0 引 言
1968年，英国人蒲劳斯发明了金刚石串珠绳锯切割技术。目前，该技术已经被广泛应用于石材开采、机械切割及建筑施工等领域。2012年以来，笔者所在的项目组开展了煤层绳锯割缝的探索，与开滦集团合作研制了适合煤矿井下使用的绳锯机，提出了单/双槽多种形式煤层绳锯割缝工艺方式，并进行了煤矿井下试验，获得了较好的煤层割缝效果。
目前，学术界针对金刚石串珠绳锯切割物体已开展了大量研究，主要观点有：绳锯切割线速度高, 但单颗金刚石施加在石材上的压力很小[1-3]；在绳锯反复高速磨削和刮削作用下，岩石主要破碎方式是赫兹破碎[4-6]；绳锯线速度、绳锯进给速度、串珠表面单位面积磨粒数、磨粒有效参与切削系数等因素对岩石切割效果影响较大[7-9]；此外，岩屑底部夹角也对切割效果有影响[10]。鲜有研究介绍绳锯用于切缝卸压增透的情况。
近年来，国内外学者对煤层割缝卸压增透机理进行了研究。林柏泉等[11-12]探讨了煤层割缝后的缝槽卸压消突机理，认为开掘缝槽后在工作面前方形成了瓦斯、应力得以充分释放的卸压区，缝槽的卸压效果与缝槽形状和宽度有关。文献[13-14]研究了不同煤层埋藏深度、力学特性、割缝宽度，缝槽周边的卸压范围及效果。文献[15-16]研究了煤层割缝有效应力-渗透系数的耦合关系及卸压增渗机理，认为割缝大幅降低了煤体有效应力，煤体增渗效果显著。吴海进等[17]研究了缝槽的宽度、高度、缝槽平面与应力的夹角以及多缝槽之间相互作用对卸压范围、卸压程度的影响，推导了缝槽形成后下向位移量与距离关系的经验方程。XUE等[18]研究了煤层高压水射流割缝瓦斯抽采影响半径，建立了煤层水力割缝瓦斯抽采热流固耦合模型。唐巨鹏等[19]研究了相同割缝参数下的不同割缝布置方式对煤层卸压效果的影响，认为不同的割缝布置方式均能产生较好卸压效果，但卸压形态和范围存在差异。高亚楠等[20]研究了煤层割缝高度与深度对卸压效果的影响，认为缝槽深度对卸压范围、卸压率影响显著。
上述研究成果可为煤层绳锯割缝卸压增透机理的研究提供借鉴。但煤层绳锯割缝具有连续大面积切割特点，避免了水力割缝缝槽之间相互隔离，因此，其割缝卸压增透机理有异于水力割缝。鉴于此，笔者采用相似模拟试验和数值模拟研究了金刚石串珠绳锯煤层割缝卸压增透机理。
1 绳锯煤层割缝相似模拟试验
1.1 试验原型及试验过程
相似模拟原型为开滦矿区某矿5号煤层煤柱，煤岩层厚度及力学参数见表1。
表1 相似模型试验原型岩层力学参数
Table 1 Mechanical parameters of prototype rock formations tested with similar models
岩层岩性密度ρ/(kg·m-3)体积模量K/GPa剪切模量G/GPa黏聚力c/MPa抗拉强度t/MPa内摩擦角φ/(°)实际厚度/m基本顶灰色细砂岩2 80016.0412.023.474.96435.0直接顶深灰粉砂岩2 56010.838.142.752.50383.0伪顶砂质泥岩2 5004.903.201.181.80351.55号煤煤1 4002.080.541.200.64203.0直接底深灰粉砂岩2 56010.838.142.752.50381.5基本底灰色细砂岩2 80016.0412.023.474.96434.0
相似模型为平面应力模型，模型尺寸为2 500 mm×200 mm×1 800 mm，确定几何相似比1∶10，模型割缝长度为1 400 mm，两边各留出550 mm。模型上部采用杠杆加载系统进行加载，可实现0～1 MPa的静载加载。模型铺设和割缝情况如图1所示，采用小型绳锯机配直径2.2 mm的金刚砂线对煤层穿透割缝，利用全桥电阻应变式土压力盒与动静态电阻应变采集仪监测采集绳锯切割过程中缝槽周围的煤岩应力，采用全站仪对煤层割缝过程中各监测点的位移进行动态跟踪量测，采用数码相机拍摄记录煤层割缝过程中的裂隙。
图1 模型铺设和绳锯割缝情况
Fig.1 Model created and coal seam slit with wire saw
1.2 试验结果及分析
1)缝槽闭合及裂隙生成情况。割缝14 m后，在模型中部缝槽上方出现了裂隙，位置如图1所示，裂隙形态及尺寸如图2所示。模型正面的裂隙起点至模型起割位置的距离为8.2 m，方向为斜向左上方，裂隙长度约2.4 m；模型反面的裂隙起点至模型起割位置的距离为8.4 m，方向为斜向右上方，裂隙长度约2 m。模型正反面出现裂隙的位置大致相同，相差0.2 m，应该是1条完全贯穿连通的裂隙，其宽度约0.01 m。纵观割缝后模型的形态，缝槽上方煤岩层下沉导致缝槽闭合，未出现煤层开采“三带”分布，但缝槽上方出现了较小范围的断裂带。
图2 模型前后方裂隙分布
Fig.2 Fracture distribution in front and reverse side of model
2)绳锯切割煤层垂直应力分布。绳锯切割14 m时各监测线上应力相对原始应力的变化如图3所示。绳锯割缝后，缝槽上下部煤岩层应力均有不同程度的降低，但不同监测点位置的应力变化值有明显差异，至缝槽位置越近，应力变化值越大，卸压越充分，如至缝槽上方1.5 m以内中部区域应力降低0.058～0.135 MPa，2.75 m附近中部区域应力降低0.015～0.045 MPa。从缝槽上方与下方相同距离监测线的应力变化值可以看出，缝槽上方的应力变化值明显大于缝槽下方，如同为至缝槽0.5 m处，缝槽上方应力变化0.058～0.135 MPa，缝槽下方应力变化0.015～0.043 MPa，表明上方卸压程度更大。
图3 割缝14 m时各监测线垂直应力变化情况
Fig.3 Vertical stress variation of monitoring lines at 14 m of slit
3)绳锯切割煤层垂直位移分布。距离缝槽不同高度位置的煤层垂直位移如图4所示。由于模型和缝槽尺寸较小，位移测量仪器精度有限，导致测量数据误差较大，从而导致数据图形波动明显。分析图4数据可知，缝槽下方0.25、0.5 m处平均位移分别为3.84、2.24 mm；缝槽上方0.25、0.5、1 m处平均位移分别为5.76、3.6、2.52 mm。由此可知，距离缝槽越近，其垂直位移越大。
图4 至缝槽不同距离处煤体垂直位移
Fig.4 Vertical displacement of coal body at different distances from seam slot
2 绳锯煤层割缝下煤层渗透率变化数值模拟
2.1 数值模拟方法
1)数值模拟模型。为揭示绳锯煤层割缝条件下煤层渗透率变化规律，建立了长×宽×高为200 m×136 m×18 m的几何模型，煤层两侧巷道尺寸均为200 m×4 m×3 m。模型左右边界、前后边界和下边界采用滚动边界条件，上边界施加15 MPa垂直应力，水平方向自由。本构模型采用摩尔-库伦模型，各岩层具体分布情况以及力学参数见表1。
2)煤层渗透率计算。煤层渗透率与其状态、加卸载路径有关。通过开展弹性煤样和裂隙煤样3次循环加卸载的瓦斯渗流试验，获得了3次等压循环加卸载渗流试验结果，参考应力-渗透率的理想模型[21-23]，建立了煤岩样的应力-渗透率公式，见表2。
表2 煤岩样不同加卸载条件下应力-渗透率公式
Table 2 Stress-permeability formula of coal samples under different loading and unloading conditions
煤样类型加卸载阶段应力-渗透率公式公式编号弹性煤样第1次加载k=4.713 5e-7.317 1(1-e-0.221 7σ)(1)第1次卸载k=3.326 2e-5.581 3(1-e-0.400 7σ)(2)第2次加载k=3.163 1e-9.661 4(1-e-0.198 4σ)(3)第2次卸载k=3.198 7e-7.044 3(1-e-0.292 7σ)(4)第3次加载k=3.113 3e-23.572 9(1-e-0.198 0σ)(5)第3次卸载k=2.967 4e-6.915 0(1-e-0.331 6σ)(6)裂隙煤样第1次加载k=176.936 7e-6.065 9(1-e-0.141 5σ)(7)第1次卸载k=26.762 2e-3.880 2(1-e-0.264 6σ)(8)第2次加载k=17.669 4e-3.328 8(1-e-0.124 8σ)(9)第2次卸载k=22.471 0e-3.122 2(1-e-0.245 4σ)(10)第3次加载k=15.090 9e-3.338 0(1-e-0.136 0σ)(11)第3次卸载k=18.017 7e-3.143 7(1-e-0.217 6σ)(12)
注：k为渗透率；σ为有效应力。
在上述拟合公式的基础上，利用FLAC3D数值模拟软件中的Fish语言针对每个网格单元计算煤层渗透率，计算步骤如图5所示。即首先判断煤体状态，若为弹性状态，则采用弹性煤样应力-渗透率公式，若为塑性状态，则采用裂隙煤样应力-渗透率公式；根据煤体状态，再判断加卸载过程，确定相应的应力-渗透率公式。
图5 煤体渗透率更新程序
Fig.5 Update procedure of coal permeability
3)绳锯割缝过程及数据处理。该模拟从煤层中间位置进行水平割缝，每次切割步距为6 m，在每次切割完成后，都采用相应的Fish程序同步进行渗透率值的更新，为防止边界效应，模型前后两端分别预留30、32 m的距离不做切割处理。为便于分析绳锯切割煤层过程中煤层渗透率分布特征，将FLAC3D软件计算的渗透率值导入Origin软件进行后期处理。
2.2 绳锯煤层割缝煤层渗透率变化特征分析
1)切割过程中煤层渗透率沿层面分布特征。切割不同推进长度时，缝槽上方0.5 m沿层面渗透率分布如图6所示。由图6可知，当金刚石串珠绳锯切割煤层后，煤层渗透率得到了大幅度提高。对于切割过的煤层，煤岩体应力得到释放，且产生了新的裂隙，进而使得煤岩体渗透率提升。在割煤工作面前方，由于形成了应力集中区，所以在一定范围内，其渗透率较割煤工作面后方有所减小。煤层切割30 m时，由于割缝范围小，煤层渗透率的影响变化不大，只有割缝范围的两端渗透率接近10-15 m2，但进行割缝操作区域的渗透率也从10-16 m2 升高到了7×10-16 m2左右。随着割煤工作面的推进，缝槽周边煤体渗透率也越来越大，其影响的范围也越来越广。从图6中渗透率变化可以看出，当割缝距离从30 m到60 m再到90 m，渗透率大于10-15 m2的区域扩大。同时，由于割缝距离变长，缝槽顶板下沉触底，其中间部分的煤体应力逐渐恢复，裂隙逐渐闭合，从而导致其渗透率也出现了小范围的减小，但较未进行绳锯割缝操作的区域，其渗透率仍升高了6×10-16 m2左右。
图6 缝槽切割过程中煤层渗透率分布特征
Fig.6 Distribution characteristics of coal permeability during slit cutting
2)不同高度位置渗透率分布特征。切割1条缝后缝槽上方不同高度处水平面渗透率分布如图7所示。切割1条缝后，煤层渗透率因为卸压现象而增大，但由于金刚石串珠绳锯本身直径过小，因此其
工作面的渗透率仅从10-16 m2最大升高到10-15 m2，大部分煤层渗透率仅为8×10-16 m2。缝槽上方1 m处渗透率最大为9.4×10-16 m2，较缝槽上方0.5 m处煤层渗透率变化幅度不大。缝槽上方0.5 m处整体卸压程度呈轻微下降的趋势，在应力恢复区的煤层渗透率则普遍降低至1.96×10-16 m2。中间煤层有多个凸起处(图7)，其值较周边煤层渗透率大了2×10-16 m2左右，原因是局部区域煤层产生了不规则的拉伸破坏，其裂隙发育较好，从而使得渗透率较大。距离缝槽1.5 m上方的煤层除了缝槽两端渗透率值有所升高，应力恢复区的煤层渗透率接近原始渗透率，即进行一次割缝卸压的操作对该水平面上的煤层影响效果不明显。
图7 切割一条缝后不同高度煤层渗透率分布特征
Fig.7 Distribution characteristics of coal permeability at different heights after cutting a seam
3 金刚石串珠绳锯煤层割缝的工程应用
3.1 金刚石串珠绳锯煤层割缝工艺简介
绳锯系统主要由绳锯机和金刚石串珠绳锯组成。其工作原理为：在绳锯机的驱动下，金刚石串珠绳在被切割体上做无极转动，依靠金刚石串珠的切削力切割物体。金刚石串珠绳锯能够切割普氏系数f>10的坚硬材料，并利用高速运行和自身结构特点带水进行冷却，从而保证切割过程安全。针对煤层割缝，项目组研制了45 kW“无极调速乳化液绳锯机”和“防爆型电动三代绳锯机”及配套装备，提出了单/双槽多种形式煤层绳锯割缝工艺方式，实现了设备安全和工艺安全的要求，如图8所示。与其他割缝增透技术比较，煤层绳锯割缝技术具有以下3个优点：①可实现连续割缝，不留空白带；②可大面积切割煤层，扩大割缝范围；③串珠式绳锯结构可及时排除割缝所产生的屑渣。
图8 金刚石串珠绳锯煤层割缝工艺
Fig.8 Slitting technology of diamond wire saw in coal seam
3.2 金刚石串珠绳锯煤层割缝的应用
开滦矿区某矿进入深部开采后，受高地应力和遗留残存煤柱的影响，煤岩动力灾害严重。该矿T3150风道与T2051北掘进巷道2号之间的遗留煤柱承受高地应力。煤层伪顶为深灰色泥岩，直接顶为较坚硬的条带状灰色粉砂岩、中粒砂岩；直接底为砂质泥岩或粉砂岩，基本底为坚硬的细、中粒砂岩。为探索安全经济的煤柱卸压方法，降低或消除残存煤柱高地应力威胁，开展了绳锯煤层割缝工程试验。
实施煤层绳锯割缝的系统由绳锯机、导向装置、串珠绳、控制与辅助系统组成，通过在煤层中施工起割钻孔和回绳钻孔可构建绳锯割煤工作面，如图9所示。绳锯割缝前的准备工作主要有设备的安装、绕绳、穿绳作业。即将第1组导向装置布置于一侧巷道内，将绳锯机和第2组导向装置布置在另一侧巷道内；将串珠绳穿过钻孔，依次绕过绳锯机的主动轮、导向装置，调节串珠绳的张紧程度后用接头接牢；然后，启动绳锯机和调整主动轮的转速，开启辅助系统喷水降温和抑尘，控制绳锯机在轨道上的行进速度，使绳锯从起割钻孔处沿走向方向切割煤层。试验过程中绳锯割缝系统运转参数为：功率37 kW、线速度15 m/s、串珠绳直径11.5 mm、割缝高度15 mm。工程试验表明，绳锯切割煤柱后获得了1个缝高15 mm、缝长50 m、缝深30 m的狭长缝槽空间(图10)，有效围割煤层面积约1 500 m2，切割线速度达到了15 m/s，切割效率80 m2/h，绳锯切割煤层的工作效率和割缝深度均大于水力化割缝措施，获得了较好的卸压增透效果。
图9 金刚石串珠绳锯切割煤层现场试验位置及系统布置示意
Fig.9 Field test arrangement and system layout of diamond string string saw seam cutting
图10 防爆型电动绳锯机组切割煤层状况
Fig.10 Status of cutting coal seam with explosion- proof electric string saw machine
4 结 论
1)金刚石串珠绳锯切割煤层形成缝槽后，在缝槽上方形成较小范围的断裂带和弯曲下沉带，在上下方煤体中形成了应力降低区，该区内随着至缝槽距离的增大其应力降低幅度减小，超过一定距离后(本算例中约1.5 m)，应力降低幅度不能满足卸压要求。
2)建立了煤样3次等压循环加卸载应力-渗透率公式，基于FLAC3D开发了煤层瓦斯渗透率计算程序，为绳锯煤层割缝复杂应力环境中的渗透率计算提供了合理方法。
3)金刚石串珠绳锯割缝缝槽上方形成了一定范围的增透区，其分布特征是起割位置附近和收割位置附近渗透率提高幅度较大，中间部分由于应力恢复的影响煤体渗透率提高幅度较小；缝槽上方区域的煤体渗透率随着至缝槽距离的增加而逐渐降低，超过一定距离后(本算例中约1.5 m)，割缝对提高渗透率无效。
4)研发了金刚石串珠绳锯煤层割缝系统及工艺，针对井下煤柱开展了大范围连续煤层割缝，切割效率约80 m2/h，绳锯切割煤层的工作效率和连续割缝范围均大于水力化割缝措施。
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