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金刚石串珠绳锯切割煤层卸压增透效应研究
煤炭资源在我国能源安全中具有兜底保障的重要作用。随着近年来煤矿开采深度的增加,深部矿井所面临的煤层构造复杂、瓦斯压力大、渗透率低等问题日趋严重,导致煤与瓦斯突出灾害防治难度增加, 严重威胁煤矿安全生产。因此开展新的煤储层的卸压增透技术以强化瓦斯抽采对瓦斯动力灾害的防治具有重要意义。
保护层开采作为广泛使用的区域防突技术,多数学者对其进行了研究,俞启香、石必明等研究了保护层开采上覆岩层变化破坏特征,以及随保护层工作面推进,被保护层煤体的应力分布和变形规律,提出了卸压瓦斯抽采的方法。程远平等研究了保护层开采上覆远距离煤岩体变形移动与裂隙分布特征,提出了远程卸压瓦斯抽采方法。涂敏等分析了被保护层 的膨胀变形规律,研究了远程保护层开采卸压增透规 律。刘洪永等定义了保护层的分类并给出了判定方法,将下保护层分为 3 类,上保护层分为 2 类。王伟等研究了深部近距离上保护层底板裂隙演化及卸压瓦斯的时效性,解决了下方被保护层卸压瓦斯通过底板裂隙涌向首层采煤工作面造成瓦斯超限的问题。 胡国忠等依托工程实际,研究了俯伪斜上保护层开采被保护层的应力和变形规律,并优化设计了俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯抽采参数。高峰等研究了保护层开采过程中煤岩损伤与瓦斯渗透性的变化,给出了被保护层损伤程度和渗透性系数的变化规律。马占国等分析了远距离下保护层开采的煤岩体变形特征。薛东杰等研究了采动条件下被保护 层瓦斯卸压增透机理,建立体积应变与渗透率的耦合关系方程。王宏图等认为关键层破断能够提升保护层的保护效果,提高瓦斯的释放效率。程详等研究了软岩保护层开采上覆被保护层的卸压瓦斯治理问题。柴敬等结合现场光纤监测技术,研究了上保护层开采后被保护层应力释放率及其变化特性,确定了被保护层卸压角和底板破坏深度。
水力 (磨料) 割缝技术作为煤层卸压增透的关键技术,学术界为了提高煤层割缝效率,获得较好的卸压增透效果,对其开展了大量研究。林柏泉等开发了高压磨料射流割缝防突技术并且在煤层巷道掘进工作面取得了较好的应用。卢义玉等提出了利用高压脉冲水射流钻孔、切缝以提高松软煤层透气性和 瓦斯抽采率的新思想,结合实践开发出地面定向井+ 水力割缝卸压方法对深部煤层气进行高效开采。李晓红等采用理论与实验测试相结合的方法,对自行研发的不同结构水力割缝系统压−流量特性进行了分析和测试,总结了过渡过程中系统能量特性与耗散规 律。唐巨鹏等通过对不同水力割缝布局的煤层卸压效果进行了分析,并获得了较好的卸压效果。葛兆龙等对钻孔开采的影响半径进行了分析,研究得出割缝钻孔抽采影响半径与缝槽圆盘、渗透率、抽采时间、瓦斯压力等因素均呈幂函数关系,渗透率对钻孔抽采半径的影响最大。赵善坤等研究预割缝倾角影响坚硬顶板在定向切槽诱导下水压致裂过程中的 断裂特性。邓广哲等通过建立超高压水力割缝钻 孔裂隙扩展−渗流模型,分析了水力割缝钻孔塑性区宽度及高压水的渗流范围。唐永志等应用超高压水力割缝技术原理,研制了一种穿层钻孔超高压水力割缝装置,可应用于低透气性中硬煤层中瓦斯增透。 杨慧明等指出了液压割缝工艺的不足,并提出了在设备研发、工艺改进等方面应进一步强化。
综上所述,国内外学者对于保护层开采和水力(磨料)割缝技术已经形成了一套较为完善的理论技术体系。但对于开采保护层前提是必须有相应的保护层可采,而水力割缝、水力冲孔、水力压裂等局部卸压增透措施影响范围受限,因此,亟待寻求一种可在煤层内部连续割缝,实现大面积卸压增透的方法。金刚石串珠绳锯切割技术作为一种先进的切割方法,目前已广泛应用于矿山开采、石材加工与切割等领域。关于金刚石串珠绳锯的研究,国内外学者已经在绳锯的切割机理、切割技术和装备等方面开展了大量的工作,发现绳锯切割有以下特点:金刚石颗粒是切削破裂岩体的“刀刃”,绳锯切割线速度高,但单颗粒金刚石施加在石材上的压力很小,不足以使石材产生体积破碎,金刚石串珠绳锯切割石材的主要破岩方式是赫兹破碎,即绳锯在反复高速磨削刮屑下,对石材进行破碎和去除。
笔者前期已经对绳锯割缝卸压增透机理作了初步探索。笔者基于理论分析、实验室试验、数值模拟等方法,分析绳锯切割煤层缝槽顶板的受力和运动特征,进一步对比不同工艺绳锯切割对煤层卸压效果和渗透率的影响,探究金刚石串珠绳锯切割煤层的卸压增透效应。
图 1 绳锯切割煤层缝槽演化形态
图 2 缝槽顶板未触底顶板梁模型
图 3 缝槽顶板触底顶板梁模型
图 4 l1 区段梁模型
图 5 l2 区段梁模型
图6 l3 区段梁模型
图 7 绳锯切割煤层平面相似模拟试验装置
图 8 相似模拟试验平台
图 9 模型铺设及应力监测点
图 10 位移监测点布置
李树清,男,1970年10月1日生,湖南湘阴人,教授,博士(后),博导,湖南省青年骨干教师,湘潭市高层次C类(高端)人才;兼任中国煤炭工业协会煤矿安全专业委员会专家、湖南省应急管理专家、湖南省岩石力学学会常务理事。主要从事矿井瓦斯治理、巷道围岩控制方面的教学和科研工作。发表学术论文60余篇,其中被SCI、EI收录20余篇;出版专著1部;获湖南省科技进步二等奖、贵州省科技进步三等奖、煤炭工业协会科技奖二等奖等科研奖励6项;获授权专利10余项。
研究方向
矿井瓦斯治理、巷道围岩控制
主要成果
长期致力于矿井瓦斯治理、巷道围岩控制等方面的研究,取得多项创新性成果,针对复杂条件下破裂围岩锚杆锚索支护效果不好甚至冒顶的问题,提出了破裂围岩锚固机理与技术;获得了近距离突出煤层叠加开采瓦斯运移规律,探索了低透气性煤层绳锯切割增透技术,为煤矿高效、安全生产提供了有力的技术保障。
来源:
李树清,吕晨辉,黄飞,等. 金刚石串珠绳锯切割煤层卸压增透效应研究[J]. 煤炭学报,2024,49(2):785−800.