湯鑄,李樹清,黃飛,朱顏平,楊黨震

(1.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制國家安全生產重點實驗室,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201;3.湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院,湖南 湘潭 411201;4.六盤水師范學院 礦業(yè)與土木工程學院,貴州 六盤水 553004)

割縫卸壓是釋放煤層高地應力的有效方法[1-5],針對傳統(tǒng)割縫方法單次割縫深度較小,煤層斷續(xù)切割區(qū)域卸壓難的問題,探索了一種金剛石串珠繩鋸(簡稱繩鋸)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用于井下鹽溶礦溶解裂縫的大面積切割[6-7]、極薄礦體開采[8-9]等礦業(yè)工程的實踐中,并取得較好的技術經濟指標.自2012年以來,筆者所在的項目組開展繩鋸切縫煤層的研究工作,與開灤集團公司聯(lián)合研制可應用于煤礦井下的繩鋸機及其輔助裝置,提出單、雙槽多種形式煤層繩鋸割縫工藝,并進行井下工程實踐,獲得較好的煤層割縫效果.盡管繩鋸切縫煤層的工藝技術與現(xiàn)場裝備已開始研發(fā),但繩鋸連續(xù)切縫煤層割煤力學機理和煤層卸壓規(guī)律等,還需借助實驗裝置和進一步的研究工作來逐步揭示.已有理論研究與前期工程實踐表明[10-14],繩鋸切割對象和作業(yè)環(huán)境對繩鋸切割機具和切割效果會產生較大影響,繩鋸切割應用于煤礦井下,除受高地應力環(huán)境影響外,其切割對象也發(fā)生了改變,故繩鋸切縫煤層的機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)有繩鋸切割機具無法匹配相似模擬實驗臺的問題,本文以現(xiàn)有理論研究和繩鋸切割實驗機具為基礎,對原有平面相似模擬實驗平臺進行增設繩鋸切縫裝置的改裝,并對該裝置在進給狀態(tài)時串珠繩的張緊力進行分析,以期為后續(xù)研究提供實驗裝置保證.

1 繩鋸切縫煤層現(xiàn)場布置方式

開灤礦區(qū)某礦進入深部開采后,受高地應力和遺留殘存煤柱的影響,煤巖動力災害嚴重.為安全經濟地降低或消除殘存煤柱的高地應力威脅,在該礦T3150風道與T2051北掘進巷道2號之間的煤柱中開展繩鋸切縫煤層的工程試驗.切縫試驗地點的煤層厚3 m,煤層偽頂為深灰色泥巖,直接頂為較堅硬的條帶狀灰色粉砂巖、中粒砂巖;直接底為砂質泥巖或粉砂巖,老底為堅硬的細、中粒砂巖,本次實現(xiàn)了1 500 m2的煤層圍割面積.繩鋸切縫煤層現(xiàn)場位置及系統(tǒng)布置如圖1所示.

圖1 繩鋸切縫煤層現(xiàn)場位置及系統(tǒng)布置

繩鋸系統(tǒng)一般由繩鋸機、導向裝置、串珠繩、控制與輔助系統(tǒng)組成.繩鋸應用于煤礦井下,可通過在巷道內向煤層中施工起割鉆孔和回繩鉆孔構建繩鋸切縫工作面[15].繩鋸切縫煤層現(xiàn)場布置方案如圖2所示,在一側巷道內布置水平導向輪和豎直導向輪,另一側巷道內布置水平導向輪和繩鋸機,在煤層中施工起割鉆孔和回繩鉆孔,將串珠繩穿過鉆孔后依次繞過導向輪和繩鋸機的主動輪,調節(jié)好串珠繩的初始張緊力并用接頭接牢.繩鋸切縫煤層時,啟動繩鋸機并調整主動輪的轉速,主動輪帶動串珠繩高速跑動,開啟輔助系統(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類似采空區(qū)的狹長縫槽.

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

2 繩鋸切縫煤層實驗裝置結構

根據(jù)繩鋸切縫煤層現(xiàn)場布置方式及結構特點,設計并改裝繩鋸切縫煤層相似模擬實驗裝置,改裝后的實驗裝置主要由平面相似實驗臺架[16]、小型繩鋸切割系統(tǒng)、實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成.其中,平面相似實驗臺架和小型繩鋸切割系統(tǒng)實驗裝置結構如圖3所示.為充分利用相似實驗臺的模型空間,減小增設裝置對二維相似模型鋪設操作、數(shù)據(jù)觀測的影響,并保證實驗裝置整體結構剛度、強度、穩(wěn)定性,在現(xiàn)有相似模擬實驗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度為2 400 mm的繩鋸切割水平進給支撐導軌,上下水平滑軌間安裝Ф80 mm×1 540 mm鋼質豎向滑軌及固定座,豎向滑軌上裝設可調節(jié)繩鋸切割位置的鎖緊件及萬向輪組(豎直導向輪+水平導向輪),下部外框端頭安裝有定向輪.繩鋸切割系統(tǒng)中主動輪的動力由小型繩鋸機主電機提供,繩鋸機在軌道上的進給動力由輔助電機提供,設計采用2套無極調速器分別獨立控制主動輪的轉速和繩鋸的進給速度,采用微型土壓力傳感器及其配套的靜態(tài)應力應變測試分析系統(tǒng),監(jiān)測模型中各測點的壓應力變化情況,使用全站儀測定各測點位移的變化情況.

1.行走導軌;2.行走電機;3.主動輪;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.水平進給支撐導軌;10.固定座;11.豎向滑軌;12.鎖緊件;13.萬向輪組;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驗裝置

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

3 實驗裝置中串珠繩的張緊力分析

為滿足所需條件內的繩鋸切縫煤層相似模擬實驗要求,防止實驗中過大的張緊力拉斷串珠繩接頭,確保該實驗裝置的安全可靠運行,下面根據(jù)實驗裝置結構和串珠繩的繞繩方式,分析該裝置在進給狀態(tài)時串珠繩的張緊力.

3.1 初始狀態(tài)

初始狀態(tài)時串珠繩繞繩方式及繩長分析模型如圖4所示.實驗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之間有一段繩長為L0的串珠繩,此時繩鋸受自身軸向初始張力為T0.

圖4 初始狀態(tài)時串珠繩繞繩方式及繩長分析模型

繩鋸切割實驗系統(tǒng)初始狀態(tài)時串珠繩總長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)時串珠繩與輪Oi的包角(i=1,2,…,7);L3,L4,L5,L6為初始狀態(tài)時輪間切線段長,m.

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

(2)

3.2 進給狀態(tài)

進給狀態(tài)時串珠繩受力及繩長分析模型如圖5所示.當繩鋸裝置開始切割時,繩鋸機在軌道上進給并帶動萬向輪組沿水平方向做切割運動.由于繩鋸是一種接觸式切割[17-18],切割過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給方向的阻力,形成線弓角[19-20].

由圖5a的幾何關系可知,鋸切弧區(qū)的串珠繩長l為

(3)

式中:θ為進給狀態(tài)時串珠繩的線弓角;D0為鋸切材料的寬度,m.

繩鋸切割實驗系統(tǒng)進給狀態(tài)時串珠繩總長L′為

(4)

式中:L1為進給狀態(tài)時輪O1側的串珠繩弓長,m;L2為進給狀態(tài)時輪O2側的串珠繩弓長,m;αi′為進給狀態(tài)時串珠繩與輪Oi的包角(i=1,2,…,7);L3′,L4′,L5′,L6′為進給狀態(tài)時輪間切線段長,m.

(5)

考慮串珠繩的線彈性,串珠繩在張緊力T作用下變形伸長后的總長度,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)得到進給狀態(tài)時實驗裝置中串珠繩的張緊力T為

(8)

本裝置通過調節(jié)繩鋸機行走速度和單次行走距離d,可控制繩鋸割煤工作面的進給距離s.在實驗裝置的調試過程中,將測得的弓角、包角、切線夾角等繩鋸系統(tǒng)參數(shù)代入式(5),可得進給狀態(tài)時串珠繩受張緊力T的拉伸作用發(fā)生彈性形變后的總長L′,根據(jù)實驗中所選串珠繩的物理力學參數(shù),由式(8)可計算出串珠繩的張緊力T.

以上述繩鋸切縫煤層的工程實踐為原型,采用本次研制的實驗裝置進行繩鋸切縫煤層的相似模擬實驗.工程實踐中繩鋸切割煤層進給時串珠繩張緊力為1.96 kN(約200 kg),相似實驗中若取力的相似比為1∶10,則該實驗裝置中串珠繩進給狀態(tài)時的張緊力應為0.196 kN.考慮選用直徑2 mm的串珠繩(其內部由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6 000 mm,經實驗裝置調試及根據(jù)式(5)和式(8)計算后得出,弓角18°時串珠繩總長為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驗的要求.

4 結論

1)在平面相似模型實驗臺上增設繩鋸切割系統(tǒng),該裝置結構簡單、繞繩方式靈活、操控方便.經過多次繩鋸水平切縫煤層的相似模擬實驗,證明該裝置可解決傳統(tǒng)繩鋸切割實驗機具與采礦相似模擬臺架難以匹配的問題.

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

由于受已有相似實驗平臺的限制,目前該實驗裝置只能實現(xiàn)煤層水平連續(xù)切縫,對于傾斜煤層繩鋸切縫方法和不同角度切縫煤層實驗機具的研制,有待進一步研究.