盧義玉，秦旭前，湯積仁，章文峰，凌遠(yuǎn)非，李 倩

(重慶大學(xué) a.煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

為了解決傳統(tǒng)采煤工法浪費(fèi)資源以及引發(fā)礦井災(zāi)害的問題，“中國科學(xué)院”院士何滿潮[1]提出了N00工法。N00工法是以切頂短臂梁理論[2]為指導(dǎo)，采用恒阻錨索對(duì)巷道頂板加強(qiáng)支護(hù)，運(yùn)用切頂卸壓技術(shù)，采后形成留巷，供下一個(gè)工作面開采使用，直至整個(gè)盤區(qū)的N個(gè)工作面回采結(jié)束，均無需掘進(jìn)順槽和留設(shè)煤柱。理論上N00工法可以使盤區(qū)采出率達(dá)到100%，快速切頂技術(shù)是N00工法卸壓留巷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。沿著頂板切割線切斷采空區(qū)內(nèi)頂板與留巷頂板的基本聯(lián)系，進(jìn)而降低由于懸臂梁作用形成的應(yīng)力集中，同時(shí)消除了相鄰工作面采動(dòng)影響造成的巷道頂板支護(hù)困難等問題，減小了頂板壓力。

高壓水射流技術(shù)是一種高效、多功能的新型實(shí)用技術(shù)，在工程中具有廣闊的應(yīng)用前景[4-7]。切割過程中無火花、粉塵和有毒氣體的產(chǎn)生，具有沖擊力和應(yīng)力波引起的周圍破壞范圍小等特點(diǎn)。高壓水射流技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)越性，在中國煤礦的煤巷掘進(jìn)、防治煤與瓦斯突出和治理工作面回風(fēng)隅角瓦斯積聚中得到廣泛應(yīng)用。重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多年來對(duì)高壓水射流進(jìn)行了深入的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，取得了一系列的成果[8-14]。

鑒于高壓水射流技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，筆者提出利用磨料射流定向切割頂板的新思路，并設(shè)計(jì)研制磨料射流定向切頂系統(tǒng)，以配套N00長壁采煤工法的推廣應(yīng)用。

1 磨料射流定向切頂系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

如圖1所示，N00工法切頂留巷有3個(gè)基本要求：1)使頂板巖石沿預(yù)定的方向斷裂即分離巷道與采空區(qū)的聯(lián)系；2)保持頂板巖石的完整性，從而保持預(yù)留巷道頂板完整性；3)除了要求有效定向切頂外，還要求很高的切頂效率。為了不影響長壁工作面的正常推進(jìn)，需要在工作面一個(gè)循環(huán)時(shí)間內(nèi)對(duì)一個(gè)步距長度的巷道頂板進(jìn)行定向切割。

圖1 N00工法切頂卸壓技術(shù)原理Fig.1 The schematic diagram of cutting roof and pressure relief technology in N00 mining method

磨料射流定向切頂系統(tǒng)主要由高壓水裝置、磨料供給裝置、磨料射流切割噴頭、定向器、輸送機(jī)及廢水回收裝置等組成。其技術(shù)原理如圖2所示。具體工作流程如下：首先在頂板巖層中預(yù)先鉆進(jìn)4個(gè)鉆孔，4個(gè)孔軸線處于同一平面上，孔徑為50 mm，相鄰兩孔孔壁相距160 mm，孔深等于或略大于所需切割頂板的高度，形成定向造縫的切縫孔。然后在高壓密封鉆桿上安裝定向器以固定噴嘴在割縫孔中的方位，防止切割噴頭在孔中轉(zhuǎn)動(dòng)，確保切割形成的縫基本在一個(gè)平面上。切割作業(yè)開始時(shí)，利用輸送裝置實(shí)現(xiàn)高壓密封鉆桿在孔中的上下移動(dòng)，帶動(dòng)射流由上往下移動(dòng)從而形成切縫面。

圖2 磨料射流定向切縫原理示意圖Fig.2 The working principle of abrasive water jet directional slitting system

由于4個(gè)切縫孔布置在同一個(gè)平面上，利用高壓水射流在每個(gè)切縫孔中沿著徑向相鄰鉆孔切縫。當(dāng)切縫深度大于孔間距的一半(80 mm)時(shí)，就會(huì)定向連通所有切縫孔，形成定向裂縫面。即使由于鉆孔微小的偏差或其他原因造成各個(gè)切縫不完全在一個(gè)平面上，造成各孔不連通，也不會(huì)影響采空區(qū)頂板脫離留巷頂板而垮落。因?yàn)楦鱾€(gè)縫的深度大于孔間距的一半，致使未貫通的巖石連接處非常薄弱，不足以阻擋采空區(qū)頂板垮落。該系統(tǒng)可以單個(gè)孔或4個(gè)孔同時(shí)造縫。由于井下作業(yè)空間有限，該裝置需要與特殊的液壓支架配套使用，隨液壓支架一起移動(dòng)，因此，對(duì)該裝置的要求除了切割效率高之外，還要結(jié)構(gòu)簡單輕便，操作容易。

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

磨料射流定向切頂系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置有：雙射流切割噴頭、定向器、輸送機(jī)和磨料罐等。為實(shí)現(xiàn)快速定向切縫，本系統(tǒng)的研發(fā)主要圍繞以下5個(gè)技術(shù)攻關(guān)核心展開：

1)直徑小于50 mm的雙射流切割噴頭內(nèi)嵌2個(gè)噴嘴，需研究噴嘴與噴頭內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)磨料射流高集束度，提升切割能力與耐磨性。

2)切割噴頭工作時(shí)雙射流并非嚴(yán)格互成180°對(duì)稱，雙射流產(chǎn)生的反作用力會(huì)推動(dòng)切割噴頭旋轉(zhuǎn)；送管和收管時(shí)，高壓膠管轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的扭矩帶動(dòng)切割噴頭轉(zhuǎn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)“定向切縫”，需設(shè)計(jì)定向器，以消除上述2種因素對(duì)切割噴頭切割方位的影響。

3)切頂卸壓留巷是隨著工作面的推進(jìn)而進(jìn)行的一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，切頂設(shè)備需要隨工作面支架一起移動(dòng)。因此，輸送裝置要能實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)、前后擺動(dòng)和水平扭轉(zhuǎn)等功能，以適應(yīng)切縫孔的變動(dòng)。

4)由于井下作業(yè)空間有限，為了滿足4個(gè)切割噴頭，即8個(gè)切割噴嘴同時(shí)工作所需的磨料，這就要求磨料罐容積足夠大，同時(shí)還要盡可能體積小，操作簡便。

5)為實(shí)現(xiàn)快速定向切縫，需要研究經(jīng)濟(jì)合理的切割參數(shù)，包括射流壓力、噴嘴直徑、磨料類型與質(zhì)量分?jǐn)?shù)，及切割噴頭移動(dòng)速度等。

1.2.1 噴嘴

常見的切割噴嘴類型有直柱型、錐形、錐直型和類喇叭型等[13]，如圖3所示。運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的方法對(duì)這4種噴嘴的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，從而選定噴嘴的形式。

圖3 進(jìn)行CFD模擬的4種噴嘴結(jié)構(gòu)Fig.3 The diagram of 4 nozzles’structures for model

上述4種類型噴嘴均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，仿真時(shí)將他們簡化為二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。模擬的噴嘴進(jìn)口半徑為10 mm，出口處半徑為1 mm。幾何模型包括噴嘴內(nèi)的流道以及噴嘴出口以外長100 mm、半徑在20 mm的一段流體，以模擬射流射進(jìn)水體中的情況。每個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)為9 700至9 900之間，具體數(shù)因噴嘴結(jié)構(gòu)不同略有差異。選取Pressure Based Segregate Solver求解器求解，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，噴嘴入口邊界壓力條件設(shè)置為15 MPa。水體的左端設(shè)置為出口，壓力等于大氣壓。上述4種噴嘴的流場(chǎng)速度云圖如圖4所示。

圖4 淹沒射流條件下4種切割噴嘴流場(chǎng)速度云圖Fig.4 The velocity cloud of 4 nozzles' flow fields under submerged jet

圖5為4種噴嘴外射流在軸線處速度的變化。從圖4和圖5可以看出，射流離開噴嘴后在水體中發(fā)散衰減都很快。其中直柱形噴嘴出口速度最小，衰減也最快。這主要是由于小直徑的直柱較長，摩擦損失較大所致。喇叭形噴嘴的出口速度也較小，衰減也較快，原因是射流在喇叭段內(nèi)就已經(jīng)開始衰減。錐形和錐直形噴嘴的射流出口速度比直柱形和喇叭形都高，衰減也較慢。

考慮到錐形噴嘴制造時(shí)出口直徑很難控制，并且在使用時(shí)略有磨損就會(huì)使錐形噴嘴的直徑迅速變大，因此錐形出口不宜用作磨料射流的噴嘴，故認(rèn)為錐直型噴嘴射流結(jié)構(gòu)最優(yōu)。根據(jù)錐直型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高壓液態(tài)定向切頂系統(tǒng)磨料射流噴嘴如圖6所示。

圖5 4種噴嘴外射流軸線處速度的變化Fig.5 The velocity variations of 4 jets along the axis of the jet and beyond the exit of the nozzles

圖6 磨料射流噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.6 The structure parameters of abrasive jet nozzle

1.2.2 切割噴頭

為實(shí)現(xiàn)在頂板切縫孔內(nèi)同時(shí)切出2個(gè)割縫面，在實(shí)驗(yàn)室單噴嘴切割巖石的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了垂直型雙射流噴頭。垂直轉(zhuǎn)向型雙射流噴頭由1條圓柱形進(jìn)水道和2條互成180°角的圓柱形出水道組成，2條出水道各安裝1個(gè)錐直型噴嘴。高壓水流進(jìn)入噴頭后沿著2個(gè)噴嘴向2個(gè)相反的方向射出。通過初步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在垂直型流道的雙射流噴頭結(jié)構(gòu)中，磨料會(huì)對(duì)垂直轉(zhuǎn)向處以及噴嘴出口處造成很大磨損，引起射流束發(fā)散，降低射流束的切割能力。同時(shí)，由于現(xiàn)有切割噴頭加工工藝(流道90°轉(zhuǎn)角安裝)等原因，導(dǎo)致切割噴頭內(nèi)部流道壓損較高，使得磨料射流噴嘴出口速度降低，導(dǎo)致切割能力下降。

針對(duì)在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)垂直型雙射流切割噴頭局部壓力損失大與收斂性差的問題，通過FLUENT數(shù)值模擬軟件進(jìn)行3D流場(chǎng)模擬(圖7所示)，對(duì)比射流的流速和形態(tài)選擇出最優(yōu)參數(shù)結(jié)構(gòu)。重新設(shè)計(jì)出流線型雙射流切割噴頭，其流線型內(nèi)部流道及結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖8所示。

圖7 噴頭流道內(nèi)外速度云圖Fig.7 The velocity clouds inside and outside the nozzle flow channel

圖8 流線型雙射流切割噴頭結(jié)構(gòu)圖Fig.8 The structure of streamlined double jet cutting nozzle

采用流線型流道設(shè)計(jì)后，射流束聚集度大大提高。圖9是采用流線型流道設(shè)計(jì)的切割噴頭切割頁巖的照片，圖9中左邊一束射流射進(jìn)巖石，右邊另一束射流無阻礙地射向右邊空間?？梢钥吹剑@束射流在射出噴嘴后很長一段距離內(nèi)仍然保持很高的集束度。另外，這種流線型流道的切割噴頭射流束的切割能力很強(qiáng)，從圖10可見這種新設(shè)計(jì)的流線型雙射流切割噴頭的射流束在切穿80 mm厚的頁巖后仍然保持很高的流速和很高的集束度。

圖9 流線型雙射流噴頭射流束形態(tài)(左邊射流射進(jìn)巖石)Fig.9 The shape of the jet beam of the streamlined dual jet nozzle (the jet on the left enters the rock)

圖10 流線型雙射流噴頭孔內(nèi)切割及穿透后流場(chǎng)測(cè)試Fig.10 Flow field test after in-hole cutting and penetration of streamlined dual jet cutting nozzle

針對(duì)噴頭流線型流道加工困難的問題，在加工工藝上使用了金屬3D打印技術(shù)。雖然金屬3D打印加工技術(shù)成本更高，耗時(shí)更長，但是能確保新設(shè)計(jì)的切割噴頭射流束更收斂，能量更集中。為了提高切割噴嘴的耐磨性，增加切割噴嘴的使用壽命，選用硬質(zhì)合金作為噴嘴的材質(zhì)。實(shí)驗(yàn)室切割巖石試驗(yàn)證明，新設(shè)計(jì)的流線型切割噴頭平均切割深度能提高28%，同時(shí)更加耐磨，使用壽命更長。

1.2.3 定向器

為了使所形成的切縫在同一個(gè)平面上同時(shí)保證切縫面的走向沿著預(yù)定的方向，需要保證切割噴頭在孔中不轉(zhuǎn)動(dòng)，因此需要為切割噴頭設(shè)計(jì)1個(gè)定向器。定向器由扶正器與旋轉(zhuǎn)快接連桿構(gòu)成，扶正器限制了切割噴頭在切縫過程中由于雙射流非100%對(duì)稱導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)快接連桿則隔離了高壓膠管在卷管及送管過程中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩對(duì)切割噴頭的影響。

扶正器的設(shè)計(jì)如圖11所示，扶正器由輕型鋁合金圓筒和3條弓形不銹鋼彈簧片構(gòu)成。扶正器圓筒外壁和底部均開有螺紋孔，用以固定3片弓形不銹鋼彈簧片和切割噴頭。3條弓形的不銹鋼彈簧片與鉆孔壁產(chǎn)生的摩擦力可以限制住扶正器與切割噴頭在切縫孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)，但不會(huì)阻礙其上升和下降。根據(jù)實(shí)際切縫孔的直徑大小情況，可以通過彈簧片松緊度調(diào)節(jié)槽來調(diào)節(jié)彈簧片與切縫孔壁的摩擦力，以實(shí)現(xiàn)切割噴頭定向切縫的目的。

可旋轉(zhuǎn)快接連桿由切割噴頭快速轉(zhuǎn)接頭(公)、高壓膠管快速轉(zhuǎn)接頭(公)以及1個(gè)礦用KJ13快接直通(兩端為母接口)組成。圖12為加工和組裝完成的快接連桿實(shí)物圖。

圖11 扶正器Fig.11 The rotation limiter

圖12 可旋轉(zhuǎn)快接連桿實(shí)物圖Fig.12 The design of rotatable quick-connecting rod

1.2.4 輸送裝置

切割作業(yè)開始時(shí)，要先將切割頭從切縫鉆孔的孔口送到鉆孔的頂端，然后緩慢向下移動(dòng)形成連續(xù)切割面(見圖2)。因此需要設(shè)計(jì)1個(gè)輸送裝置，以實(shí)現(xiàn)送管和收管。

考慮到切頂卸壓留巷是隨著工作面的推進(jìn)而進(jìn)行的一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，切頂設(shè)備需要隨工作面支架一起移動(dòng)。因此輸送裝置要能實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)、前后擺動(dòng)及水平扭轉(zhuǎn)等功能，以適應(yīng)切縫孔的變動(dòng)。同時(shí)，輸送裝置要實(shí)現(xiàn)同時(shí)輸送4個(gè)切割噴頭，并且要附有接水槽以便廢水回收。

圖13為輸送機(jī)的設(shè)計(jì)圖。輸送機(jī)主要由卷繞機(jī)裝置、排繩器裝置、摩擦輪輸送裝置、升降定位裝置和調(diào)壓裝置等組成。摩擦輪輸送裝置由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，主要用于定向造縫過程中收放高壓膠管、定向輸送割縫噴頭。卷繞機(jī)裝置由另一個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，主要負(fù)責(zé)卷管和排管。升降定位裝置負(fù)責(zé)把本輸送機(jī)頂部的摩擦輪裝置和接料槽舉送到上覆巖層的位置，以達(dá)到更好地送管和排水接料作業(yè)。調(diào)壓裝置主要用于調(diào)節(jié)摩擦輪和卷筒的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)送管和收管的速度。

圖13 輸送機(jī)設(shè)計(jì)圖Fig.13 The design of the conveyor

在適應(yīng)煤礦井下工作環(huán)境方面，該輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡單輕便，操作容易，可與特殊的液壓支架配套使用，隨液壓支架一起移動(dòng)。在主要可實(shí)現(xiàn)功能方面，該輸送機(jī)可調(diào)節(jié)左右位移、水平偏轉(zhuǎn)、前后搖擺以適應(yīng)頂板切縫孔的數(shù)量和變動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高壓膠管的有效排列，速度快慢可控的收放功能。

1.2.5 磨料供給系統(tǒng)

磨料射流切割作業(yè)需要用到磨料供給裝置進(jìn)行儲(chǔ)存并向高速水流中混入磨料粒子，形成高壓磨料水射流。為了滿足4個(gè)切割噴頭，即8個(gè)切割噴嘴同時(shí)工作所需的磨料，這就要求磨料罐容積要夠大，同時(shí)還要能承受至少25 MPa的高壓。

圖14 大容量磨料供給系統(tǒng)Fig.14 The large-capacity abrasive supply system

8個(gè)切割噴嘴同時(shí)切割時(shí)噴出的流量為200 L/min。設(shè)磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，則每分鐘所需磨料質(zhì)量為12.77 kg。假設(shè)切割移動(dòng)速度為4.4 mm/s(基于實(shí)驗(yàn)室磨料射流切割數(shù)據(jù))，切縫孔長度為8 000 mm，那么，切割作業(yè)時(shí)間為31 min。石英砂的堆積密度經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測(cè)量為1.8～2.0 t/m3，則所需磨料的體積為0.22 m3。即理論上磨料罐的最小容積為0.22 m3就可滿足切割需求?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中，磨料罐內(nèi)的磨料不會(huì)全部都排出，有一部分磨料會(huì)壓實(shí)黏掛在罐壁上。假設(shè)有30%的磨料剩余在罐內(nèi)，那么罐體所需的容積為0.32 m3。同時(shí)要為磨料罐預(yù)留一定的空間來容納水，本次設(shè)計(jì)中預(yù)留空間占比取15%，得出磨料罐合理的容積為0.38 m3。

圖14為根據(jù)文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)加工的大容量磨料供給系統(tǒng)實(shí)物圖，它由加料斗、球形磨料罐、磨料混合腔、壓力表、泄壓閥、直通球形閥及高壓管線等組成，通過調(diào)節(jié)直通球形閥可以控制磨料進(jìn)入混合腔的量，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由于煤礦井下工作空間有限，為了減少磨料罐的高度，磨料罐設(shè)計(jì)成球形結(jié)構(gòu)。

2 磨料射流定向切頂工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

為了確定最佳工作參數(shù)，進(jìn)行了巖石切割實(shí)驗(yàn)。通過分析切割性能隨泵壓、噴嘴直徑、磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)、切割速度等的變化規(guī)律，確定最優(yōu)工藝參數(shù)，確保達(dá)到切割深度的要求以及低質(zhì)量分?jǐn)?shù)磨料的消耗。本次實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取如下：切割速度(2個(gè))，3.4，4.4 mm/s；噴嘴直徑(3個(gè))，1.5，1.8，2.0 mm；射流壓力(5個(gè))，10，12，15，20，25 MPa；磨料類型(2種)，石英砂、現(xiàn)場(chǎng)黃沙，其中石英砂按顆粒大小分2種，20～40目、40～70目，現(xiàn)場(chǎng)黃沙顆粒小于80目；磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)(4個(gè))，2.5%，3.5%，4.0%，5.5%。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的四維水射流試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行(圖15)。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用與煤礦現(xiàn)場(chǎng)相同的南京六合BZW200/56型柱塞泵作為動(dòng)力水源，額定流量200 L/min，公稱壓力為56 MPa。所用到的切割頭為上文介紹的流線型雙射流切割噴頭，噴嘴直徑分別為1.5，1.8，2.0 mm。

實(shí)驗(yàn)中采用的巖石試件取自陜煤集團(tuán)檸條塔礦南翼1201工作面運(yùn)輸順槽，靠近工作面煤壁頂板處。圖16是部分現(xiàn)場(chǎng)頂板巖石樣本。該試件成分為粉砂巖，質(zhì)地堅(jiān)硬密實(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻。巖石樣本尺寸大小不等，最大的約為1 000 mm×400 mm×200 mm，最小的約為150 mm×200 mm×300 mm。

圖15 四維水射流試驗(yàn)平臺(tái)Fig.15 The four dimensional water-jet test platform

圖16 現(xiàn)場(chǎng)頂板巖石試件樣本Fig.16 The on-site roof rock sample

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在不同的射流壓力、噴嘴直徑和磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合下，切割的深度也各不相同。圖17展示了巖石試件的切割過程，圖18展示了對(duì)巖石試件切出了5條平行裂縫?？偟那锌p試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖17 切割過程Fig.17 The cutting process

圖18 部分切縫實(shí)拍圖Fig.18 The real shot of certain part of the slit

表1 不同切割參數(shù)條件下的切縫深度Table 1 The cutting depth data under different cutting parameters

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明磨料射流可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取樣巖石進(jìn)行有效切割；切割性能與射流壓力、磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)及噴嘴直徑呈正相關(guān)，與切割速度呈負(fù)相關(guān)；相同條件下，磨料選用現(xiàn)場(chǎng)黃沙時(shí)可達(dá)到石英砂相當(dāng)?shù)那懈钚Ч?。最淺切割深度為50 mm，最深切割深度為160 mm。

基于以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)條件，確定現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最優(yōu)工藝參數(shù)為：射流壓力25 MPa、噴嘴直徑1.5 mm(8個(gè))、磨料類型為黃沙/石英砂、磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%、切割速度4.4 mm/s。

3 陜西某礦S1201-2工作面高壓液態(tài)定向切頂試驗(yàn)

為了實(shí)地檢驗(yàn)本高壓液態(tài)定向切頂系統(tǒng)的運(yùn)行效果，在陜西某礦進(jìn)行了設(shè)備安裝與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)際考察該系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況，并通過采集切縫孔內(nèi)的全景圖像分析切縫效果。

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

本次試驗(yàn)地點(diǎn)位于中國陜西省榆林市神木縣境內(nèi)陜煤集團(tuán)檸條塔礦，南翼S1201-2工作面回風(fēng)順槽。該工作面長280 m，走向長度為2 344 m。煤層厚度3.85～4.11 m，煤層平均厚度3.93 m，埋深為115～117 m。表2為該煤礦S1201工作面煤層、頂板與底板的巖石特征與位置。

試驗(yàn)開始之前，礦方工人已在頂板上沿著預(yù)定的切頂線向上鉆4個(gè)孔，即為切縫孔，孔徑50 mm，相鄰兩孔壁間距160 mm，孔深10 m。進(jìn)行試驗(yàn)前，需要稍微調(diào)整輸送機(jī)的位移和角度(見圖19)，使之跟頂板切縫孔對(duì)準(zhǔn)。切割參數(shù)：射流壓力25 MPa、噴嘴直徑1.5 mm(8個(gè))；磨料類型：石英砂、磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%；切割速度：4.4 mm/s。

表2 S1201工作面的煤層、頂板與底板的巖石特征與位置Talbe 2 The rock characteristics and location of coal seam,roof and floor of the S1201 working face

圖19 輸送機(jī)對(duì)孔Fig.19 Adjustment of the conveyor to the hole

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

現(xiàn)場(chǎng)切頂試驗(yàn)總共進(jìn)行2次，共對(duì)8個(gè)鉆孔進(jìn)行了切縫試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，所研制的N00磨料射流定向切頂裝置能完成現(xiàn)場(chǎng)留巷頂板在1個(gè)循環(huán)時(shí)間(50 min)、1個(gè)步距(840 mm)范圍內(nèi)對(duì)7 000～8 000 mm高度的4孔同步定向切縫。

全景鉆孔攝像儀[16]掃描成像顯示2次試驗(yàn)共8個(gè)孔的每個(gè)孔內(nèi)都形成了2條切割裂縫。圖20為第2次試驗(yàn)內(nèi)窺鏡現(xiàn)場(chǎng)采集的4個(gè)切縫孔內(nèi)部割縫效果圖。從圖20中可以清晰看到頂板巖層的紋理和2條基本平行的細(xì)長裂縫，這2條裂縫即為磨料射流切割巖層生成的裂縫，從全景圖效果可看出2條裂縫相隔很近，這是為了方便對(duì)比切縫效果而作的圖像調(diào)整，實(shí)際上這2條切縫相隔180°。圖20中標(biāo)示0 m處為切縫孔的孔口，即切割作業(yè)結(jié)束點(diǎn)。距離孔口約2 m的位置裂縫開始消失，這是為了工作人員的安全，在切割頭退至距割縫孔孔口約2 m處時(shí)，停止切割。

圖20 現(xiàn)場(chǎng)第2次割縫試驗(yàn)2孔1～4的內(nèi)窺圖Fig.20 The panoramic pictures of hole 1 to hole 4 of on-site cutting test 2

4 結(jié) 論

1)基于高壓水射流破巖理論設(shè)計(jì)了一種用于N00工法的磨料射流定向切頂系統(tǒng)，并闡明了系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理，優(yōu)化設(shè)計(jì)了水射流噴嘴、切割噴頭、定向器、輸送機(jī)、磨料供給系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)與尺寸。

2)通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)頂板巖石樣品進(jìn)行切縫實(shí)驗(yàn)，確定了滿足N00工法要求的磨料射流定向切頂?shù)淖顑?yōu)工作參數(shù)：射流壓力25 MPa、噴嘴直徑1.5 mm(8個(gè))；磨料類型為黃沙/石英砂；磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%；切割速度4.4 mm/s。

3)通過陜西某礦S1201-Ⅱ工作面現(xiàn)場(chǎng)切縫試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可在1個(gè)循環(huán)時(shí)間(50 min)、1個(gè)步距(840 mm)范圍內(nèi)對(duì)7 000～8 000 mm長度的4孔同步定向切縫。