水力切割技术在退锚工序中的应用

赵垚庭 张 博 李 晋

（山西长平煤业有限责任公司，山西 晋城 048006）

1 概况

长平矿Ⅲ5303 放顶煤工作面位于3#煤一水平五盘区，地面标高1023～1181 m，煤层底板标高389～466 m，工作面走向长度1 337.01 m，倾斜长度294.58 m，煤层总厚度5.53 m。

基本顶：细粒砂岩，厚度9.8 m，灰色，细粒结构，巨厚状，以石英、长石为主，分选一般，呈次圆状。普氏硬度均值7.1，单向抗拉强度均值3.5 MPa，单向抗压强度均值81.5 MPa，稳定性级别为Ⅱ级。直接顶：砂质泥岩，厚度4.98 m，浅灰色，砂质分布不均，性脆，质软，块状。普氏硬度均值7.4，单向抗拉强度均值为3.3 MPa，单向抗压强度均值为79.8 MPa，稳定性级别为Ⅱ级。

Ⅲ5303 放顶煤工作面顺槽顶板锚索多数变形无法退锚，采面上下隅角悬顶超标现象时有发生，给安全生产带来影响。针对变形锚索无法退锚的难题，引进水力切割技术，通过切割使锚索失效。

2 水切割装置

目前工作面所用为QSM-3 矿用水切割装置，该装置主要分为两部分：混砂罐、液控阀、安全阀、压力表等部件组成的动力设备和高压胶管、软轴、强磁切割头组成的切割装置。

该装置由井下供液系统接入装置，将高压水和石榴砂混合后从水刀喷嘴产生高速水柱进行切割，通过操控手轮，远程操作水刀摆动，从而完成切割作业。工作压力为31.5 MPa，喷嘴流量为4～6 L/min，切割速度为2.5 min/根，能持续工作25～40 min 左右，可对井下各种开花、变形锚索进行切割[1]。

3 水切割装置的应用与改进

3.1 水切割装置的优点

与常规退锚机具相比，水切割装置主要有以下优点：

（1）设备轻便、用人少。使用传统退锚千斤进行退锚作业时，从扶梯、观山、操作退锚泵到上举退锚千斤，至少需要4 人方可完成作业。使用水切割装置切割锚索过程中1 人负责观山和操作液压动力开关，1 人负责安装水刀装置并操作手轮进行切割作业，仅需2 人就可以完成整个作业，与常规退锚作业相比可减少2 人。且该装置的水刀重量不足5 kg，远远轻于退锚千斤的18 kg，极大减轻了作业人员的劳动强度[2]。

（2）结构简单，无须额外增加系统。该水切割装置利用井下现有供液系统，31.5 MPa 的泵站供液压力足以满足切割锚索的需要，从而形成装置的动力来源，无须额外增加系统[3]。

（3）应用范围广。传统退锚装置锚索要求较高，当锚索出现开花、变形等现象时，无法使用常规方式进行退锚。而使用水切割装置之后，由于退锚原理的革新，无论顶上锚索如何变形严重，都能够正常切割达到退锚效果。此外，现场锚索吊挂工字钢、外露长度过短或被单体柱遮挡后，传统退锚装置很难发挥作用，而水切割装置则不受此影响。

（4）退锚速度快。正常切割时，切割速度达到2.5 min/根，与传统退锚装置的8 min/根相比单根作业时间缩短60%[4]。

（5）服务时间长。传统的退锚装置平均服务时间不足2 天，更有甚者不到1 个班便损坏，损坏原因多为锚具变形、缸套裂开、缸体漏液、达不到额定压力等，井下无法修复只能更换锚具或更换整体。而水切割装置构造简单，更换部分小型易损件即可，无须上井修复就可以保证锚索切割工作的进行。

3.2 水切割装置的改进

（1）切割头通过强力磁铁吸附在托盘和工字钢表面，通过强磁产生的垂直作用力进而产生水平方向的摩擦力，来抵抗水力切割的作用力。针对托盘和工字钢变形可以做出调整，从而保证切割头的位置，但遇到强磁吸附点不平整时，作用力范围会减小，导致固定切割头的磁吸力下降进而造成切割头掉落威胁作业人员安全。对此，在切割头两侧加工4 个连接耳并各固定1 根带安全扣的小链，在井下切割作业之前与顶上金属网连接，从而避免切割头脱落伤人[5]。

（2）该装置的水刀喷嘴直径小，其筛砂装置对井下防尘要求高，由于井下客观因素影响，一旦堵塞直接影响设备正常使用。通过在储砂罐体内出砂口处增加过滤装置，极大减少了堵塞次数，切割效率大大提高[6]。

（3）卸载阀改进。为防止卸载时发生压力液体伤人事故，卸载阀在原有基础上采用补接弯头的方式，提高人员操作安全系数。通过多次试验改进，最后通过Φ10 直通变径，上部增加常用Φ10 截止阀、弯头等一系列配件，一方面解决了压力液体伤人的事故，另一方面由Φ6 配件改为外壁更加厚实的Φ10 配件，配件常用且造价低，既保证了使用寿命，还节约了材料成本。

（4）出液口改进。为保证切割效果和控制出砂量，该装置一直采用Φ6 的60 MPa 液管，但由于出液压力大，切割过程难免造成出料管的弯折，以至于造成出砂口向外500 mm 左右的管路位置常常破损，且公司库房没有相应强度的替代管路。对此，在出料口位置将Φ6 管头变为Φ10 管头，将易弯折部位替代为Φ10 管路，后半部再变为Φ6管路，既保证了因压力大、弯折造成的管破，还将特殊管路替代为普通管路，更换更为方便。

4 现场应用情况扩展

对于变形锚索，使用水力切割装置可从索具根部将锚索切断，达到退锚的效果。

受采动影响，两顺槽的锚杆常常出现顶板压力大，气动扳手或套管无法将顶上的锚杆退去，进而易造成悬顶超标。对此，通过双强磁切割头调整为单强磁切割头，从而满足吸附于锚杆托盘之上，保证了顶板锚杆支护的正常退锚作业。

在采煤机滚筒传动轴出现损坏时，由于端盖轴孔间隙配合存在误差，通过各种方式都无法取出端盖，只能拆下摇臂后整体上井进行处理。为此，通过加工特定的切割头，吸附在机身表面，使用水切割装置对端盖进行破坏性拆除，经过10 h 的切割作业，将端盖拆出，通过更换相应替代配件，采煤机恢复正常。

在实际生产过程中，通过水切割装置对支架变形销轴、变形连接耳、变形接链环等配件进行切割作业，减少了事故影响时间。

5 结论

自使用水切割装置以来，长平矿实现了顶板锚杆锚索的应退尽退，保证了悬顶不超规定。该装置轻便易操作，上手简单，可在其他采煤工作面推广使用，尤其是针对锚索易变形、巷道超高等无法进行常规退锚或退锚难度大的情况有更好的适用性。