李旭濤

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術又稱為“110”工法，采煤工作面回采前，在需留巷巷道頂板巖層采用爆破進行頂板預裂切縫，切斷留巷和工作面煤層頂板在一定深度范圍內(nèi)的聯(lián)系；回采后，在巷道頂板周期來壓的作用下，采空區(qū)自然垮落形成采空區(qū)采場初步穩(wěn)定的結構，并填充巷幫，進而保留留巷為鄰近采煤工作面使用，該工法實現(xiàn)了1個工作面1條巷道無煤柱開采[1-3]?！?10”工法的關鍵在于“拉得住、切得開、下得來、護得住”，即恒阻錨索能拉得住上覆巖層基本頂，聚能爆破裝置預裂頂板時能切得開頂板形成裂縫，采場周期來壓時頂板能沿著預裂頂板時切開的裂縫下來，自動成巷后巷道能夠護得住[4-6]。其中，頂板預裂鉆孔又是頂板切得開的重要環(huán)節(jié)，切縫鉆孔是由切縫鉆機在切縫線每隔一定距離施工而成，主要用于爆破過程中放置聚能管、控制切頂深度[7-9]。切縫孔的施工必須滿足定位精確、鉆孔角度誤差小、所有鉆孔需成一條直線等要求，因此，切實可行的切頂卸壓方法及可靠的切縫鉆機顯得尤為關鍵。

1 水力切頂卸壓方法及切縫鉆機研發(fā)現(xiàn)狀

1.1 水力切頂卸壓方法

中國礦業(yè)大學許興亮、田素川等人發(fā)明了“一種巷道水力割縫定向爆破切頂卸壓方法”[10]，水力壓裂切頂卸壓的原理是在指定巖層中施工鉆孔，然后在鉆孔中安裝高壓封隔器。當高壓泵啟動時，高壓水會通過管路進入該封隔器，首先促使封隔器兩端的膠囊膨脹，兩端封堵鉆孔。當壓力逐漸升高至10MPa時，封隔器中間段的壓力單向閥會自動開啟，高壓水通過閥眼進入鉆孔。水壓力逐漸升高至巖層的極限強度時，孔壁開裂，破壞其完整性，弱化其力學性能，從而降低礦壓顯現(xiàn)。與現(xiàn)有技術相比，水力割縫與定向爆破相結合方式，具有可操控性好、方便易行、切頂速度快、耗藥量少、切頂成型控制好等特點。解決了傳統(tǒng)爆破切頂時，可控性差，爆破過度或爆破不足現(xiàn)象頻發(fā)的問題，解決了純水力割縫切頂時，速度慢、時間長，不利于煤礦高產(chǎn)、高效的問題。目前，水力割縫定向爆破切頂卸壓方法已在長平煤礦、王坡煤礦、杜兒坪礦及寺河煤礦等礦區(qū)進行大范圍推廣使用[11-13]，具有安全性高、施工簡單、成本低等優(yōu)勢，在解決本每層及鄰近煤層卸壓護巷、上隅角懸頂和瓦斯積聚等問題上具有良好的效果。

1.2 DCA-45型切縫鉆機

為推進“110工法”的快速實施，2014年，山東兗煤黑豹礦業(yè)裝備有限公司與中國科學院院士何滿潮及其帶領的深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，基于長臂開采110工法用煤礦切頂卸壓沿空成巷無煤柱開采技術研究聯(lián)合研制DCA-45型自動成巷超前切縫鉆機，專門用于切縫爆破鉆孔施工。

DCA-45型切縫鉆機整機功率45kW，鉆臂2個，額定轉(zhuǎn)矩300N·m，額定轉(zhuǎn)速460r/min，推進行程1470mm（矮型鉆機1070mm），適應鉆桿長度為1.4m（矮型鉆機1m），長×寬×高=2.4m×0.7m×1.8/2.3/3.3m，根據(jù)巷道高度不同，共3種機型可選，可適應巷道高度分別為1.9～2.5m、2.4～3.2m、3.4～4.2m，鉆臂中心距2.4/2.5m可調(diào)。該鉆機采用S29型鉆桿，準48mm鉆頭，鉆孔深度可達15m。鉆機結構緊湊，采用履帶行走，通過性強，雙鉆臂可獨立旋轉(zhuǎn)，能夠滿足鉆孔軸線與鉛垂線夾角的要求，鉆機配備夾持機構、鉆機支頂裝置，方便鉆桿的拆卸。DCA-45型切縫鉆機分別在神南檸條塔煤礦、中煤唐山溝煤礦、大屯煤電姚橋煤礦、神木哈拉溝煤礦、延安禾草溝煤礦進行現(xiàn)場應用，該鉆機在鉆孔效率和成孔質(zhì)量上，得到了較好的驗證。

1.3 ZDY2-300LM型切縫鉆機

2016年，為積極響應“110”工法頂板預裂鉆孔施工的特殊要求，中煤科工集團西安研究院有限公司發(fā)揮其在鉆探技術與裝備領域的優(yōu)勢，率先組成研發(fā)創(chuàng)新團隊，在吸收、消化再創(chuàng)新的基礎上，并結合國內(nèi)煤礦“110工法”施工的具體條件進行創(chuàng)新設計，申請了名為“實現(xiàn)等間距雙鉆孔同時施工的調(diào)角裝置及其液控方法”的發(fā)明專利[14]，并研制了ZDY2-300LM型切縫鉆機。

研制成功的ZDY2-300LM型切縫鉆機主要用于“110工法”頂板預裂鉆孔施工作業(yè)，亦可用于煤礦巷道頂板、邊幫錨桿（索）孔施工。該鉆機主要由雙鉆臂、雙先導操作臺、穩(wěn)固支腿、調(diào)角裝置、電機泵組及履帶車體等部件組成，電機功率45kW,長×寬×高=3.1m×0.85m×2.1m，額定轉(zhuǎn)矩300N·m，額定轉(zhuǎn)速350r/min，最大給進力20kN，給進行程1.1m，采用準38mm鉆桿（鉆桿長L=1m），配套準50mm PDC弧角鉆頭[15]。ZDY2-300LM切縫鉆機具有多功能穩(wěn)固支腿，可用于鉆機機身穩(wěn)固和切縫角度調(diào)整，具有液控先導控制功能，具備控制靈活精準、操作簡單，操作人員可遠離鉆孔落水區(qū)操作施工，具備鉆孔中心距2.4m和2.5m靈活、單獨調(diào)節(jié)，滿足礦方切縫孔間距0.4 、0.5 、0.6m施工范圍。ZDY2-300LM型切縫鉆機鉆臂具有側向移動機構，滿足所有鉆孔在一條直線上，頂板沿預裂切縫線切落后成巷質(zhì)量好，減少日后巷道維護工程量；鉆機配備鉆桿夾持機構、鉆機支頂裝置，能夠方便鉆桿的裝卸及鉆桿的導向，成孔質(zhì)量好，易于裝入定向爆破聚能管。該鉆機施工作業(yè)前，要求巷道高度不小于2.3m。

2018年10月，ZDY2-300LM型切縫鉆機在韓城象山煤礦進行現(xiàn)場應用，結果表明：切縫鉆孔單根鉆桿平均用時90s，雙臂同時施工深度10m的切縫鉆孔（準50mm）平均用時25min；錨固鉆孔單根鉆進平均用時40s，雙臂同時施工深度8m的錨索孔（準32mm），平均用時20min，ZDY2-300LM型切縫鉆機打鉆工序用時示意圖如圖1。工序為：①-移機移位；②-支腿穩(wěn)固；③-鉆架側移；④-鉆架回轉(zhuǎn)；⑤-上頂穩(wěn)固；⑥-循環(huán)介質(zhì)；⑦-單根安裝；⑧-單根鉆進；⑨-單根卸鉆。

圖1 ZDY2-300LM型切縫鉆機打鉆工序用時示意圖Fig.1 Schematic diagram of drilling operation time of ZDY2-300LM type seam cutting drill

2019年1月至2019年10月ZDY2-300LM型切縫鉆機在龍煤集團雙鴨山礦業(yè)有限公司東榮二礦進行現(xiàn)場應用[16]，切縫鉆機共計無故障累計進尺10045 m，采用 準38mm鉆桿（L=1m），配套 準50mm PDC弧角鉆頭，雙臂同時施工深度9m的切縫鉆孔平均用時25min。施工效率較其他鉆機具有明顯優(yōu)勢，為東榮二礦“110”工法的順利實施與推廣，提供了保障。

1.4 ZDY2-1000LF型雙臂切縫鉆機

為適應煤礦井下“110工法”頂板預裂鉆孔施工中深鉆孔的需求，中煤科工集團西安研究院又開發(fā)出ZDY2-1000LF型礦用分體式雙臂切縫鉆機。

ZDY2-1000LF型雙臂切縫鉆機采用履帶分體結構，井下移動快捷，現(xiàn)場布置靈活，具有雙工作臂，鉆機功率75kW，額定轉(zhuǎn)矩280～1000N·m，額定轉(zhuǎn)速280～90r/min，給進行程1.2m，鉆車運輸尺寸：長×寬×高=4.4m×1m×2.8m，泵車運輸尺寸：長×寬×高=2.9m×1m×1.8m，可實現(xiàn)前后傾角-90°～+25°，垂直360°仰俯角全斷面鉆孔施工作業(yè)，鉆臂間距可在3.4～4m的范圍內(nèi)調(diào)整，側移距離0.3m，滿足不同鉆孔布置要求。

2018年7月，ZDY2-1000LF型切縫鉆機在山西高河能源有限公司E2308運輸巷進行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗[17]。試驗共完成鉆孔施工6次，完成鉆孔10個，最大鉆孔深度200m，其中100m鉆孔5個，200m鉆孔2個，累計鉆孔深度1065m。當使用靜壓水作為沖洗液時，單工作臂2.5h完成100m鉆孔，雙工作臂3h完成2個100m鉆孔；當使用液壓水泵提供的水作為沖洗液時，單工作臂2h完成100m鉆孔。

1.5 CMQ系列切頂卸壓鉆機

近年來，為解決煤礦井下“110工法”缺乏專用裝備的需求，江蘇中煤礦山設備有限公司發(fā)揮自有優(yōu)勢，先后研發(fā)了CMQ1-1200/30型、CMQ2-1200/45型、CMQ2-3200/55型3款切頂卸壓鉆機。

CMQ1-1200/30型切頂卸壓鉆機采用單工作臂結構，電機功率30kW，額定轉(zhuǎn)矩800N·m，額定轉(zhuǎn)速30r/min，鉆架給進行程1.1m，最大鉆孔深度可達50m，長×寬×高=3.7m×0.8m×2.4m可實現(xiàn)-25°～+25°前后角，垂直360°俯仰角的全方位切頂作業(yè)，并可在不移機的情況下實現(xiàn)鉆車鉆臂前后平移600 mm，左右平移300mm，適用于巖石堅固性系數(shù)f=14的各種煤層、巖層。該設備鉆機動力頭扭矩大、行程長，鉆進效率高，可大幅度提高作業(yè)效率，液壓系統(tǒng)配備了快速推進功能，可節(jié)約裝、卸鉆桿時間2倍多。并配帶有裝、卸鉆桿的部件，降低了操作人員的勞動強度。但是該鉆機采用單工作臂，施工效率較低，且該鉆機未安裝穩(wěn)固支腿，當鉆機在靠近巷道側幫水溝一側打鉆施工時，因底板不一定平整，進而導致施工鉆孔不一定形成一條直線，影響爆破切頂效果。

CMQ2-1200/45型和CMQ2-3200/55型切頂卸壓鉆機整機功率分別為45kW和55kW，額定轉(zhuǎn)矩分別為800N·m和2800N·m，額定轉(zhuǎn)速分別為30r/min和80r/min，長×寬×高=4.5m×1.1m×2.4m，鉆孔直徑 準30mm～準75mm，2款鉆機采用雙工作臂，且回轉(zhuǎn)器扭矩大，鉆孔施工效率顯著提高，作業(yè)安全，能顯著減輕工人的體力勞動強度。適用于各種斷面的平、斜巷道施工，但是該兩款鉆機仍未設計穩(wěn)固調(diào)角支腿，當巷道底板條件較差時，難以保證爆破切頂施工效果。

1.6 智能鉆錨機器人和智能鏈臂切頂機

1）智能鉆錨機器人。冀凱河北機電科技有限公司開發(fā)了智能鉆錨機器人。智能鉆錨機器人主要由動力系統(tǒng)、伸縮履帶底盤、操控系統(tǒng)、四連桿豎直升降機構、調(diào)角裝置、鉆臂系統(tǒng)和鉆桿庫組成。該鉆機特點是自動鉆孔，一鍵自動鉆進操作，無需人工干預，配套安裝有鉆桿庫和機械手，自動續(xù)接和拆卸鉆桿，最大鉆孔深度11m。該機采用遠程無線操作，可全斷面施工切縫鉆孔和錨桿（索）孔，鉆機長×寬×高=3.5m×0.8m×1.5m，履帶底盤可自動伸縮到1.2 m,滿足打鉆施工過程中整機穩(wěn)定性。根據(jù)預先設定好的鉆孔參數(shù)，自動定位鉆孔孔位，自動裝、卸鉆桿，實現(xiàn)無人自動化施工作業(yè)。

2）智能鏈臂切頂機?，F(xiàn)階段，“110工法”開采工藝中，普遍采用打孔、裝藥、爆破方法進行切頂卸壓，工人勞動強度大，風險高，切頂成型效果難以保證，因此，上海創(chuàng)力集團股份有限公司研制了KLJ7智能鏈臂切頂機[18]。該設備推動了無煤柱采煤工藝由“人工爆破切頂”向“機械精準切頂”轉(zhuǎn)變。KLJ7智能鏈臂切頂機，長×寬×高=11.2m×1.84m×2.73m，整機功率75kW，質(zhì)量30t，最大切割深度7m，鏈臂切割速度0°/h～90°/h，鏈條轉(zhuǎn)速范圍0～0.8m/s。該機主要由切頂裝置、支頂裝置、對刀裝置、伸縮回轉(zhuǎn)裝置、機架裝置、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、行走裝置和支地裝置組成，切頂裝置是切頂機的核心部件，主要由減速機、鏈臂架體及鏈條組成，鏈條上安裝有金剛石刀具，用來切割巖石，鏈臂架體安裝有水霧噴嘴，用來降塵抑爆。但是該設備結構尺寸較大，對于巷道條件要求高，巷道適應性差，另外，該設備最大切割深度僅為7m，對于頂板較硬巖層，需要切割更大深度切縫孔時，難以滿足切縫設計要求。2019年，KLJ7智能鏈臂切頂機在同煤集團塔山煤礦三盤區(qū)8311小煤柱開采工作面2311巷道進行工業(yè)性試驗[19]，切縫深度6.6m，寬度42mm，切割效率達2m/h，切縫貫通率100%，切面光滑，沿空側側向懸頂給巷內(nèi)支護產(chǎn)生的附加作用力較小，大大降低沿空巷道頂板壓力。

2 切縫鉆機研制關鍵技術

1）等間距雙鉆孔施工的工作機構?！?10工法”頂板預裂鉆孔施工作業(yè)，大多數(shù)煤礦鉆孔直徑50 mm，鉆孔深度10m左右，孔距0.5m，但各個煤礦巷道因頂板地質(zhì)條件不同，鉆孔參數(shù)稍微有所差異，且鉆孔施工數(shù)量巨大，因此，為提高施工效率，切縫鉆機采用雙鉆臂結構，保證1次移機可同時施工2個鉆孔，根據(jù)鉆孔孔距0.4 、0.5 、0.6m施工要求，切縫鉆機雙鉆臂間距2.5m和2.6m可調(diào)，因此設計一款等間距雙鉆孔施工的工作機構是保證鉆孔施工效率的前提。

2）預裂切縫鉆孔施工的調(diào)角裝置。煤礦巷道普遍存在地質(zhì)條件復雜，巷道底板平整度較差，施工設備調(diào)角困難等問題，為保證所有鉆孔軸線均處于預先設定的一條直線上，防止交叉串孔，每個鉆孔在施工前需調(diào)整方位角和傾角。切縫鉆機調(diào)角裝置主要由調(diào)平機構、側推機構和偏轉(zhuǎn)機構組成，調(diào)平機構主要保證履帶車體處于水平狀態(tài)，側推機構主要用于調(diào)整鉆機機身和巷道側幫距離，偏轉(zhuǎn)機構保證預裂切縫鉆孔角度，通過3種機構調(diào)整，確保切縫角度滿足設計要求。

3）高效的鉆孔施工鉆具。因頂板預裂鉆孔數(shù)量多，所以高效、可靠的鉆孔施工鉆具是保障“110工法”鉆孔施工效率的重要部件。切縫鉆機在鉆孔施工過程中，考慮排渣效果，一般采用S29或準38mm鉆桿，鉆桿長度根據(jù)鉆架給進行程和施工效率而定，鉆桿接頭采用摩擦焊接，確保鉆桿柱強度。鉆頭一般采用準50三翼弧角和兩翼內(nèi)凹鉆頭，兩翼內(nèi)凹鉆頭切削巖層速度快，但是由于冷卻水從鉆頭側面噴出，易導致出矸不暢，影響鉆進效率。三翼弧角鉆頭采用3組金剛石復合片，強度好，鉆頭整體強度好，而且設計合理出水流暢，因此其切削巖層速度較兩翼內(nèi)凹鉆頭高。

3 切縫鉆機發(fā)展趨勢

針對我國煤礦井下“110工法”用切縫鉆機研發(fā)現(xiàn)狀和面臨的問題，切縫鉆機的發(fā)展趨勢將重點體現(xiàn)可靠性、集成化和智能化等方面。

1）提高切縫鉆機的可靠性和高效性。切縫鉆機在狹長巷道施工作業(yè)面臨作業(yè)空間緊促，作業(yè)環(huán)境復雜等難題。且“110工法”頂板預裂鉆孔數(shù)量特別巨大，不能因設備故障和施工效率低下而影響采煤工作面正常推進，因此，要求切縫鉆機在結構尺寸盡可能小的情況下，其必須具有足夠的可靠性和鉆孔施工的高效性。

2）提高切縫鉆機的集成化，實現(xiàn)一機多用?！?10工法”頂板預裂鉆孔施工，主要涉及鉆孔、捅孔、安裝聚能管、裝藥、封孔、爆破及爆破效果檢驗等工序，現(xiàn)階段，每道工序都需要1臺甚至多臺設備進行施工作業(yè)，導致本已狹小的作業(yè)場地，更加難以進行設備調(diào)動，設備之間干涉問題屢見不鮮，因此，要求切縫鉆機能夠?qū)崿F(xiàn)功能集成和一機多用，比如，鉆機能夠自動拆卸鉆桿的同時還能完成安裝聚能管，完成裝藥和封孔等工作。

3）提高切縫鉆機智能化控制水平。頂板預裂鉆孔施工工況就已經(jīng)表明，切縫鉆機具有如下施工特征：①鉆機移動頻繁，通過人工液控操作難以避免鉆機走偏；②鉆機姿態(tài)調(diào)整困難，特別是巷道底板條件未知，通過人工感觀對鉆機進行姿態(tài)調(diào)整，導致鉆孔施工易出現(xiàn)交叉串孔，所有鉆孔軸線未必在一條直線，進而導致切頂成型效果差。因此，必須提高切縫鉆機智能化控制水平，包括巷道空間位姿精確感知、行走路徑規(guī)劃和自適應姿態(tài)調(diào)整。通過位姿精確感知，實時感知巷道周圍環(huán)境信息，并分析接收和處理數(shù)據(jù)，控制鉆機自主行走，按照預先設計的開孔角度、開孔位置及鉆孔間距等信息精準完成施工作業(yè)。

4 結 語

長臂開采切頂短臂梁理論及其110工法，這一技術的成功應用標志著我國進入第三次礦業(yè)科學技術變革，研發(fā)頂板預裂鉆孔切縫鉆機是保證“110工法”順利實施的重要一環(huán)。目前切縫鉆機研制進展緩慢，尚處于機械化、自動化階段，智能化程度普遍較低，實現(xiàn)等間距雙鉆孔施工的工作機構、鉆機調(diào)角裝置及高效的鉆孔施工鉆具等關鍵技術正在嘗試突破。提高切縫鉆機的可靠性、高效性、集成化及智能化控制水平是其發(fā)展方向。