小的喷嘴喷射出的高压水流，来切除软性材料。如果在高压水流中加入一些磨料，形成浆液，则可以切割任何硬性材料[6]。

普通水经过滤器变成清水，然后通过高压泵将压力提升至70 MPa 变成高压水，水流被高压水分配管路分成平衡水路和引射水路2 路[7]。高压水在引射水路中将高压磨料罐中的磨料变成流态，然后流入到混合腔，从另外一侧输出混合均匀磨料与高压水，然后将此高压磨料浆液输送至喷枪。喷嘴小孔（直径为1 mm 左右）将高压磨料浆液喷出，变成极高能量密度的高速磨料水射流，完成切割作业。

1.2 便携式水力切割的特点及优势

便携式水力切割技术与其它常规切割工艺相比，具有以下几个优势[8]：

1）便携性。由于救护队员在救灾时本身携带的必须装备已经很重，如果水力切割装备本身质量太大，那对救护队员将会是很大的负担。因此，需要把水力切割装置设计的质量轻、携带方便，这样才能够真正的应用于救护队的救援工作。

2）防爆性。便携式水力切在切割过程中具有不产生高温、明火、火花等优势，而且压力小，功率低，设备的防爆性能满足灾区环境特点。

3）应用范围广，适用性强。除钢化玻璃等少数材料外，水力切割技术几乎可应用于所有金属、非金属材料的切割加工。水力切割的执行机构是喷头，体积较小，可应用于人员不方便进入的场所以及常规切割工具难以触及的狭小空间，具有较强的适用性。

2 水力切割装置的结构参数

水力切割装置主要在矿井事故现场应用，其便携性在煤矿事故救援显得尤为重要，同时采用新型喷射系统以及辅助控制系统。目前的水力切割系统包括高压泵装置、控制系统、磨料添加装置、喷枪。本试验装置除上述系统外，加入了喷射系统以及辅助控制系统组成。

1）高压泵。高压泵的主要技术参数：①功率：15 kW；②额定电压：380 V；③电流：13．1 A；④过滤器容积：8．4 L；⑤水泵的流量：11 L/min。

2）磨料罐。磨料罐的材料为490 MPa 级的20 号锰钢，总质量控制在50 kg 以内，高度为1.2 m，外壳厚度为25 mm，公称直径为240 mm，额定工作压力70 MPa。

3）喷枪。为了处理大块煤（矸）石挤压遇险人员，或卡住放煤口和转载机头等情况，有必要研究一种单人手持式枪头。原有水切割为单枪头切割，在切割过程中形成单独水射流，切割缝细小，为射线运动方向切割，会很快切割出一条缝隙。考虑大块煤（矸）石厚度大，即使环形切割也不会快速开通，研发双枪头切割枪，将2 个枪头喷射射流在适当处交叉，保持原有压力使用双射流交叉切割，使大块煤（矸）石成块落，加快切割速度。

4）辅助控制系统。原有水利切割装置工装是针对圆形金属或金属结构的个体开发，主要是固定到切割体或使用强磁吸附到切割体上作为支点稳定切割过程。密闭墙为砖混结构，无法固定切割枪，快速开展切割工作。通过利用现场锚杆、支架或密闭墙上检测管等作为固定切割夹具的固定点，研制了新型切割夹具控制系统，使切割枪快速固定到密闭墙体，加快切割速度。

3 试验探究

3.1 钢板切割试验

在矿井发生事故时，大量的机械设备被困井下，给破拆过程造成一定困难，增加了工人破拆的破拆强度以及拆除时间。因此，研究设备参数对于材料的切割效果的影响尤为重要。试验材料的选择的是45#钢板，45#钢板参数为：①强度极限：≥600 MPa；②屈服极限：≥355 MPa；③伸长率：≥16%；④压缩率：≥40%；⑤布氏硬度：≤197。

首先研究了压力对切削深度的影响。在切割速率66.7 mm/min，磨料流量为1.67 kg/min，靶距为10 mm 的工作条件下，压力对于钢板切割深度的影响如图1。

图1 压力对于钢板切割深度的影响

如图1，切削深度与压力近似呈正比关系。随着压力不断增大，切削深度也不断加深。由于大多数的矿井生产以及运输设备的钢板的厚度小于20 mm。所以40 MPa 的切割压力基本能够满足矿井破拆要求。

移动速度对于钢板切割深度及切割速率的影响如图2。切割条件是磨料流量1.67 kg/min，靶距为10 mm。由图2 可知，随着喷嘴的移动速度的不断增加，切割速率先迅速增大然后逐渐减小。然而切割深度与移动速度近似呈反比关系，即随着喷嘴移动的速度的增加，切割深度不断减小。综合考虑喷嘴的移动速度对于切割深度以及切割速率这2 个因素的影响，对喷嘴的移动速度进行优化，优化的结果为80 mm/min。

图2 移动速度对于钢板切割深度及切割速率的影响

靶距对于切割深度的影响如图3，由图3 可知，随着靶距的增加，切割深度先增大后减小，在靶距值为10 mm 时达到峰值,表明靶距为10 mm 时切割深度最佳。

图3 靶距对于切割深度的影响

磨料流量对于切割深度的影响如图4，试验中喷嘴移动速度为80 mm/min，靶距为10 mm，切割压力为40 MPa。由图4 可知，随着磨料流量的增大，切割深度先急剧增大，然后缓慢减小，在磨料流量为3.2 kg/min 达到切割深度的峰值，切割深度为20 mm。

图4 磨料流量对于钢板切割深度的影响

3.2 锚杆切割试验

锚杆支护是矿井巷道中最常见支护方式之一[9]。在煤矿发生事故时，通常采用手动破拆。但该破拆方式工作量大，工人操作强度大，拆除时间长。所以采用水力切割装置是一种有效的破拆工具。试验锚杆的公称直径为20 mm，屈服强度335 MPa，抗拉强度490 MPa，延伸度16%，破断载荷试验的目的是找出切断锚杆的最佳参数。

压力对锚杆切割深度的影响如图5，试验中切割速度为80 mm/min，切割距离为8 mm。由图5 可知，随着锚杆承受的压力增大，切削深度不断增大，直到压力为35 MPa 时，切割深度值趋于水平。说明当压力为35 MPa 时，锚杆被切断。

图5 压力对于锚杆切割深度的影响

工作效率的大小取决于移动速度的大小。切割速度对于锚杆切割深度的影响如图6，在锚杆所受压力为35 MPa，靶距为8 mm 的试验条件下，随着移动速度不断增大，切割深度保持不变，当移动速度为90 mm/min 时，切割深度不断变小。说明在压力为35 MPa，靶距为8 mm，移动速度为90 mm/min，锚杆被切断。

图6 切割速度对于锚杆切割深度的影响

切割距离是决定切割速度的重要指标之一[10]。靶距对于锚杆切割深度的影响如图7, 试验中切割深度为20 mm，压力为35MPa，研究表明在靶距为8 mm 时为最佳切割距离。

图7 靶距对于锚杆切割深度的影响

3.3 密闭墙切割试验

矿井灾害发生过程中，尤其是发生重大矿井灾害，瓦斯爆炸和火灾，要对灾区进行封闭。而在灾后恢复生产中，要对密闭墙进行破拆。试验材料为水泥与黄沙的混合物，墙体厚度为500 mm。试验目的为寻求切割密闭墙的最优试验参数，从而有效的减少拆除密闭墙的时间，增强救援过程中的时效性。

首先研究了切割压力与密闭墙切割深度之间的关系。试验中切割速度为80 mm/min，切割距离为8 mm。试验结果表明：切割深度随着切割压力增大而不断增大，当压力增大到44 MPa 时，切割深度趋于水平。国家标准中的井下压力的为44.7 MPa，所以符合国家标准。

其次研究了喷嘴的移动速度对于密闭墙切削深度的影响，试验中切割压力为44 MPa，切割距离为8 mm。试验结果表明当移动速度为105 mm/min 时切割深度最佳。

4 结 语

便携式水力切割技术应用于煤矿应急救援中，不但可以减少传统切割技术所带来的安全隐患，而且还大大提高了工作效率。通过试验得出了水力切割技术在切割钢板、锚杆以及密闭墙最优的技术参数。其结果如下：切割钢板的压力为40 MPa，喷嘴的移动速度为80 mm/min，靶距为10 mm，磨料流量为3.2 kg/min；切割锚杆的压力为35 MPa，移动速度为90 mm/min，靶距为8 mm；切割密闭墙的压力为44 MPa，移动速度为105 mm/min。通过优化技术参数，可以缩短救援时间，提高救援的时效性，从而大大减少人员伤亡以及国家财产损失。