无煤柱高效精准锯式切顶工艺及装备研究与应用

无煤柱开采的关键技术是切顶卸压，传统切顶方式主要采用“双向聚能爆破预裂切顶”。该技术使用前要确定多种技术参数，聚能爆破钻孔时对钻孔精度，炮孔加工工艺和钻具要求很高，设导向孔需要增加钻孔量，增加钻孔成本，且该技术对钻孔、定位、炸药、套管的材质、尺寸及力学特性要求比较高。同时，使用爆破预裂顶板，存在裂缝偏差较大，缝隙不平整的问题，这使得顶板后期垮落阻力大且巷道维护困难。另外，在无煤柱开采技术中不只依靠双向聚能拉伸爆破技术，还要在采用预裂爆破技术后全面利用支护技术提高巷道的稳定性，如果不及时采用技术控制巷道顶板，就会造成离层的下沉，最终导致巷道发生变形，反而加大巷道本身的危险性。若爆破预裂切顶效果不理想，遇大面积悬顶未塌落，还需重新钻孔放炮强制放顶。

为解决上述问题，完全满足无煤柱（小煤柱）开采安全高效切顶卸压的要求，项目提出研发矿用切顶机，研究配套机械化切顶工艺，实现无煤柱工作面智能高效精准地切顶，取代定向聚能爆破切顶过程中打眼、装药等繁琐工序，降低切割成本，提升切割效率，提高切缝贯通率，彻底切断顶板应力传递途径，真正实现“切顶卸压”；同时光滑的切面塌落后自然形成一道“石墙”，能够为后续的留巷支护和有害气体治理创造有利的条件。

1 .主要研究内容

（1）矿用切顶机研制

通过调研，确定切顶机应具有的功能和性能指标，研究切顶机结构组成及工作原理，研发强力切割、稳定切割、精准切割、智能切割四大关键技术，保障无煤柱工作面巷道顶板能够安全、高效、精准地切割。

（2）工艺研究

矿用切顶机为机械化快速切顶、开槽卸压提供了装备保障，仍需探索一套配备切顶工艺，以及成套设备入井拆解、安装调试、使用维护等工艺措施，为安全、高效、精准地切顶提供工艺保障。使用矿井提升机盘式制动器智能监测冗余液压制动系统，液压制动系统的运行状况一目了然，故障或有故障趋势时可提前预知，避免提升机因制动失灵导致机毁人亡的重大事故。

2 .创新点

（1）发明了无煤柱高效精准锯式切顶工艺及装备，装备由链臂式切割部、闭式润滑系统、专用喷雾降温除尘系统、支顶支底机构、自动调平系统、履带架与主机架等集成。最大切深6.5 m，切缝宽度42 mm，链臂摆角180°，适用于切割岩石硬度f≤7岩石及软岩石，切缝一次形成、平整稳定，实现了无煤柱开采工艺切顶卸压工序的机械化和自动化。

（2）研发了以金刚石刀具链臂式切割部、闭式润滑系统和专用喷雾降温除尘系统为核心的强力切割技术，解决了岩巷强力切割难题以及强力切割时温度高、粉尘大、刀具磨损严重、易产生火花等问题。

切割部采用聚晶金刚石，其硬度是传统材料的10倍以上，其使用寿命一般不小于1 000 h；闭式润滑系统减小了刀具与岩石的摩擦，降低了刀具磨损和切割时的温度；专用喷雾降温除尘系统解决了喷嘴易堵塞导致喷雾失效的问题，且使用寿命长。

（3）研发了复合联接找正油缸、复合定位连接法兰组件等关键部件，提出了以支顶支底机构、自动调平系统、履带架与主机架一体式集成机构为核心的稳定切割技术，解决了煤矿井下复杂作业环境下强力切割时，由于底板不平整、受力复杂、设备连接强度不高等因素导致的设备运行不稳定问题。

（4）研发了以随动激光定位装置、摆动伸缩组件为核心的精准切割技术，解决煤矿井下粉尘多、灯光暗、视线差的作业环境下难以精准、快速对刀的难题。

（5）研发了以设备运行工况在线监测装置、无线遥控装置为核心的智能切割技术，具有对刀监视、运行工况实时集中显示、视频监控等功能，利用无线遥控器，仅需一人远离工作面操作设备，保证人身安全，降低劳动强度。

（6）开发了定点圆弧矩形法、定点圆弧牛角法两种切顶工艺；提出了链臂和链条同向转动切割顶板，解决了切顶过程排屑难的问题。

3 .主要达到的技术指标

（1）取代传统聚能爆破切顶，实现智能机械化切顶；

（2）链臂切割部摆角达到180°，切割速度达到0～90°/h；

（3）标准切割深度为7.0 m，有效切深达到6.45 m，切缝宽度42 mm；

（4）研发集强力切割、稳定切割、精准切割、智能切割四大关键技术于一体的矿用切顶机，保障无煤柱工作面巷道顶板能够安全、高效、精准地切割；

（5）有效提高顶板切割效率和稳定性，提高安全性，降低工人劳动强度和工作成本；

（6）切缝平整，巷道垮落阻力小，成巷效果好；

（7）研发自动对刀系统和监控监测系统，实现在粉尘多能见度小的环境下的自动对刀及对设备的远程遥控监测；

（8）研发自动调平系统，以适应井下工作面的复杂工况，保证链臂切割部锯能稳定高效的切割；

（9）刀具具备喷嘴及喷雾系统，实现降尘和冷却润滑等功能，采用低速刨削形式，刀具可干切，不易产生火花；

（10）刀具使用聚晶金刚石，硬度是传统材料10倍以上，可提高刀具切割强度和使用寿命，使其使用寿命不低于1 000 h。

4 .研究成果及应用效果

本项目项目申请发明专利1 项，获得实用新型专利9项，发表2篇高水平论文，制定1项企业标准，制造样机1台；成果在塔山和云冈煤矿的工业性试验（见图1），矿用切顶机切割速度平均值2 m/h，每天可实现20 m 的超前距离,切缝贯通率可达100%，并且切面光滑（见图2），沿空侧侧向悬顶给巷内支护产生较大的附加作用力较小，降低沿空巷道顶板压力，该矿用锯式切顶装备及配套工艺工序简化、机械化程度高，成缝效果好，最高月切缝进尺达1 200 m。该成果都为原始创新且为自主研发，拥有自主知识产权，对采煤工艺和方式产生根本性的改变，能够提高煤炭回收率、降低采掘比、减少资源浪费方面将产生巨大的社会经济效益，市场前景广阔，并有利于振兴民族科技和民族工业。

图1 整机井下工业性试验

图2 顶板切缝