传统切割方式缺陷

1.煤矿井下条件十分复杂，环境中存在粉尘、高压水、瓦斯等，具有高温、高湿的特点，

顶板事故也是威胁着煤矿工人的生命安全重要因素。在对巷道支护进行维护维修和拆除的过

程中，要求在对锚杆锚索切割过程中严禁产生明火和静电。

由于传统的热切割方法在煤矿井下高瓦斯等危险环境中无法使用，通常切割锚索采用切割机手动切割的方法，在切割锚索钢绞线的过程中，拖拉锚索、切割锚索等环节都用人工实现，工作效率低，时常就会发生锚索线弹出伤人和切割片碎裂崩出伤人的情况。为保证安全生产，必须采用一种能够应用在煤矿井下危险环境的安全切割技术。

2.低压水切割技术

 “水滴石穿”一词来自宋朝张咏，表面意思是指如果一滴水照着一个地方，天长日久地滴下去，最终也能把岩石滴穿。随着科技的进步，现在水不再简单的是滴穿石头，它还可用于切割坚硬无比的东西。水射流技术，就是在这一原理下诞生的。

 水射流技术的应用起源于采矿业，19 世纪中期，在北美洲第一次使用了高压水射流技术开采非固结的矿床。20 世纪 50 年代初，我国首次在开滦唐家庄矿成功使用了水枪落煤，使得这项技术在煤炭开采中得到逐步应用。我国是个矿产丰富的国家，尤其是煤炭的储量很高。但煤矿的自然条件差，地质条件复杂，重点煤矿中地质条件复杂或极其复杂的煤矿占到36%，高瓦斯矿井占 21%，煤与瓦斯突出矿井占 21.3%，煤层具有自然发火的占 47.3%，有煤尘爆炸危险的则有 87.4%，煤层自燃发火、煤尘爆炸等灾害时常发生。因此，水射流技术以其独特的优越性，在我国煤炭的煤巷掘进、防治煤与瓦斯突出、治理工作面回风隅角瓦斯积聚以及清仓泥浆等工作中得到广泛应用。

 水射流技术是将一定量的水泵送到高压管路，使其以一定能量到达喷嘴，而喷嘴的孔径要比高压管路直径小得多，因此到达喷嘴的这一定量的水要想流出喷嘴孔，必须加速；这样，加速凝聚的水就形成了射流。高速水射流作用在物料上，具有足够的能量进行材料清洗、剥层、切割，将水射流的动能变成去除材料的机械能。科学实践证明：用高压水直射到物体表面上，产生的压力若超过物体本身的抗破坏极限时，水就能穿过物体，形成一个断开面，进而对物体进行切割等相关工作。相对于其他热切割工艺，如激光束、等离子等，水射流切割具有良好的切割、磨削、冲蚀、粉碎等功能，没有切割热，切割过程中无火花、粉尘、有毒气体等产生，特别适用于防爆、防瓦斯等危险场合，这使得水射流技术得到迅猛发展并日益完善。

 在水射流中加入一定数量的磨料粒子便形成一种新型粒子流——磨料水射流；磨料水射流的引入大大降低了其切割金属的压力。磨料水射流切割技术与安全工程紧密相关，它是近几年发展起来的一种“冷”切割技术，切割时无尘、无味、无气体产生、振动小、噪声低。因此，磨料水射流切割技术是煤矿井下等危险环境进行高效切割的有效工具。与传统的切割技术相比，它是一种非热源的高能量射流束加工工艺，在一定的参数条件下，能做到较高的加工质量，切口端面平整、光洁、垂直，并且几乎可以做到加工时对环境的零污染。

磨料水射流可分为后混合磨料水射流和前混合磨料水射流两大类。与后混合磨料水射流相比，前混合磨料水射流提高了磨料和水的混合效果，具有系统简单、体积小、功耗小、成本低等优点，更利于推广应用。低压水切割机运用前混合磨料水射流的原理研发制造，如图1 所示，采用水和磨料同时加压的方式，增压后的水和磨料同时在喷嘴处喷出，克服了后混合磨料水射流虹吸作用的能量消耗和水压利用率不高的难题，利用较低的压力即可有效完成切割作业，使切割厚度 30mm 以内的钢板压力降低到 35-50MPa，提高了水射流能量的利用率。

 3.低压水切割机解决方案

 针对切割锚索危险性高且效率低的现状，由于低压水切割机的设备原理安全并且低压水切割机设备的总体体积较小，一般重量在 90kg-350kg 左右，占地面积在一平方米以内，有防爆电动机和液压等驱动方式，可以适应煤矿井下复杂的工作环境，本文采用低压水切割机对煤矿井下锚索进行切割。低压切割机分为主机和辅机两部分，主机为磨料射流发生设备，辅机为切割执行工装。如图 2 所示，为低压水切割机的主机和辅机。主机部分主要由驱动系统、增压系统、水路循环系统以及控制系统组成，其中适用于煤矿井下环境的驱动系统可以是防爆电动机或者液压站。辅机部分主要由手柄、软轴、切割器、割枪、调节杆、支架等部分组成。切割器用于将被切割锚索的索具夹紧，将割枪固定到指定位置并带动割枪摆动；割枪为水射流喷嘴的固定装置，由主机形成的磨料水射流会经割枪从喷嘴处喷出；调节杆用来调节辅机设备的高度，以适应不同高度位置的锚索切割；支架为辅机支撑加固部分。

如图 2、图 3 所示，锚索的切割方式是从索具根部进行切割，目的是将锚索的钢绞线切断，然后再将索具和钢绞线拆除，将锚索拆除后再拆除顶板。切割时割枪对准索具根部，在钢绞线位置处进行小角度摇摆，通过转动软轴端部的手柄实现切割作业。辅机切割设备属于半自动运行工况，通过人工控制手柄旋转速度，可以实时掌握切割进度。为防止锚索切割后由于顶板上方煤层疏松和压力释放可能造成的瞬间坍塌现象，保证作业人员的安全，使用3-5m 的软轴加长了手柄的操作距离，作业人员可以站在锚索掉落的安全距离外进行切割。除此之外，还加设了支架提供作业支撑，防止切割器脱落造成意外事故，其中调节杆可根据作业高度进行调节。

 将与辅机相连接的套管与调节杆通过螺钉紧定；套管从索具下部套入，进行切割。为保证作业的稳定性，可将套管与索具紧固在一起。调节好割枪角度，使其向上偏移约 5°左右，转动软轴端部手柄，使割枪绕中心轴转动，实现小角度切割。整个切割过程中，无需将整个锚索索具全部切断，只要将索具中间的锚索钢绞线切断，索具便会自动掉落，从而可以实现锚索的拆除作业。

经过试验与在煤矿井下的现场实际应用，如图 4、图 5 所示，低压水切割机能够顺利的完成锚索切割拆除的工作任务。通过研究发现，低压水切割机在切割作业过程中温度一般不超过 100℃，达不到瓦斯爆炸的引燃温度。根据对前混合磨料水射流在不同瓦斯条件下的切割实验结果，表明在任何瓦斯浓度的条件下，在切割时都不会发生爆炸现象。因此利用低压水切割机诱发放顶具有很好的安全性。在切割过程中，使用 45MPa 的磨料水射流工作压力，即可切割煤矿上常用的直径 30MM 以内的纲绞线，有效切割深度达 40mm。一般切割一套锚索索具大概需要耗时 2-5min。切割后的锚索会自动掉落，切割断面光洁平整，整个切割过程安全可靠，可以消除传统切割方法的安全隐患。

4.结论

研究结果表明，采用低压水切割机可以快速有效的将煤矿井下锚索钢绞线切割并将锚索

整体拆除，同时可避免使用传统切割方式经常出现的事故。利用前混合磨料水射流切割技术

进行切割锚索等支护索具，进而诱发顶板安全垮落，能很好的解决煤矿井下回采巷道顶板放

顶困难的问题。在煤矿井下，低压水切割机切割过程无明火、无静电，无有害气体产生。相

对于传统的切割方式更加安全环保，优势突出，适合在煤矿行业进行更加广泛的推广与应用。