金剛石串珠繩鋸切縫煤層實(shí)驗(yàn)裝置的研制

湯鑄,李樹(shù)清,黃飛,朱顏平,楊黨震

(1.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制國(guó)家安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開(kāi)采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201;3.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;4.六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)與土木工程學(xué)院,貴州 六盤水 553004)

割縫卸壓是釋放煤層高地應(yīng)力的有效方法[1-5],針對(duì)傳統(tǒng)割縫方法單次割縫深度較小,煤層斷續(xù)切割區(qū)域卸壓難的問(wèn)題,探索了一種金剛石串珠繩鋸(簡(jiǎn)稱繩鋸)連續(xù)切縫煤層區(qū)域卸壓方法.目前,繩鋸割縫已被成功應(yīng)用于井下鹽溶礦溶解裂縫的大面積切割[6-7]、極薄礦體開(kāi)采[8-9]等礦業(yè)工程的實(shí)踐中,并取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo).自2012年以來(lái),筆者所在的項(xiàng)目組開(kāi)展繩鋸切縫煤層的研究工作,與開(kāi)灤集團(tuán)公司聯(lián)合研制可應(yīng)用于煤礦井下的繩鋸機(jī)及其輔助裝置,提出單、雙槽多種形式煤層繩鋸割縫工藝,并進(jìn)行井下工程實(shí)踐,獲得較好的煤層割縫效果.盡管繩鋸切縫煤層的工藝技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)裝備已開(kāi)始研發(fā),但繩鋸連續(xù)切縫煤層割煤力學(xué)機(jī)理和煤層卸壓規(guī)律等,還需借助實(shí)驗(yàn)裝置和進(jìn)一步的研究工作來(lái)逐步揭示.已有理論研究與前期工程實(shí)踐表明[10-14],繩鋸切割對(duì)象和作業(yè)環(huán)境對(duì)繩鋸切割機(jī)具和切割效果會(huì)產(chǎn)生較大影響,繩鋸切割應(yīng)用于煤礦井下,除受高地應(yīng)力環(huán)境影響外,其切割對(duì)象也發(fā)生了改變,故繩鋸切縫煤層的機(jī)具和切割效果均不同于地面石材、建筑物、水下金屬管道的切割.為解決現(xiàn)有繩鋸切割機(jī)具無(wú)法匹配相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的問(wèn)題,本文以現(xiàn)有理論研究和繩鋸切割實(shí)驗(yàn)機(jī)具為基礎(chǔ),對(duì)原有平面相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行增設(shè)繩鋸切縫裝置的改裝,并對(duì)該裝置在進(jìn)給狀態(tài)時(shí)串珠繩的張緊力進(jìn)行分析,以期為后續(xù)研究提供實(shí)驗(yàn)裝置保證.

1 繩鋸切縫煤層現(xiàn)場(chǎng)布置方式

開(kāi)灤礦區(qū)某礦進(jìn)入深部開(kāi)采后,受高地應(yīng)力和遺留殘存煤柱的影響,煤巖動(dòng)力災(zāi)害嚴(yán)重.為安全經(jīng)濟(jì)地降低或消除殘存煤柱的高地應(yīng)力威脅,在該礦T3150風(fēng)道與T2051北掘進(jìn)巷道2號(hào)之間的煤柱中開(kāi)展繩鋸切縫煤層的工程試驗(yàn).切縫試驗(yàn)地點(diǎn)的煤層厚3 m,煤層偽頂為深灰色泥巖,直接頂為較堅(jiān)硬的條帶狀灰色粉砂巖、中粒砂巖;直接底為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖,老底為堅(jiān)硬的細(xì)、中粒砂巖,本次實(shí)現(xiàn)了1 500 m2的煤層圍割面積.繩鋸切縫煤層現(xiàn)場(chǎng)位置及系統(tǒng)布置如圖1所示.

圖1 繩鋸切縫煤層現(xiàn)場(chǎng)位置及系統(tǒng)布置

繩鋸系統(tǒng)一般由繩鋸機(jī)、導(dǎo)向裝置、串珠繩、控制與輔助系統(tǒng)組成.繩鋸應(yīng)用于煤礦井下,可通過(guò)在巷道內(nèi)向煤層中施工起割鉆孔和回繩鉆孔構(gòu)建繩鋸切縫工作面[15].繩鋸切縫煤層現(xiàn)場(chǎng)布置方案如圖2所示,在一側(cè)巷道內(nèi)布置水平導(dǎo)向輪和豎直導(dǎo)向輪,另一側(cè)巷道內(nèi)布置水平導(dǎo)向輪和繩鋸機(jī),在煤層中施工起割鉆孔和回繩鉆孔,將串珠繩穿過(guò)鉆孔后依次繞過(guò)導(dǎo)向輪和繩鋸機(jī)的主動(dòng)輪,調(diào)節(jié)好串珠繩的初始張緊力并用接頭接牢.繩鋸切縫煤層時(shí),啟動(dòng)繩鋸機(jī)并調(diào)整主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速,主動(dòng)輪帶動(dòng)串珠繩高速跑動(dòng),開(kāi)啟輔助系統(tǒng)噴水降溫和降塵.繩鋸切縫煤層后,在繩鋸切縫工作面的后方形成了一個(gè)類似采空區(qū)的狹長(zhǎng)縫槽.

1.巷道;2.起割鉆孔;3.巷道;4.縫槽;5.回繩鉆孔;6.煤層;7.水平導(dǎo)向輪;8.豎直導(dǎo)向輪;9.繩鋸機(jī);10.串珠繩;11.輔助系統(tǒng);12.繩鋸機(jī)行走軌道.圖2 繩鋸切縫煤層現(xiàn)場(chǎng)布置方案

2 繩鋸切縫煤層實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)繩鋸切縫煤層現(xiàn)場(chǎng)布置方式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)并改裝繩鋸切縫煤層相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置,改裝后的實(shí)驗(yàn)裝置主要由平面相似實(shí)驗(yàn)臺(tái)架[16]、小型繩鋸切割系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成.其中,平面相似實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和小型繩鋸切割系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示.為充分利用相似實(shí)驗(yàn)臺(tái)的模型空間,減小增設(shè)裝置對(duì)二維相似模型鋪設(shè)操作、數(shù)據(jù)觀測(cè)的影響,并保證實(shí)驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性,在現(xiàn)有相似模擬實(shí)驗(yàn)架底座上部和杠桿加載裝置下部,采用100 mm×50 mm槽鋼搭建2個(gè)尺寸為1 064 mm×2 760 mm的可拆卸平行金屬外框,下部外框上表面和上部外框下表面鋪裝長(zhǎng)度為2 400 mm的繩鋸切割水平進(jìn)給支撐導(dǎo)軌,上下水平滑軌間安裝Ф80 mm×1 540 mm鋼質(zhì)豎向滑軌及固定座,豎向滑軌上裝設(shè)可調(diào)節(jié)繩鋸切割位置的鎖緊件及萬(wàn)向輪組(豎直導(dǎo)向輪+水平導(dǎo)向輪),下部外框端頭安裝有定向輪.繩鋸切割系統(tǒng)中主動(dòng)輪的動(dòng)力由小型繩鋸機(jī)主電機(jī)提供,繩鋸機(jī)在軌道上的進(jìn)給動(dòng)力由輔助電機(jī)提供,設(shè)計(jì)采用2套無(wú)極調(diào)速器分別獨(dú)立控制主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速和繩鋸的進(jìn)給速度,采用微型土壓力傳感器及其配套的靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng),監(jiān)測(cè)模型中各測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)力變化情況,使用全站儀測(cè)定各測(cè)點(diǎn)位移的變化情況.

1.行走導(dǎo)軌;2.行走電機(jī);3.主動(dòng)輪;4.行走齒輪;5.水平變向輪;6.垂直變向輪;7.串珠繩;8.下部金屬外框;9.水平進(jìn)給支撐導(dǎo)軌;10.固定座;11.豎向滑軌;12.鎖緊件;13.萬(wàn)向輪組;14.上部金屬外框;15.加載系統(tǒng).圖3 繩鋸切縫煤層平面相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置

為滿足繩鋸切縫煤層相似模擬研究及實(shí)驗(yàn)要求,增設(shè)的繩鋸切縫裝置應(yīng)具備以下技術(shù)指標(biāo):(1)繩鋸切割水平進(jìn)給50～2 450 mm;(2)繩鋸切割豎向高度225～1 575 mm;(3)小型繩鋸機(jī)主電機(jī)的功率15 kW;(4)串珠繩線速度0～25.5 m/s;(5)水平進(jìn)給速度0～0.5 m/s;(6)支撐導(dǎo)軌的水平誤差值小于0.1 mm.

3 實(shí)驗(yàn)裝置中串珠繩的張緊力分析

為滿足所需條件內(nèi)的繩鋸切縫煤層相似模擬實(shí)驗(yàn)要求,防止實(shí)驗(yàn)中過(guò)大的張緊力拉斷串珠繩接頭,確保該實(shí)驗(yàn)裝置的安全可靠運(yùn)行,下面根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)和串珠繩的繞繩方式,分析該裝置在進(jìn)給狀態(tài)時(shí)串珠繩的張緊力.

3.1 初始狀態(tài)

初始狀態(tài)時(shí)串珠繩繞繩方式及繩長(zhǎng)分析模型如圖4所示.實(shí)驗(yàn)裝置中的繩鋸在未切割煤層之前,繩鋸割煤工作面處輪O1和輪O2之間有一段繩長(zhǎng)為L(zhǎng)0的串珠繩,此時(shí)繩鋸受自身軸向初始張力為T0.

圖4 初始狀態(tài)時(shí)串珠繩繞繩方式及繩長(zhǎng)分析模型

繩鋸切割實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)初始狀態(tài)時(shí)串珠繩總長(zhǎng)L為

L=L0+D1+D2+α1r1+α2r2+L3+L4+L5+L6+α3r3+α4r4+α5r5+α6r6+α7r7.

(1)

式中:D1為輪O1與輪O3圓心間的水平距,m;D2為輪O2與輪O7圓心間的水平距,m;ri為輪Oi的半徑(i=1,2,…,7),m;αi為初始狀態(tài)時(shí)串珠繩與輪Oi的包角(i=1,2,…,7);L3,L4,L5,L6為初始狀態(tài)時(shí)輪間切線段長(zhǎng),m.

L=L0+2(D1+L3)+(π+α3+α4+α6+α7)r+L4+L5+α5r5.

(2)

3.2 進(jìn)給狀態(tài)

進(jìn)給狀態(tài)時(shí)串珠繩受力及繩長(zhǎng)分析模型如圖5所示.當(dāng)繩鋸裝置開(kāi)始切割時(shí),繩鋸機(jī)在軌道上進(jìn)給并帶動(dòng)萬(wàn)向輪組沿水平方向做切割運(yùn)動(dòng).由于繩鋸是一種接觸式切割[17-18],切割過(guò)程中串珠繩與鋸切材料之間存在接觸力F,繩鋸割煤工作面處的串珠繩受到進(jìn)給方向的阻力,形成線弓角[19-20].

由圖5a的幾何關(guān)系可知,鋸切弧區(qū)的串珠繩長(zhǎng)l為

(3)

式中:θ為進(jìn)給狀態(tài)時(shí)串珠繩的線弓角;D0為鋸切材料的寬度,m.

繩鋸切割實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)給狀態(tài)時(shí)串珠繩總長(zhǎng)L′為

(4)

式中:L1為進(jìn)給狀態(tài)時(shí)輪O1側(cè)的串珠繩弓長(zhǎng),m;L2為進(jìn)給狀態(tài)時(shí)輪O2側(cè)的串珠繩弓長(zhǎng),m;αi′為進(jìn)給狀態(tài)時(shí)串珠繩與輪Oi的包角(i=1,2,…,7);L3′,L4′,L5′,L6′為進(jìn)給狀態(tài)時(shí)輪間切線段長(zhǎng),m.

(5)

考慮串珠繩的線彈性,串珠繩在張緊力T作用下變形伸長(zhǎng)后的總長(zhǎng)度,可近似表示為

(6)

式中:k為串珠繩的剛度系數(shù).

由虎克定律可知:

(7)

式中:E為串珠繩的彈性模量,GPa;A為串珠繩的有效橫截面積,m2.

由式(6)和式(7)得到進(jìn)給狀態(tài)時(shí)實(shí)驗(yàn)裝置中串珠繩的張緊力T為

(8)

本裝置通過(guò)調(diào)節(jié)繩鋸機(jī)行走速度和單次行走距離d,可控制繩鋸割煤工作面的進(jìn)給距離s.在實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)試過(guò)程中,將測(cè)得的弓角、包角、切線夾角等繩鋸系統(tǒng)參數(shù)代入式(5),可得進(jìn)給狀態(tài)時(shí)串珠繩受張緊力T的拉伸作用發(fā)生彈性形變后的總長(zhǎng)L′,根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所選串珠繩的物理力學(xué)參數(shù),由式(8)可計(jì)算出串珠繩的張緊力T.

以上述繩鋸切縫煤層的工程實(shí)踐為原型,采用本次研制的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行繩鋸切縫煤層的相似模擬實(shí)驗(yàn).工程實(shí)踐中繩鋸切割煤層進(jìn)給時(shí)串珠繩張緊力為1.96 kN(約200 kg),相似實(shí)驗(yàn)中若取力的相似比為1∶10,則該實(shí)驗(yàn)裝置中串珠繩進(jìn)給狀態(tài)時(shí)的張緊力應(yīng)為0.196 kN.考慮選用直徑2 mm的串珠繩(其內(nèi)部由6股直徑0.3 mm鋼絲捻制而成,等效橫截面積取0.424 mm2),鋼絲的彈性模量取200 GPa,串珠繩初始總長(zhǎng)6 000 mm,經(jīng)實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)試及根據(jù)式(5)和式(8)計(jì)算后得出,弓角18°時(shí)串珠繩總長(zhǎng)為6 014 mm,張緊力為0.197 kN,可滿足繩鋸連續(xù)切縫煤層相似模擬實(shí)驗(yàn)的要求.

4 結(jié)論

1)在平面相似模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)上增設(shè)繩鋸切割系統(tǒng),該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、繞繩方式靈活、操控方便.經(jīng)過(guò)多次繩鋸水平切縫煤層的相似模擬實(shí)驗(yàn),證明該裝置可解決傳統(tǒng)繩鋸切割實(shí)驗(yàn)機(jī)具與采礦相似模擬臺(tái)架難以匹配的問(wèn)題.

2)分析繩鋸切縫煤層實(shí)驗(yàn)裝置中串珠繩的繞繩方式和受拉后彈性形變,得出該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在初始和進(jìn)給狀態(tài)時(shí)串珠繩總長(zhǎng)的表達(dá)式和串珠繩張緊力的計(jì)算方法.模擬計(jì)算驗(yàn)證該裝置能滿足繩鋸連續(xù)切縫煤層相似模擬實(shí)驗(yàn)的要求.

由于受已有相似實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的限制,目前該實(shí)驗(yàn)裝置只能實(shí)現(xiàn)煤層水平連續(xù)切縫,對(duì)于傾斜煤層繩鋸切縫方法和不同角度切縫煤層實(shí)驗(yàn)機(jī)具的研制,有待進(jìn)一步研究.