CN114251089B - 一种用于矿井巷道的金刚石绳锯切顶装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于矿井巷道的金刚石绳锯切顶装置及方法，属于巷道的围岩控制方法技术领域，可解决现有切顶方法污染严重、切顶效果不理想等问题，所述切顶装置，包括可伸缩的支撑柱、钢丝绳和往复切割的绳锯机，所述方法是利用金刚石绳锯来切割巷道的上覆岩层以达到切顶的目的。此方法相较传统的切顶方法，更加安全环保经济，简单易操作。在巷道的工作面侧上覆岩层钻孔，利用金刚石绳锯切割上覆岩层，在巷道的围岩变形前实现巷旁切顶，破坏采空侧的悬顶结构，使巷旁悬顶充分垮落，改善应力环境，达到降低巷侧顶板应力集中及采动压力的目的。

Description

一种用于矿井巷道的金刚石绳锯切顶装置及方法

技术领域

本发明属于巷道的围岩控制方法技术领域，具体涉及一种用于矿井巷道的金刚石绳锯切顶装置及方法。

背景技术

近年随经济发展对煤炭需求的增加，矿山开采力度和强度加大，使我国现有的矿井多数进入了深部开采阶段。煤层埋深的增加使得矿井地应力增大，已成为矿井安全生产的重要隐患之一。采空区顶板管理是长期困扰安全生产的难题，经常有顶板跨落不及时现象，造成空顶面积大，瓦斯积聚，矿山压力集中等问题。而切顶技术可人为决定基本顶的断顶位置，实现主动调控矿山压力的目的。因此切顶技术，作为提高矿井资源回收率，实现安全高效开采，已成为煤矿安全，高效开采的主要技术。

目前现有的切顶技术主要为爆破切顶方法与静力破碎方法，爆破切顶方法切顶效果良好，但人力物力投入过大，造成污染极其严重。静力破碎方法实施简易，污染相对较小，但切顶效果不理想。所以急需一种新型切顶方法可以达到污染小，实施简易，切顶效果良好。

针对以上问题，金刚石绳锯展现出了巨大的优势，目前金刚石绳锯主要用于切割小型岩块，没有用于切割整体岩石的实例。

发明内容

本发明针对现有切顶方法污染严重、切顶效果不理想等问题，提供一种用于矿井巷道的金刚石绳锯切顶方法，填补切顶方法的空白，实施简易，操作方便，污染较小，可人为操控切顶距及切顶长度，金刚石绳锯切顶方法对矿井安全高效生产具有重大意义。

本发明采用如下技术方案：

一种用于矿井巷道的金刚石绳锯切顶装置，包括可伸缩的支撑柱、钢丝绳和往复切割的绳锯机，支撑柱的数量为两个，分别位于被割岩体底部的巷道，另一端伸入被割岩体的钻孔，绳锯机位于支撑柱之间，所述支撑柱的顶端和底端分别设有滑轮，所述绳锯机包括连杆和电动机，电动机的输出轴连接有主动轮，连杆的两端分别设有凹槽，凹槽的中心设有通孔，凹槽内分别设有张紧装置，所述张紧装置包括齿轮，齿轮的旋转张紧的一侧分别设有锁紧装置，锁紧装置位于凹槽内，齿轮的中心的位于连杆的同一侧分别设有绕绳轴，绕绳轴穿过凹槽的通孔与齿轮连接，齿轮的另一侧设有螺母，连杆的中间设有开孔槽，开孔槽的上下两侧分别设有齿槽，主动轮位于开孔槽内，主动轮的边缘设有若干钢制的卡条，卡条与齿槽相扣，钢丝绳的一端与其中一个齿轮的绕绳轴固定，另一端依次穿过同一侧支撑柱底部的滑轮、顶部的滑轮、被割岩体的底部、另一侧支撑柱顶部的滑轮、底部的滑轮后，与另一个齿轮的绕绳轴固定，位于被割岩体底部的钢丝绳上穿设有若干金刚石串珠。

进一步地，所述凹槽相对连杆的中心对称设置。

进一步地，所述锁紧装置包括卡块，所述卡块的一端设有与齿轮的齿槽卡紧的锥形面，另一端设有销孔，销孔内穿设销轴，卡块通过销轴与连杆连接，卡块上设有拨杆，卡块的一侧设有弹簧，弹簧的一端与连杆连接。

进一步地，所述位于开孔槽上侧的齿槽的最右端的边缘比其他齿槽的边缘高，位于开孔槽下侧的齿槽的最左端的边缘比其他齿槽的边缘高。

进一步地，所述绕绳轴的端部设有挡板。

进一步地，所述齿轮设有绕绳轴的一侧设有圆板，圆板的中心设有通孔，绕绳轴穿过圆板的通孔。

进一步地，所述金刚石串珠的长度为20mm，内径为15mm，外径为26mm，相邻的金刚石串珠之间设有隔离橡胶套，隔离橡胶套的长度为30mm，内径为15mm，外径为20mm，位于两端的金刚石串珠的外侧分别设有金属固定片，金属固定片的长度为10mm，内径为15mm，外径为20mm。

进一步地，所述支撑柱包括若干依次套接的支撑柱单体，相邻的支撑柱单体之间通过锁销固定，所述支撑柱底部设有用于提升的液压装置，位于最底部的支撑柱单体的直径为140mm，位于最顶端的支撑柱单体的直径为90mm，位于支撑柱顶端的滑轮外设有防脱落的保护罩，支撑柱的顶端和底部分别设有垫板。

进一步地，所述绳锯机的电动机设有风冷散热装置

进一步地，所述绳锯机还包括自动预紧装置，所述自动预紧装置上设有对钢丝绳预紧力的监测装置和与齿轮连接的预紧电机。

一种用于矿井巷道的金刚石绳锯切顶方法，包括如下步骤：

第一步，在矿井巷道内布置钻机，在靠工作面一侧顶板向上垂直钻孔，此钻孔为起割钻孔，钻孔直径为153mm，孔深为5-10m；沿工作面走向隔15-20m再垂直向上钻孔，此钻孔为回绳钻孔，钻孔直径为153mm，孔深为5-10m，两孔位置所连直线平行于工作面走向方向；

第二步，待钻孔作业完成之后，将钢丝绳铺设在两个钻孔之间，首先在钢丝绳上涂抹润滑油，以达到润滑的作用，然后在钢丝绳上交替串入金刚石串珠与隔离橡胶套，串入串珠长度为20-25m，金刚石串珠两端用金属固定片将金刚石串珠固定于钢丝绳；

第三步，在起割钻孔与回绳钻孔下布置200×200×50mm木质的垫板，将可伸缩的支撑柱立于垫板之上，利用细铁丝将100×100×20mm垫板与支撑柱体顶部连接；

第四步，钢丝绳的一端与其中一个齿轮的绕绳轴固定，另一端依次穿过同一侧支撑柱底部的滑轮、顶部的滑轮、被切割岩体的底部、另一侧支撑柱顶部的滑轮、底部的滑轮后，与另一个齿轮的绕绳轴固定，使整个带有金刚石串珠的钢丝绳对被割岩体形成U型包围；

第五步，钢丝绳连接完成后，将支撑柱升起至起割钻孔内，使垫板与孔顶接触受力，回绳钻孔内进行同样的操作，通过张紧装置与自动预紧装置，使金刚石串珠钢丝绳与岩体接触并具有切割压力；

第六步，整个带有金刚石串珠的钢丝绳形成一个封闭机构，对被割岩体形成U型包围，启动辅助喷水系统，对整个金刚石串珠钢丝绳进行降温降尘，启动绳锯机，电动机驱动绳锯机主动轮转动，通过主动轮上卡条与连杆相扣所产生的水平方向的往复运动，使金刚石绳锯钢丝绳对被割岩体实现往复切割运动，通过自动预紧装置使金刚石绳锯始终保持拉紧状态与切割压力，直至完成切顶作业。

本发明的有益效果如下：

1. 更加安全，利用金刚石绳锯的往复运动实现对岩体的切割，最终达到切顶的目的。整个工艺只涉及到电力安全问题，没有传统方式众多不安全因素。

2. 更加环保，传统方式爆破后造成空气、粉尘、噪音污染极其严重，而金刚石绳锯切顶方法在利用喷水降温降尘后，可大幅降低粉尘、噪音污染，并且由于串珠式绳锯结构自身特点，可及时清理割缝所产生的屑渣。

3. 更加简单易操作，传统方式需要装药，封孔，爆破。所需大量人力物力，工艺流程复杂且危险。金刚石绳锯切顶方法操作简单，劳动强度较低，且在切割开始之后，可以极大减少人力的投入，有效减轻相较于传统爆破方式的工作强度。

4. 更加高效稳定，绳锯机可实现连续切割，不留空白带，可以实现大面积切割顶板岩层。切割顶板割缝整齐可控，相较于传统方式，可以实现更好的切顶效果。

附图说明

图1为本发明的切顶装置的结构示意图；

图2为本发明的切顶装置的平面示意图Ⅰ；

图3为本发明的切顶装置的平面示意图Ⅱ；

图4为本发明的切顶装置的齿轮和锁紧装置的连接示意图Ⅰ；

图5为本发明的切顶装置的齿轮和锁紧装置的连接示意图Ⅱ；

图6为本发明的切顶装置的金刚石串珠结构示意图；

图7为本发明的切顶装置的支撑柱的结构示意图；

图8为本发明的切割方法切顶示意图；

图9为本发明的切割方法切顶完成示意图；

其中：1-连杆；2-齿轮；3-绕绳轴；4-螺母；5-开孔槽；6-齿槽；7-主动轮；8-卡条；9-卡块；10-销孔；11-拨杆；12-弹簧；13-挡板；14-圆板；15-钢丝绳；16-金刚石串珠；17-隔离橡胶套；18-金属固定片；19-支撑柱单体；20-液压装置；21-锁销；22-液压缸体；23-矿井巷道；24-被割岩体；25-支撑柱；26-滑轮；27-垫板；28-绳锯机。

具体实施方式

结合附图，对本发明做进一步说明。

如图所示，一种用于矿井巷道的金刚石绳锯切顶方法，切顶距可实现5-10m稳定切顶，切顶长度可实现15-20m有效距离，金刚石绳锯长度可实现20-25m切割距离。

一种用于矿井巷道的金刚石绳锯切顶装置，包括金刚石串珠，带有前端导向轮和底部导向轮的多节可伸缩支撑柱，绳锯机，钢丝绳。

所述的金刚石串珠为烧结式，串珠长度为20mm，内径为15mm，外径为26mm，串珠与串珠之间有隔离橡胶套，橡胶套长度为30mm，内径为15mm，外径为20mm，金刚石串珠两端有金属固定圈，长度为10mm，内径为15mm，外径为20mm。

所述的多节可伸缩支撑柱，最低高度为2.5m，最高高度为12m，底部直径为140mm，顶部直径为90mm，所述的前端导向轮为钢制滑轮，直径为80mm，焊接于支撑柱顶端，并且滑轮周围焊接有防脱落保护罩。所述的底部导向轮在距离支撑柱底端0.5m处，同样为钢制滑轮，直径为80mm，焊接于支撑柱。

所述的绳锯机带有电机驱动装置，齿槽环形连杆，风冷散热装置，齿轮张紧装置与自动预紧装置。所述电机驱动装置为电动机转动，进而带动与电动机相连的主动轮，所述主动轮，其表面上焊接有钢制凸点。所述齿槽环形连杆。其与主动轮上钢制凸点连接，齿槽与凸点相扣，带动连杆进行水平往复运动。所述风冷散热装置，主要为电机驱动装置散热，保证绳锯机持续稳定工作。所述齿轮张紧装置，带有锁止机构，单侧齿轮，中部用于缠绕钢丝绳，通过对整个钢丝绳施加预紧力，达到切割预紧力之后，落下锁止机制进行锁止。所述自动预紧装置，带有对钢丝绳的预紧力的监测装置和与齿轮张紧装置相连接的预紧电机，通过对钢丝绳预紧力的监测，当预紧力没有达到切割预紧力时，预紧电机会启动预紧钢丝绳，达到切割预紧力，电机停止工作。

所述的钢丝绳包括一条芯线和3~6条螺旋缠绕于所述芯线外的绞合线，所述绞合线之间填充有树脂覆膜，所述的钢丝绳直径为15mm。

所述的一种用于矿井巷道的金刚石绳锯切顶方法，其实施步骤包括：使用巷道的钻机153mm专用钻头进行垂直钻孔，孔深为5-10m，此钻孔为起割钻孔，沿工作面走向15m再次利用153mm专用钻头进行垂直钻孔，孔深为5-10m，此钻孔为回绳钻孔。两孔位置平行于工作面走向。

待钻孔作业完成之后，将多节可伸缩支撑柱放置于两个钻孔下方，柱体底部利用200×200×50mm木垫板进行固定，顶部利用细铁丝将100×100×20mm木垫板与柱体顶部连接。

将钢丝绳铺设于两个钻孔之间，将金刚石串珠串入钢丝绳，串珠与串珠之间以橡胶套进行隔离，用以分割金刚石串珠，整个金刚石串珠长度为20m-25m，切割长度为15-20m，两边富余量为2.5m，两端使用金属固定圈将金刚石串珠固定与钢丝绳上。

将钢丝绳两端串入支撑柱顶部滑轮，升起多节可伸缩支撑柱，直至木质垫板与孔顶相接触受力，下方两端钢丝绳串过支撑柱底部滑轮，串入绳锯机两端齿轮张紧装置，使整个带有金刚石串珠的钢丝绳对被割岩体形成U型包围，通过自动预紧装置，使金刚石串珠与被割岩体接触，具有切割压力，并始终保持此压力切割岩体。

开启绳锯机，通过调整绳锯机功率以调节主动轮转速，使整个金刚石绳锯钢丝绳实现往复运动，实现对岩体的切割。切割开始之后，开启辅助喷水系统对整个金刚石串珠进行喷水降温，降尘，使金刚石串珠绳锯持续高效工作。

Claims (1)

1.一种用于矿井巷道的金刚石绳锯切顶方法，所述方法使用的装置，包括可伸缩的支撑柱（25）、钢丝绳（15）和往复切割的绳锯机（28），支撑柱（25）的数量为两个，分别位于被割岩体（24）底部的巷道，另一端伸入被割岩体的钻孔，绳锯机（28）位于支撑柱（25）之间，所述支撑柱（25）的顶端和底端分别设有滑轮（26），所述绳锯机（28）包括连杆（1）和电动机，电动机的输出轴连接有主动轮（7），连杆（1）的两端分别设有凹槽，凹槽的中心设有通孔，凹槽内分别设有张紧装置，所述张紧装置包括齿轮（2），齿轮（2）的旋转张紧的一侧分别设有锁紧装置，锁紧装置位于凹槽内，齿轮（2）的中心的位于连杆（1）的同一侧分别设有绕绳轴（3），绕绳轴（3）穿过凹槽的通孔与齿轮（2）连接，齿轮（2）的另一侧设有螺母（4），连杆（1）的中间设有开孔槽（5），开孔槽（5）的上下两侧分别设有齿槽（6），主动轮（7）位于开孔槽（5）内，主动轮（7）的边缘设有若干钢制的卡条（8），卡条（8）与齿槽（6）相扣，钢丝绳（15）的一端与其中一个齿轮（2）的绕绳轴（3）固定，另一端依次穿过同一侧支撑柱（25）底部的滑轮（26）、顶部的滑轮（26）、被割岩体（24）的底部、另一侧支撑柱（25）顶部的滑轮（26）、底部的滑轮（26）后，与另一个齿轮（2）的绕绳轴（3）固定，位于被割岩体（24）底部的钢丝绳上穿设有若干金刚石串珠（16）；

所述凹槽相对连杆（1）的中心对称设置；

所述锁紧装置包括卡块（9），所述卡块（9）的一端设有与齿轮（2）的齿槽卡紧的锥形面，另一端设有销孔（10），销孔内穿设销轴，卡块（9）通过销轴与连杆（1）连接，卡块（9）上设有拨杆（11），卡块（9）的一侧设有弹簧（12），弹簧（12）的一端与连杆（1）连接；

所述位于开孔槽（5）上侧的齿槽（6）的最右端的边缘比其他齿槽（6）的边缘高，位于开孔槽（5）下侧的齿槽（6）的最左端的边缘比其他齿槽（6）的边缘高；

所述绕绳轴（3）的端部设有挡板（13），所述齿轮（2）设有绕绳轴（3）的一侧设有圆板（14），圆板（14）的中心设有通孔，绕绳轴（3）穿过圆板（14）的通孔；

所述金刚石串珠（16）的长度为20mm，内径为15mm，外径为26mm，相邻的金刚石串珠（16）之间设有隔离橡胶套（17），隔离橡胶套（17）的长度为30mm，内径为15mm，外径为20mm，位于两端的金刚石串珠（16）的外侧分别设有金属固定片（18），金属固定片（18）的长度为10mm，内径为15mm，外径为20mm；

所述支撑柱（25）包括若干依次套接的支撑柱单体（19），相邻的支撑柱单体（19）之间通过锁销（21）固定，所述支撑柱（25）底部设有用于提升的液压装置（20），位于最底部的支撑柱单体（19）的直径为140mm，位于最顶端的支撑柱单体（19）的直径为90mm，位于支撑柱（25）顶端的滑轮（26）外设有防脱落的保护罩，支撑柱（25）的顶端和底部分别设有垫板（27）；

所述绳锯机（28）的电动机设有风冷散热装置；

所述绳锯机（28）还包括自动预紧装置，所述自动预紧装置上设有对钢丝绳（15）预紧力的监测装置和与齿轮（2）连接的预紧电机；

其特征在于：所述方法，包括如下步骤：

第一步，在矿井巷道内布置钻机，在靠工作面一侧顶板向上垂直钻孔，此钻孔为起割钻孔，钻孔直径为153mm，孔深为5-10m；沿工作面走向隔15-20m再垂直向上钻孔，此钻孔为回绳钻孔，钻孔直径为153mm，孔深为5-10m，两孔位置所连直线平行于工作面走向方向；

第二步，待钻孔作业完成之后，将钢丝绳铺设在两个钻孔之间，首先在钢丝绳上涂抹润滑油，以达到润滑的作用，然后在钢丝绳上交替串入金刚石串珠与隔离橡胶套，串入串珠长度为20-25m，金刚石串珠两端用金属固定片将金刚石串珠固定于钢丝绳；

第三步，在起割钻孔与回绳钻孔下布置200×200×50mm木质的垫板，将可伸缩的支撑柱立于垫板之上，利用细铁丝将100×100×20mm垫板与支撑柱体顶部连接；

第四步，钢丝绳的一端与其中一个齿轮的绕绳轴固定，另一端依次穿过同一侧支撑柱底部的滑轮、顶部的滑轮、被切割岩体的底部、另一侧支撑柱顶部的滑轮、底部的滑轮后，与另一个齿轮的绕绳轴固定，使整个带有金刚石串珠的钢丝绳对被割岩体形成U型包围；

第五步，钢丝绳连接完成后，将支撑柱升起至起割钻孔内，使垫板与孔顶接触受力，回绳钻孔内进行同样的操作，通过张紧装置与自动预紧装置，使金刚石串珠钢丝绳与岩体接触并具有切割压力；

第六步，整个带有金刚石串珠的钢丝绳形成一个封闭机构，对被割岩体形成U型包围，启动辅助喷水系统，对整个金刚石串珠钢丝绳进行降温降尘，启动绳锯机，电动机驱动绳锯机主动轮转动，通过主动轮上卡条与连杆相扣所产生的水平方向的往复运动，使金刚石绳锯钢丝绳对被割岩体实现往复切割运动，通过自动预紧装置使金刚石绳锯始终保持拉紧状态与切割压力，直至完成切顶作业。