煤矿井下切顶装置和切顶施工方法

摘要

本发明公开了一种煤矿井下切顶装置和切顶施工方法，应用于煤岩切顶，沿着煤岩的横向方向设置有巷道，由巷道朝向煤岩顶板方向延伸形成钻孔，所述钻孔沿着横向方向间隔设置，且相邻两个钻孔之间的切顶跨距形成待切割煤岩顶板，所述切顶装置包括：驱动机构，具有驱动轮；多个脚架，分别与相对应的钻孔相适配，且所述脚架的一端固定在巷道的底板上；其中，所述脚架上至少配置有两个导向轮，且其中一个导向轮位于切顶位置处，其中另一个导向轮位于巷道内；柔性锯，依次缠绕在多个相邻脚架的导向轮上，使得柔性锯形成一个闭合的回路，且其内侧端与所述待切割煤岩顶板相抵止，外侧端至少部分缠绕于所述驱动轮上。

说明书

技术领域

本发明涉及矿山机械设备领域，尤其涉及一种煤矿井下切顶装置和切顶施工方法。

背景技术

目前煤矿常用的切顶技术主要有定向(聚能)爆破技术切顶、定向水力压裂技术、静力膨胀剂定向破岩技术、劈裂机破岩技术及密集钻孔破岩技术等，其优缺点如下：

定向(聚能)爆破技术是在煤岩体中预先施工钻孔，钻孔通常成直线布置，将炸药药卷或者装有炸药的聚能管装入钻孔，然后控制相邻的多个钻孔同时起爆，通过多孔同步作用将煤岩体沿着钻孔布置线大致呈直线撕裂开。该技术定向效果好，但是炸药的安全管理难度很大，在产生的火花容易引燃煤矿采空区的瓦斯，并且产生有毒有害气体，对矿山的安全高效开采不利。

定向水力压裂技术目前主要有两种常用的方法：①在煤岩体中施工钻孔，然后在已经完成的钻孔中通过切槽刀片或者高压水射流技术预制轴向或者径向的切槽或者成排的小孔，之后再向钻孔注水，通过切槽或者小孔的引导作用实现水压裂缝的定向扩展；②在煤岩体中沿着直线布置一排钻孔，然后同时对相邻的多个钻孔进行压裂，通过压裂过程中钻孔之间的耦合作用形成共同的破裂面。目前，预切槽或者预射孔的定向水力压裂技术往往在较短的距离内形成转向，多钻孔同步水力压裂技术往往受地应力的影响难以形成指定方向的破裂，因此，定向水力压裂的实施效果并不理想，水压裂缝的扩展方向仍然难以控制。

静态破碎剂破岩及劈裂机破岩自研发以来，主要在地面无围压的裸露岩石中进行使用，通过多个钻孔的共同作用，利用合力使得破裂瞬间形成共同的破裂面，实现定向破岩，实施效果较好。但是在煤矿井下的煤岩体中，煤岩体为三向受力状态，静态破碎机及劈裂机等手段产生的裂缝难以形成贯通面，方向受地应力的影响而难以人为控制。

密集钻孔破岩技术主要通过顶板岩石中施工密集的线性布置的钻孔，通过大量的钻孔破岩岩石的完整性，然后在矿山压力作用下，促进顶板沿着钻孔布置方向垮落。该方法可一定程度上促进顶板的冒落，但密集钻孔技术所需施工钻孔数目较多，成本高，施工工期长，劳动效率低。

发明内容

本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种煤矿井下切顶装置，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。

根据本发明第一方面的一种煤矿井下切顶装置，应用于煤岩顶板切顶，沿着煤岩顶板的横向方向设置有巷道，由巷道朝向煤岩顶板方向延伸形成钻孔，所述钻孔沿着横向方向间隔设置，且相邻两个钻孔之间的切顶跨距形成待切割煤岩顶板，所述切顶装置包括：

驱动机构，具有驱动轮；

多个脚架，分别与相对应的钻孔相适配，且所述脚架的一端固定在巷道的底板上；其中，所述脚架上至少配置有两个导向轮，且其中一个导向轮位于切顶位置处，其中另一个导向轮位于巷道内；

柔性锯，依次缠绕在多个相邻脚架的导向轮上，使得柔性锯形成一个闭合的回路，且其内侧端与所述待切割煤岩顶板相抵止，外侧端至少部分缠绕于所述驱动轮上。

在该技术方案中，由驱动机构驱动柔性锯传动，通过其与待切割煤岩顶板之间产生摩擦力，而起到切割待切割煤岩顶板的作用，随着柔性锯切割的进行，其内侧端部分逐渐向上移动直至与切顶位置的切顶线相重合即完成一次切割；该切顶装置切割定向性好、切割效率高，切割成本低，施工连续，效果可控，不会对顶板产生振动或者冲击，避免了对原有的巷道支护结构的破坏。

另外，根据本发明的煤矿井下切顶装置，还可以具有如下技术特征：

在本发明的一个示例中，所述柔性锯为绳锯或链锯。

在本发明的一个示例中，还包括：

移动小车，所述驱动机构安装在移动小车内，使得所述驱动机构能够沿着横向方向在巷道移动，以调节所述待切割煤岩顶板与所述柔性锯之间的松紧度。

在本发明的一个示例中，还包括：传感器，

所述传感器安装在所述柔性锯上，并与所述驱动机构相耦接，用于实时监测所述柔性锯张力信息，并将其反馈给所述驱动机构。

在本发明的一个示例中，还包括：限位轮，

配置在所述移动小车移动方向一侧的脚架的一侧，用于限定所述柔性锯的外侧端的位置。

在本发明的一个示例中，所述限位轮配置在与位于巷道内的导向轮相对的位置。

在本发明的一个示例中，所述通孔的边缘设有环形凸台，所述环形凸台的突出方向与所述排线盖的突出方向一致。

根据本发明第二方面的一种煤矿井下切顶的施工方法，包括如下步骤：

S10：沿着由巷道朝向煤岩顶板的方向延伸且在横向方向间隔设置多个钻孔，且相邻两个钻孔跨距之间的煤岩顶板形成待切割煤岩顶板；

S20：在每个钻孔内安置脚架，且脚架的下端固定在巷道的底板上；其中，脚架上至少枢转配置有两个导向轮，其中一个导向轮位于切顶位置处，其中另一个导向轮位于巷道内；

S30：柔性锯依次缠绕在至少两个相邻的脚架的导向轮上，使得柔性锯的内侧端与待切割煤岩顶板相贴合接触，柔性锯的外侧端至少部分缠绕在驱动机构的驱动轮上；

S40：由驱动机构的驱动轮带动柔性锯传动，从而使得与待切割煤岩顶板接触的柔性锯切割岩体，直至内侧端的柔性锯切割移动至切顶位置；

S50：重复上述步骤S10至S40直至完成切顶。

在本发明的一个示例中，在所述步骤S40中，还包括：

驱动机构沿着横向方向移动，且所述驱动机构在横向方向与柔性锯在切割待切割煤岩顶板的方向上同步移动，使得所述柔性锯实时处于涨紧状态。

在本发明的一个示例中，所述驱动机构根据检测所述柔性锯的涨紧信息而调节所述驱动机构的移动速度。

在本发明的一个示例中，当所述驱动机构沿着横向方向移动时，在所述驱动机构移动方向一侧的脚架的一侧设置限位轮，以限定所述柔性锯外侧端的位置。

下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。

图1为根据本发明实施例的切顶装置切顶的结构示意图(初始状态)；

图2为根据本发明实施例的切顶装置切顶的结构示意图(切顶状态)。

附图标记列表：

切顶装置100；

煤岩顶板10；

底板煤岩11；

顶板煤岩12；

待切割煤岩顶板10A；

顶板121；

巷道20；

钻孔30；

脚架40；

导向轮41；

限位轮42；

柔性锯50；

内侧端51；

外侧端52；

驱动机构60；

驱动轮61；

移动小车70；

切顶高度H；

切顶跨距L；

切顶线X。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

根据本发明第一方面的一种煤矿井下切顶装置100，应用于煤岩顶板10切顶，具体地，煤岩10由上至下分布为底板煤岩11和顶板煤岩12以及巷道所在的煤层或者岩层，沿着煤岩顶板10的横向方向设置有巷道20，由巷道20朝向煤岩顶板10方向延伸形成钻孔30，所述钻孔30沿着横向方向间隔设置，且相邻两个钻孔30之间的切顶跨距L形成待切割煤岩顶板10A，也就是说，钻孔30起始于顶板121，并向煤岩顶板10中延伸，例如，其可以沿着纵向方向(与横向方向相垂直)延伸，也可以沿着与横向方向不垂直的倾斜方向延伸；

所述切顶装置100，如图1和图2所示，包括：

驱动机构60，具有驱动轮61；例如，驱动机构60为液压马达；

多个脚架40，分别与相对应的钻孔30相适配，且所述脚架40的一端固定在巷道20的底板上；其中，所述脚架40上至少配置有两个导向轮41，且其中一个导向轮41位于切顶位置处，其中另一个导向轮41位于巷道20内；在脚架40顶部和顶板121下方(巷道20)一定距离的绳锯脚架40位置分别安装导向轮41，来确定柔性锯50所包围的岩体范围，并防止割锯链条对其包围以外的岩体造成破坏。

柔性锯50，依次缠绕在多个相邻脚架40的导向轮41上，使得柔性锯50形成一个闭合的回路，且其内侧端51与所述待切割煤岩顶板10A相抵止，外侧端52至少部分缠绕于所述驱动轮61上；即内侧端51与待切割煤岩顶板10A之间相接触，接触部分为除去切顶位置的部分，与待切割煤岩顶板10A三面接触；

具体地，由驱动机构60驱动柔性锯50传动，其与待切割煤岩顶板10A之间产生摩擦力，而起到切割待切割煤岩顶板10A的作用，随着柔性锯50切割的进行，其内侧端51部分逐渐向上移动直至与切顶位置的切顶线X相重合即完成一次切割；该切顶装置100定向性好、切割效率高，切割成本低，施工连续，效果可控，不会对顶板10产生振动或者冲击，避免了对原有的巷道支护结构的破坏。

可以理解的是，柔性锯50可以依次包覆在多个脚架40上，例如，三个，此时待切割煤岩顶板10A为两个，由驱动机构60驱动柔性锯50对多个待切割煤岩顶板10A进行切割；当然也可以为多个驱动机构60分别带动多个柔性锯50进行切割待切割煤岩顶板10A。

在本发明的一个示例中，所述柔性锯50为绳锯或链锯，例如，本发明所采用的为绳锯，即采用金刚石材料件镶嵌在绳子上，金刚石具有硬度、耐磨性强，在与待切割煤岩顶板10A接触过程中不会发生磨损。当然本发明并不限制于此，也可以为其他耐磨材料镶嵌在绳子上；可以理解的是，链锯必须得有轨道，卡在轨道上来运转，这里不再赘述。

在本发明的一个示例中，还包括：

移动小车70，所述驱动机构60安装在移动小车70内，使得所述驱动机构60能够沿着横向方向在巷道20移动，以调节所述待切割煤岩顶板10A与所述柔性锯50之间的松紧度；

也就是说，由于柔性锯50将待切割煤岩顶板10A不断切割，使得柔性锯50与待切割煤岩顶板10A的非接触部分越来越长，通过移动小车70的移动来带动驱动机构60在横向方向上的移动，从而起到涨紧所述柔性锯50的作用。

当然本发明并不限制于此，还可以包括：绳锯自动收紧装置，其用于与驱动机构60相联接，用于在柔性锯50切割岩体时，实时自动收紧柔性锯50，也可以实现对柔性锯50的松紧度自动调节；

例如，绳锯自动收紧装置包括：至少一个伸缩机构，其固定联接在所述移动小车70上；以及滚轮，枢转联接在伸缩机构的伸缩杆上，使得所述柔性锯50至少部分缠绕在滚轮上，当需要涨紧柔性锯50，所述伸缩机构作出伸出运动涨紧所述柔性锯50；可以理解的是，伸缩机构伸缩运动的方向与柔性锯50的运动方向相垂直；

再例如，驱动轮61为无级变速轮，即其外径可以进行无极增大或者减小；在柔性锯50切割待切割煤岩顶板10A时，当需要涨紧柔性锯50时，通过增大驱动轮61的外径尺寸从而可以调节柔性锯50的松紧程度；可以理解的是，无级变速轮由多个驱动轮廓组成，每个驱动轮廓与一个伸缩缸进行联接，从而组成一个完整的驱动轮，再调整驱动轮的外径时，多个伸缩缸同时动作。

在本发明的一个示例中，还包括：传感器，

所述传感器安装在所述柔性锯50上，并与所述驱动机构60相耦接，用于实时监测所述柔性锯50张力信息，并将其反馈给所述驱动机构60；

也就是说，在柔性锯50上安装一张力传感器，通过张力传感器来监测柔性锯50在切割待切割煤岩顶板10A过程中的实时的张力值，并将其反馈给驱动机构60，由驱动机构60作出相应的动作响应，即使得驱动机构60的移动速度能够与柔性锯50的切割速度保持一致。

当然本发明并不限制于此，所述传感器也可以为测速传感器或距离传感器，用于分别测量柔性锯50的转动速度和柔性锯50切割岩体的深度，用于更加全面的对切顶装置100进行监测；只不过此时传感器不能安装在柔性锯50上，例如可以安装在移动小车70上。

或者，在切割工作进行的同时，移动小车70在技术人员的遥控下缓慢向前运动，连接导向轮41与驱动轮61的柔性锯50逐渐变长，缠绕于待切割煤岩顶板10A的柔性锯50逐渐变短。通过绳锯小车的向前运动完成收绳工作，保证在割锯工作中柔性锯50始终具有一定张力。

作为优选地，为了更加准确地测量柔性锯50的张力，可以在柔性锯50上安装多个传感器，同时对柔性锯50的不同位置的张力进行监测。

当然，绳锯自动收紧装置也可以与传感器相耦接，用于根据柔性锯50的松紧状态自动调整绳锯自动收紧装置的松紧程度。

在本发明的一个示例中，还包括：限位轮42，

配置在所述移动小车70移动方向一侧的脚架的一侧，用于限定所述柔性锯50的外侧端52的位置；

由于在移动小车70在移动时，位于其移动方向一侧的脚架的柔性锯50的外侧端52会与导向轮41发生分离，在其一侧设置限位轮42能够防止柔性锯50跑偏和破坏脚架前方的岩体。值得说明的是，这里所述的前方为小车的移动方向。

在本发明的一个示例中，所述限位轮42配置在与位于巷道20内的导向轮41相对的位置；

即限位轮42设置在巷道20内导向轮41正前方位置处，这样能够最大限度的避免位于钻孔30内的柔性锯50部分发生偏离。

在本发明的一个示例中，该切顶装置100还包括冷却箱(图中未示出)，当柔性锯50运行至驱动机构60前会经过装有冷却水的冷却箱进行物理浸湿和降温。

该切顶装置100具有如下有益效果：

(1)该切顶装置是利用金刚石工具磨削岩(煤)体的过程，对原有的煤岩顶板10结构无冲击，既达到了顶板121“一分为二”的目的，又不会对切割线以外的结构造成损伤，这是传统的切顶技术无法实现的。

(2)该切顶装置100功能强，效率高，可连续作业和多台平行作业。具体地，锯缝深度可达20～30m，甚至更深；切割速度快，根据石材的硬软可达到2.5～12平方米/小时；机体可以360°旋转，能进行垂直、水平、斜面等各个方向的切割。

(3)该切顶装置100切割形成的切面平整光滑，锯缝小，利于煤岩顶板10的滑落和断裂。

(4)该切顶装置100成本低、安全性高、噪音低、工人劳动强度低。

根据本发明第二方面的一种煤矿井下切顶的施工方法，首先根据定向切顶的工作需求(如沿空留巷、切顶卸压)，确定设计切顶线X位置、切顶高度等切顶参数。然后根据柔性锯50长度、驱动轮61液压马达功率、顶板121岩层的坚固性系数等割锯参数确定每次割锯跨度L与切顶高度H(一般3≤L≤10m,H≤30m)，包括如下步骤：

S10：沿着由巷道20朝向煤岩顶板10的方向延伸且在横向方向间隔设置多个钻孔30，且相邻两个钻孔30跨距之间的煤岩顶板10形成待切割煤岩顶板10A；

S20：在每个钻孔30内安置脚架40，且脚架40的下端固定在巷道20的底板上；其中，脚架40上至少枢转配置有两个导向轮41，其中一个导向轮41位于切顶位置处，其中另一个导向轮41位于巷道20内；

S30：柔性锯50依次缠绕在至少两个相邻的脚架40的导向轮41上，使得柔性锯50的内侧端51与待切割煤岩顶板10A相贴合接触，柔性锯50的外侧端52至少部分缠绕在驱动机构60的驱动轮61上；

S40：由驱动机构60的驱动轮61带动柔性锯50传动，从而使得与待切割煤岩顶板10A接触的柔性锯50切割岩体，直至内侧端51的柔性锯50切割移动至切顶位置；

S50：重复上述步骤S10至S40直至完成切顶。

也就是说，首先在煤岩顶板10上开设钻孔30，然后在每个钻孔30内安装脚架40，相邻两个脚架40之间部分的岩体即为待切割煤岩顶板10A，其中，每个脚架40上至少枢转设置两个导向轮41，其中一个导向轮41的顶端切线与切顶位置设计的切顶线X相重合，其中另一个导向轮41位于巷道20内；接着至少在两个相邻的脚架40上缠绕柔性锯50，使得柔性锯50形成一个闭合回路，且其内侧端51与待切割煤岩顶板10A的外轮廓相接触，其外侧端52缠绕在驱动机构60的驱动轮61上，最后由驱动机构60的驱动轮61带动柔性锯50传动，从而使得与待切割煤岩顶板10A接触的柔性锯50切割岩体，直至内侧端51的柔性锯50切割移动至切顶位置设计的切顶线X处，即完成一次切顶操作；重复完成上述步骤即可实现切顶。

在本发明的一个示例中，在所述步骤S40中，还包括：

驱动机构60沿着横向方向移动，且所述驱动机构60在横向方向与柔性锯50在切割待切割煤岩顶板10A的方向上同步移动，使得所述柔性锯50实时处于涨紧状态；

具体地，所述驱动机构60根据检测所述柔性锯50的涨紧信息而调节所述驱动机构60的移动速度，在柔性锯50上安装一张力传感器，通过张力传感器来监测柔性锯50在切割待切割煤岩顶板10A过程中的实时的张力值，并将其反馈给驱动机构60，由驱动机构60作出相应的动作响应，即使得驱动机构60的移动速度能够与柔性锯50的切割速度保持一致。

在本发明的一个示例中，当所述驱动机构60沿着横向方向移动时，在所述驱动机构60移动方向一侧的脚架40的一侧设置限位轮42，以限定所述柔性锯50外侧端52的位置；

由于在移动小车70在移动时，位于其移动方向一侧的脚架40的柔性锯的外侧端52会与导向轮41发生分离，在其一侧设置限位轮42能够防止柔性锯50跑偏和破坏脚架40前方的岩体。值得说明的是，这里所述的前方为小车的移动方向。

在本发明的一个示例中，在所述步骤S40中，

在柔性锯50切割岩体时，还包括对所述柔性锯50进行物理降温；

即在移动小车70上配置一冷却箱(图中未示出)，在当柔性锯50运行至驱动机构60前会经过装有冷却水的冷却箱进行物理浸湿和降温，避免在切割过程中产生较高的热量。

根据本发明的切顶施工方法，具有如下有益效果：

1)实现留巷及无煤柱开采。无煤柱开采技术是指在开采过程中不留设保护煤柱，可提高资源回收率，通过巷道的可重复利用大大减少巷道的掘进工程量，并且避免了留设煤柱带来的局部应力集中、巷道变形等安全隐患。而煤层开采后，采空区顶板121难以整齐、及时、充分冒落，常常造成人工留巷失败，因此，需要采用切顶技术，预先将顶板121切断，促使其整齐、及时、充分垮冒，为人工留巷提供创造条件。

2)实现巷道卸压。工作面回采会引起顶板121的连续弯曲变形，从而造成周边的巷道高应力集中，进而产生大变形。将采动侧的顶板121与被扰动顶板121预先切断，可有效减小工作面采动对周边巷道的影响，实现应力阻隔，达到卸压的目的。切顶卸压技术主要对工作面前方顶板121及侧向顶板121预裂，不仅可实现工作面前方巷道和巷道的动压治理，也可以对临空巷道的悬顶切断治理高应力，还可以对顶底板岩层进行定向切断，改变应力路径，实现应力转移和卸压。实现对工作面及巷道的保护，被广泛应用于坚硬顶板121控制、冲击矿压防治以及强动压巷道保护等煤矿安全问题上。同时煤矿在实施无煤柱开采过程中，定向切顶也是关键技术之一

3)绳锯切顶设备切割面角度可调，可以连续切割超前施工，多台设备同时施工，切割效率高；设备防爆，切割过程水冷，无火花，安全性更高；砂岩、灰岩、泥岩等各种软硬岩层均可切割，铁质材料也可以切割，不受锚杆和锚索的影响，适用范围广；相较于链锯切顶，绳锯切顶设备更为灵巧，切割深度更深，可达15m，切割面积可达45m2；成本低、操作简单，可以替代聚能爆破、水力压裂等定向切顶技术。本发明提供了一种成本低、效率高、可以连续作业、切割裂缝连续、操作人员数量少、裂缝方向可控、连通性强、安全性能好的针对煤矿定向切顶的方法和技术，是无煤柱开采中替代定向(聚能)爆破的关键技术，具有重要的推广价值。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的煤矿井下切顶装置100的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。