金剛石串珠繩鋸煤層割縫的相似模擬試驗(yàn)分析*

朱顏平 李樹清,2,3 湯鑄 黃飛,2,3 李波 楊黨震

(1.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; 2.湖南科技大學(xué)煤礦安全開采技術(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)南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南湘潭 411201)

0 引言

目前，我國許多煤礦已進(jìn)入到深部開采，煤巖層應(yīng)力高，導(dǎo)致沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害嚴(yán)重，造縫卸壓增透是防治動(dòng)力災(zāi)害的重要手段。多年以來，國內(nèi)外研究了水力沖孔、水力壓裂、深孔預(yù)裂爆破和二氧化碳致裂等造縫卸壓增透技術(shù)。這些技術(shù)都在卸壓增透方面取得了較好效果，但也都存在一定的局限性。

國內(nèi)外對(duì)縫槽卸壓增透方面開展了大量的研究。盧義玉等[1]通過實(shí)踐研究提出了地面定向井+水力割縫卸壓高效開發(fā)深部煤層氣的方法，該方法更有利于形成網(wǎng)格化流體運(yùn)移通道，擴(kuò)大煤層卸壓范圍和卸壓程度。劉金根等[2]將水力沖孔技術(shù)應(yīng)用至實(shí)際工作面，實(shí)踐表明工作面進(jìn)行水力沖孔后，煤層卸壓增透作用明顯，水力沖孔技術(shù)起到了較好的綜合防突和增透作用。李敬鈺等[3]通過工程試驗(yàn)研究得出水力割縫技術(shù)可以有效地釋放煤層中的體積應(yīng)力，提高煤層的透氣性，從而提高鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛?，延長抽采時(shí)間，提高抽采總量。時(shí)歌聲[4]利用數(shù)值模擬分析通過提高割縫壓力、合理布置割縫間距，能夠有效加大煤體卸壓程度，緩解鉆孔周圍應(yīng)力狀態(tài)，證明超高壓水力割縫技術(shù)能有效解決高瓦斯高地應(yīng)力低滲透性堅(jiān)硬煤層的瓦斯抽采難題。張帥等[5]研究證明水力割縫所產(chǎn)生的縫槽自由面能夠卸除圍壓，集中應(yīng)力向縫槽外側(cè)和縫槽間煤體轉(zhuǎn)移；煤體滲透率明顯提高, 促進(jìn)瓦斯解吸和流動(dòng)。張東明等[6]提出地應(yīng)力條件下優(yōu)勢(shì)射孔致裂方向的確定方法及低滲煤層液態(tài)CO2相變定向射孔致裂增透技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用研究形成了液態(tài)CO2，相變定向射孔致裂增透網(wǎng)格式瓦斯抽采方法。

由于繩鋸割縫是一種連續(xù)的切割，卸壓影響范圍大，因此，以往其他割縫方式卸壓增透方面的研究成果不一定符合煤層繩鋸割縫的實(shí)際。鑒于此，本文采用相似模擬試驗(yàn)手段，開展了金剛石繩鋸切割煤層卸壓效應(yīng)的研究，并探討了割縫完成后所形成縫槽頂板觸底的機(jī)制。

1 金剛石串珠繩鋸煤層割縫工程及相似模擬試驗(yàn)方案

1.1 金剛石串珠繩鋸煤層割縫工程概況

隨著開灤礦區(qū)開采深度不斷加大，地應(yīng)力升高，沖擊地壓的危害日益凸顯，煤層卸壓變得尤為重要。但由于現(xiàn)有煤層卸壓技術(shù)一般為局部手段，卸壓的范圍比較有限，制約了礦井安全保障能力和生產(chǎn)效益，故急需一種效率更高的煤層卸壓技術(shù)。2015年以來，開灤礦業(yè)集團(tuán)有限公司和湖南科技大學(xué)聯(lián)合開展了煤礦井下使用繩鋸割縫的探索。

金剛石串珠繩鋸切割(簡(jiǎn)稱繩鋸切割)是一種應(yīng)用廣泛的切割技術(shù)。金剛石串珠繩鋸主要由繩鋸切割機(jī)和金剛石串珠繩兩大部分構(gòu)成。繩鋸切割工作原理主要是：在動(dòng)力機(jī)組的驅(qū)動(dòng)下，安裝在繩鋸機(jī)導(dǎo)輪組上的串珠繩穿過鉆孔繞壓在切割物體上做無極轉(zhuǎn)動(dòng)，通過串珠繩上金剛石顆粒與切割物體間的高速連續(xù)磨削運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割。為滿足煤礦井下煤層割縫的需要，項(xiàng)目組研發(fā)了電動(dòng)三代繩鋸機(jī)(FBDSJ-Ⅲ)等多種繩鋸機(jī)。根據(jù)煤礦安全和煤層割縫設(shè)備配套要求，試驗(yàn)確定第三代防爆型電動(dòng)繩鋸機(jī)(FBDSJ-Ⅲ)為井下煤層割縫主要配套設(shè)備，如圖1所示。繩鋸切割系統(tǒng)配套使用直徑11.5 mm橡膠套金剛石串珠繩鋸。并設(shè)計(jì)使用雙槽煤層繩鋸割縫工藝方式，如圖2所示。

圖1 防爆型電動(dòng)三代繩鋸機(jī)

圖2 雙槽繩鋸煤層割縫工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此次工程試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一次有效切割煤層面積1 500 m2，在高礦壓下繩鋸割煤的切割速度達(dá)到70～80 m2/h，獲得良好的煤層卸壓效果。

1.2 相似材料配比方案

(1)模型原型介紹。本次相似模擬的原型為上述工程試驗(yàn)之一的開灤礦區(qū)某礦煤柱，切割煤層為5號(hào)，模擬范圍長25 m、高18 m，模擬煤巖層共6層，各煤巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 相似模型試驗(yàn)原型巖層力學(xué)參數(shù)

(2)模型相似常數(shù)確定。根據(jù)相似原則、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件及試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓闆r，確定幾何相似常數(shù)αl=1∶10；容重相似常數(shù)αγ=1∶1.5；應(yīng)力及強(qiáng)度相似常數(shù)ασ=1∶15。

(3)相似材料配比方案。根據(jù)相似模型試驗(yàn)原型巖層力學(xué)參數(shù)，通過計(jì)算和大量的相似材料配比試驗(yàn)，選取合適配比及材料力學(xué)性能，試驗(yàn)?zāi)Ｐ弯佋O(shè)各層所需材料用量如表2所示。

表2 相似試驗(yàn)?zāi)Ｐ弯佋O(shè)參數(shù)一覽

1.3 試驗(yàn)方案

相似模型采用平面應(yīng)力模型，整體尺寸為2 500 mm ×200 mm ×1 800 mm，模型兩邊各留出550 mm不進(jìn)行繩鋸切割，模型實(shí)際切割長度1 400 mm。選擇直徑2.2 mm橡膠套金剛石串珠繩鋸作為煤層割縫工具。

(1)應(yīng)力監(jiān)測(cè)：利用全橋電阻應(yīng)變式土壓力盒與動(dòng)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集儀程控系統(tǒng)對(duì)繩鋸切割過程中割縫周圍煤巖中的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)收集，應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 相似試驗(yàn)?zāi)Ｐ弯佋O(shè)及應(yīng)力傳感器埋設(shè)位置

(2)位移監(jiān)測(cè)：在切割縫槽上下部布置11條位移監(jiān)測(cè)線，并在每條監(jiān)測(cè)線上設(shè)有多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)189個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體布置見圖4所示。采用全站儀量測(cè)繩鋸切割過程中煤巖層的位移變化。

采用小型繩鋸機(jī)對(duì)相似模型進(jìn)行真實(shí)鋸切割縫，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)繩鋸切割過程中煤巖層中應(yīng)力變化，使用高清相機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量煤巖層位移變化。

圖4 位移監(jiān)測(cè)線布置位置

2 金剛石串珠繩鋸煤層割縫的相似模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 垂直應(yīng)力分布

圖5為割縫過程中縫槽上下方監(jiān)測(cè)線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布。以圖5(c)縫槽上方1.5 m處P28點(diǎn)為例，當(dāng)割縫工作面未經(jīng)過P28點(diǎn)時(shí)，P28點(diǎn)先出現(xiàn)小幅度的應(yīng)力升高；當(dāng)割縫工作面推進(jìn)至P28點(diǎn)正下方處，P28點(diǎn)應(yīng)力發(fā)生急劇降低，降低幅度為0.03 MPa；最后隨著割縫工作面的推進(jìn)，P28點(diǎn)發(fā)生一定程度的應(yīng)力恢復(fù)。當(dāng)割縫工作面推進(jìn)至與任一應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于同一條垂直線上時(shí)，此監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力會(huì)發(fā)生急劇降低。

由圖可知，隨著繩鋸割縫工作面的不斷推進(jìn)，縫槽上下方煤巖層出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力恢復(fù)區(qū)?？p槽上方平均卸壓0.03 MPa，縫槽下方平均卸壓0.01 MPa，縫槽上方煤巖層應(yīng)力變化值明顯大于縫槽下方應(yīng)力值；縫槽下方0.5 m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力降低幅度明顯，約為0.025 MPa，下方1.75 m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力降低幅度較小，約為0.005 MPa。說明縫槽上方煤巖層比下方卸壓更充分，且距離縫槽越近，受到開割擾動(dòng)的影響越大，卸壓越充分。

(a)縫槽下方1.75 m處

(b)縫槽下方0.5 m處

(c)縫槽上方1.5 m處

(d)縫槽上方2.75 m處

2.2 垂直位移變化

圖6是不同割縫長度時(shí)距離縫槽不同高度位置的垂直位移分布圖。通過對(duì)各圖進(jìn)行橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，隨著繩鋸割縫的進(jìn)行，縫槽長度不斷增大，縫槽上下產(chǎn)生位移變化的區(qū)域越來越大；從各圖的縱坐標(biāo)值可以看出，當(dāng)縫槽繩鋸切割完成后，縫槽下部煤巖層向上位移，而上部煤巖層向下位移。且隨著切割工作面的不斷推進(jìn)，各監(jiān)測(cè)線位移變化值逐漸增大，距離縫槽越近，其垂直位移量越大，當(dāng)縫槽頂板觸底后監(jiān)測(cè)線位移量保持不變。

(a)割縫4 m

(b)割縫6 m

(d)割縫10 m

(e)割縫12 m

(f)割縫14 m

2.3 裂隙發(fā)育情況

圖7是割縫完成以后的模型示意圖。割縫14 m后，在縫槽斜向上方出現(xiàn)一條裂隙，裂隙長約2 m，寬達(dá)幾毫米(模型值不到1 mm)，裂隙在模型前后位置及方向大致相同，應(yīng)為同一條貫穿裂隙。圖8是縫槽閉合前后對(duì)比圖，如圖所示，頂板已觸底，不同于采煤工作面開采導(dǎo)致的上覆巖層三帶分布，縫槽上方存在小范圍的裂隙帶和彎曲下沉帶。

(a)模型整體示意 (b)裂隙處局部放大

(a)未閉合前 (b)閉合后

3 金剛石串珠繩鋸煤層割縫縫槽頂板觸底分析

3.1 繩鋸切割煤層縫槽頂板觸底形式分析

圖5表明：金剛石串珠繩鋸切割煤層，隨切割工作面的推進(jìn)，縫槽上下方煤巖層均呈現(xiàn)應(yīng)力先逐漸升高，再急速下降，隨后應(yīng)力開始緩慢恢復(fù)的過程。這是因?yàn)槔K鋸切割后，縫槽空間的出現(xiàn)導(dǎo)致上下方一定范圍內(nèi)煤巖層出現(xiàn)了卸壓，而縫槽上面的煤巖層逐漸下沉，隨工作面推進(jìn)逐漸與底板接觸，導(dǎo)致應(yīng)力重新恢復(fù)。掌握了這一規(guī)律能夠指導(dǎo)繩鋸割縫施工及瓦斯抽采布置。

金剛石串珠繩鋸切割煤層與常規(guī)煤層開采不同，由于用于切割的金剛石串珠直徑一般只有幾厘米，煤層切割后，頂板煤巖層不會(huì)發(fā)生冒落，上覆煤巖層只存在裂隙帶和彎曲下沉帶兩帶。如圖5可知，在繩鋸切割煤層的過程中，縫槽上方煤巖層會(huì)發(fā)生一定程度位移沉降，且隨著工作面的推進(jìn)位移沉降值逐漸增大，進(jìn)而頂板發(fā)生觸底。根據(jù)頂板的運(yùn)動(dòng)過程主要分為以下三個(gè)階段：頂板懸露階段、頂板觸底階段、連續(xù)接底階段。

第一階段：當(dāng)繩鋸切割煤層剛形成縫槽時(shí)，上覆巖層逐漸懸露，縫槽上方未出現(xiàn)裂隙，基本呈完整狀態(tài)。

第二階段：隨著繩鋸切割工作面(簡(jiǎn)稱工作面)的推進(jìn)，縫槽長度增大，即頂板梁跨度增大。將懸露巖層簡(jiǎn)化為一端由工作面煤體支承，另一端由邊界煤體支承的兩端嵌固的“梁”。當(dāng)縫槽推進(jìn)到一定長度時(shí)，頂板圍巖的裂隙發(fā)育程度明顯變高。在直接頂巖層重力與上方基本頂?shù)淖饔孟?，縫槽直接頂可能發(fā)生觸底現(xiàn)象，觸底形式主要有斷裂觸底和彎曲觸底兩種。

第三階段：當(dāng)縫槽上方頂板發(fā)生觸底，切割工作面繼續(xù)向前推進(jìn)時(shí)，切割工作面后方縫槽頂板將依次連續(xù)觸底。

3.2 縫槽頂板均布載荷作用下頂板運(yùn)動(dòng)理論分析

由于煤層進(jìn)行繩鋸割縫后，所產(chǎn)生縫槽對(duì)煤巖周邊應(yīng)力產(chǎn)生重大影響，對(duì)縫槽頂板運(yùn)動(dòng)進(jìn)行力學(xué)分析?？紤]均布垂直載荷作用下，建立金剛石繩鋸煤層割縫頂板受力模型進(jìn)行力學(xué)分析，繩鋸沿x正方向(橫向)推進(jìn)，繩鋸割煤工作面后方形成高度為m，長度為l的縫槽空間， 如圖9所示。

圖9 金剛石繩鋸煤層割縫頂板力學(xué)模型

在該理論力學(xué)模型中，頂板中部受最大彎矩的方程為：

(1)

式中，q為煤層及上覆直接頂自重，MPa；l為縫槽長度，m。

由式(1)求出巖梁中點(diǎn)向下的撓度方程為：

(2)

式中，EI為抗彎剛度。

巖梁頂板最大拉應(yīng)力方程為：

(3)

(1)隨著煤層縫槽的持續(xù)推進(jìn)，頂板彎曲沉降發(fā)展至一定限度，當(dāng)煤層頂板所受最大拉應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度，即σmax≥[σ]時(shí)，煤層頂板中部位置處發(fā)生開裂，頂板發(fā)生拉破斷進(jìn)而觸底，此時(shí)觸底形式為斷裂觸底。判別式如式(4)所示。

(4)

式中，[σ]為巖梁的抗拉強(qiáng)度，MPa。

隨著切割工作面的推進(jìn)，由式(4)求出頂板發(fā)生斷裂觸底時(shí)縫槽長度為：

(5)

(2)當(dāng)煤層頂板所受最大拉應(yīng)力小于其抗拉強(qiáng)度，即σmax<[σ]時(shí)，頂板不會(huì)發(fā)生拉破壞。若頂板最大撓度值大于縫高，即(ymax≥m)。頂板發(fā)生彎曲觸底，判別式如式(6)所示：

(6)

由式(6)求出頂板發(fā)生彎曲觸底時(shí)縫槽長度為：

(7)

若頂板最大撓度值小于縫高，即(ymax

因此，當(dāng)切割工作面推進(jìn)至6.59 m時(shí)，縫槽頂板發(fā)生拉破壞，從而呈現(xiàn)斷裂觸底。隨著切割工作面的持續(xù)推進(jìn)，頂板連續(xù)接底。

由圖7、圖8可以看出實(shí)驗(yàn)中縫槽有明顯裂隙，頂板呈現(xiàn)斷裂觸底。由于相似實(shí)驗(yàn)材料的強(qiáng)度偏大，導(dǎo)致理論數(shù)值與實(shí)際數(shù)值有一定的偏差，但兩者縫槽頂板均呈現(xiàn)斷裂觸底，故該模擬實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算基本相符。

4 結(jié)論

(1)金剛石繩鋸割縫煤層形成縫槽后，縫槽上方只存在小范圍的裂隙帶及彎曲下沉帶，不存在常規(guī)采煤工作面垮落帶。

(2)縫槽形成后，在縫槽上下方煤巖中出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力恢復(fù)區(qū)?？p槽上方1.5 m范圍內(nèi)卸壓幅度達(dá)到0.03 MPa以上，卸壓效果較理想，縫槽下方1.5 m范圍內(nèi)卸壓幅度約0.01 MPa。

(3)開割擾動(dòng)下縫槽上下部覆巖位移特征較明顯，縫槽上方覆巖位移量大于縫槽下方覆巖位移量，縫槽上下方0.5 m區(qū)域內(nèi)變化較明顯。

(4)通過建立金剛石繩鋸切割力學(xué)分析模型，揭示了縫槽頂板彎曲觸底、斷裂觸底兩種形式，提出了它們相應(yīng)的條件判別式。