突出口徑對(duì)煤與瓦斯突出強(qiáng)度影響研究

陳鮮展

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽煤礦安全監(jiān)察局安全技術(shù)中心，安徽 合肥 230088)

突出口徑對(duì)煤與瓦斯突出強(qiáng)度影響研究

陳鮮展1,2

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南232001；2.安徽煤礦安全監(jiān)察局安全技術(shù)中心，安徽 合肥230088)

改進(jìn)大型煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)裝置，增加兩個(gè)氣體壓力傳感器和兩個(gè)溫度傳感器，進(jìn)行突出口徑分別為10mm，30mm，50mm的煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在0.75MPa瓦斯壓力條件下，突出口徑為10mm時(shí)沒有發(fā)生煤與瓦斯突出，突出口徑為50mm和30mm時(shí)發(fā)生煤與瓦斯突出，突出煤體質(zhì)量分別為25.40kg和15.05kg。隨著突出口徑的減小煤與瓦斯突出的煤量減少，突出強(qiáng)度降低。突出口徑的大小影響煤體突出的狀態(tài)，突出口徑越大，煤體突出的距離越遠(yuǎn)，破壞性也越高。突出后煤樣中粒徑在1.6～5.0mm范圍內(nèi)的煤顆粒比例減小，而粒徑小于0.75mm的煤顆粒比例增加，體現(xiàn)了突出過程中的破碎功，具有較強(qiáng)的粉碎性。突出口徑越大，煤體越易于破裂失穩(wěn)并發(fā)生煤與瓦斯突出，煤體中瓦斯的放散受突出口徑的影響，使煤體中瓦斯壓力梯度變化趨勢(shì)不同。突出口徑越大，瓦斯壓力降低越快，瓦斯對(duì)煤體的粉碎性越明顯，突出強(qiáng)度也越大，突出過程中煤體溫度也發(fā)生變化，說明突出口徑影響含瓦斯煤的破斷失穩(wěn)和突出特性。

煤與瓦斯突出；瓦斯壓力；突出強(qiáng)度；煤體粒徑；突出口徑

煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)過程中采掘工作面前方煤(巖)體攜帶大量瓦斯向采掘空間突然大量拋出的一種動(dòng)力現(xiàn)象[1-3]。煤與瓦斯突出受地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體性質(zhì)3方面因素的影響[4-6]，對(duì)煤與瓦斯突出發(fā)生機(jī)理的研究主要集中在這3個(gè)方面[7-9]，有學(xué)者采用數(shù)值模擬等方式進(jìn)行研究[10]，本文通過進(jìn)行不同突出口徑煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)，研究突出口徑對(duì)煤與瓦斯突出的影響。

1 試驗(yàn)裝置

采用大型煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)裝置，系統(tǒng)裝置主體材料為不繡鋼制作，內(nèi)徑為276 mm，裝煤樣長(zhǎng)度為1 200 mm，壓實(shí)后有效長(zhǎng)度 ≥800 mm，能容納煤樣約70 kg，可模擬不同突出口徑、不同地應(yīng)力、不同瓦斯壓力、不同瓦斯含量等條件下的煤與瓦斯突出。采用煤與瓦斯突出氣體壓力采集裝置，記錄突出瞬間瓦斯壓力的變化。在原來的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，增加兩個(gè)氣體壓力傳感器和兩個(gè)溫度傳感器。突出口位于突出的中心位置，三種突出直徑分別為10 mm、30 mm、50 mm。裝置如圖1所示。

圖1 煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)裝置

2 煤樣及試驗(yàn)方案

煤樣選自謝一礦C13煤，煤樣瓦斯放散初速度ΔP為6.266，f值為0.75。將采集的原煤粉碎，破碎后的煤樣經(jīng)過篩分得到煤樣粒徑分布，進(jìn)而研究突出后煤樣的破碎情況。然后將煤樣烘干，根據(jù)前后質(zhì)量差測(cè)得煤樣含水率，煤樣含水率為1%。煤樣的粒徑分布見表1。

表1 煤樣的粒徑分布

利用壓實(shí)裝置兩端加壓，壓力為10 MPa，在煤粉中添加煤焦油等黏合劑，壓實(shí)后注入氮?dú)?，注氮吸附時(shí)間為24 h。為了研究不同突出口徑的煤與瓦斯突出情況，設(shè)計(jì)突出口徑分別為10 mm、30 mm和50 mm，瓦斯壓力為0.75 MPa，在某突出口徑下，如果不發(fā)生煤與瓦斯突出，其他條件不變采用1.0 MPa瓦斯壓力再進(jìn)行一次試驗(yàn)。圖2為突出口徑50 mm時(shí)煤與瓦斯突出試驗(yàn)示意圖。

圖2 突出口徑50 mm時(shí)煤與瓦斯突出試驗(yàn)裝置

3 模擬試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 突出強(qiáng)度與粉碎性

為了研究突出口徑對(duì)突出的影響，設(shè)計(jì)了以下5組試驗(yàn)，突出口前方布置直徑為1.5 m的風(fēng)筒布，風(fēng)筒布長(zhǎng)度10 m，突出過程中煤與瓦斯混合流沿著風(fēng)筒布方向流動(dòng)，在一定程度上模擬了突出時(shí)煤與瓦斯的運(yùn)移情況。以突出點(diǎn)為界，分成五個(gè)區(qū)域，區(qū)域一、區(qū)域二、區(qū)域三、區(qū)域四長(zhǎng)度均為1 m，區(qū)域五的長(zhǎng)度為6 m。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 突出口徑對(duì)突出影響模擬試驗(yàn)

試驗(yàn)1和試驗(yàn)3在突出口徑為30 mm和50 mm狀態(tài)時(shí)，在0.75 MPa瓦斯壓力下均發(fā)生突出。在10 mm突出口徑時(shí)，試驗(yàn)4沒有發(fā)生突出，增大瓦斯壓力到1.0 MPa時(shí)，試驗(yàn)5仍然沒有發(fā)生突出。結(jié)果表明：煤與瓦斯突出受突出口徑影響，突出口徑越大突出越易于發(fā)生。瓦斯壓力從0.40 MPa增加到0.75 MPa，30 mm突出口徑下發(fā)生煤與瓦斯突出，說明突出發(fā)生的臨界突出口徑受到瓦斯壓力等因素的影響。隨著突出口徑和瓦斯壓力的增加，原本處于穩(wěn)定狀態(tài)的煤體，產(chǎn)生失穩(wěn)的傾向增加。

在0.75 MPa瓦斯壓力下，突出口徑為10 mm 時(shí)未突出，50 mm和30 mm時(shí)拋出煤體質(zhì)量分別為25.405 kg和15.05 kg。隨著突出口徑的減小煤與瓦斯突出的強(qiáng)度逐漸降低，瓦斯噴出的煤粉量減少，突出口徑是影響突出強(qiáng)度的重要因素之一。

煤與瓦斯突出后質(zhì)量分布如圖3所示，質(zhì)量分布比例如圖4所示。

圖3 煤與瓦斯突出后煤粉質(zhì)量分布

圖4 煤與瓦斯突出后煤粉質(zhì)量分布比例

根據(jù)圖3、圖4分析可得：試驗(yàn)1突出口徑為50 mm，突出煤的質(zhì)量主要集中在區(qū)域四(11.92 kg)和區(qū)域五(8.52 kg)，質(zhì)量分布比例分別為47.3%、34.0%。試驗(yàn)3突出口徑為30 mm，突出煤的質(zhì)量主要集中在區(qū)域三(5.04 kg)和區(qū)域四(7.61 kg)，質(zhì)量分布比例分別為47.3%、34.0%。隨著突出口徑減小，突出煤量減少，突出較遠(yuǎn)的煤量及其在總突出煤量的比例都有所減少，甚至在突出口徑30 mm時(shí)，區(qū)域五幾乎無突出煤樣。

試驗(yàn)1、試驗(yàn)3在各區(qū)域粒徑的質(zhì)量分布及質(zhì)量分布比例見圖5～8。

圖5～8表明煤與瓦斯突出過程中煤體的突出狀態(tài)受突出口徑的影響，突出口徑越大，煤體突出的距離越遠(yuǎn)，破壞性也越高。試驗(yàn)1中，突出后區(qū)域一中粒徑小于0.75 mm煤體顆粒的質(zhì)量分布比例最高為54.5%，區(qū)域二、區(qū)域三、區(qū)域四、區(qū)域五粒徑在0.75～1.6 mm范圍內(nèi)煤體顆粒的質(zhì)量分布比例最高，分別為38.1%、48.9%、52.4%、54.8%。試驗(yàn)3中，突出后區(qū)域一中粒徑小于0.75 mm煤體顆粒的質(zhì)量分布比例最高為40.9%，區(qū)域二、區(qū)域三、區(qū)域四粒徑小于0.75 mm煤體顆粒的質(zhì)量分布比例最高，分別為40.6%、56.0%、45.3%。突出口徑越大，瓦斯壓力降低越快，突出強(qiáng)度也越大，粉碎性越強(qiáng)。

圖5 試驗(yàn)1在各區(qū)域粒徑的煤粉質(zhì)量分布

圖6 試驗(yàn)1在各區(qū)域粒徑的煤粉質(zhì)量分布比例

圖7 試驗(yàn)3在各區(qū)域粒徑的煤粉質(zhì)量分布

圖8 試驗(yàn)3在各區(qū)域粒徑的煤粉質(zhì)量分布比例

突出前后煤體粒徑對(duì)比如圖9所示，突出后煤樣中大粒徑的煤顆粒比例減小而小粒徑煤顆粒比例相應(yīng)增加，體現(xiàn)了較強(qiáng)的粉碎性。突出過程中煤體的破碎是因?yàn)槎嗫酌侯w粒中吸附瓦斯解吸成為游離瓦斯并且膨脹過程中的作用力，顆粒內(nèi)外瓦斯壓力差越大，瓦斯膨脹對(duì)煤樣的破碎作用越明顯，粉碎作用越強(qiáng)。突出口徑越小，孔洞瓦斯壓力降低越慢，粉碎性越不明顯。試驗(yàn)1突出口徑為50 mm，突出時(shí)煤與瓦斯流動(dòng)斷面大，在相同的壓差下，瓦斯流量大，放散速度快，內(nèi)部瓦斯壓力降低快。煤與瓦斯突出的時(shí)間短，煤與瓦斯混合流體膨脹能集中釋放，煤體突出的距離更遠(yuǎn)。

圖9 突出前后煤體粒徑對(duì)比

3.2 突出過程中瓦斯壓力變化

突出口徑突出為30 mm、50 mm時(shí)瓦斯壓力的變化如圖10所示。

圖10 突出口徑突出為30 mm、50 mm時(shí)瓦斯壓力的變化

手動(dòng)打開煤與瓦斯突出裝置的控制擋板，煤體在瓦斯壓力和地應(yīng)力的作用下失穩(wěn)破壞，煤體瓦斯解吸，吸附瓦斯轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x瓦斯，孔洞內(nèi)壓力平衡被打破，瓦斯壓力降低，腔體內(nèi)形成新的煤體暴露面，形成瓦斯壓力梯度，發(fā)生煤與瓦斯突出。如圖10所示，瓦斯壓力從0.75 MPa降到0 MPa。在較大的突出口徑下，孔洞內(nèi)瓦斯放散快，瓦斯壓力下降快，煤體瓦斯含量增大，瓦斯壓力梯度升高，煤體斷裂失穩(wěn)的危險(xiǎn)性增大，發(fā)生失穩(wěn)的煤量增大，表現(xiàn)為突出煤量增大，因此較小的外部氣體壓力或者內(nèi)外氣體壓力差較大時(shí)，煤與瓦斯突出更易發(fā)生。

3.3 突出過程中溫度變化

突出口徑大突出時(shí)煤體的破碎量大、粉碎性高，消耗能量高，從而導(dǎo)致溫度變化量大，在瓦斯壓力相同的情況下，煤體內(nèi)瓦斯的膨脹功是相同的，在兩種突出口徑下，解吸吸熱量和瓦斯膨脹功基本相同。所以，突出時(shí)溫度變化差異是因?yàn)橥怀隹趶酱笮〔煌瑢?dǎo)致的煤體破碎、突出情況的差異。試驗(yàn)1溫度16.5 ℃降到15.4 ℃，溫度降低1.1 ℃，試驗(yàn)3溫度16.2 ℃降到15.4 ℃，溫度降低0.8 ℃，突出口徑對(duì)煤與瓦斯突出中溫度變化有一定影響。

4 結(jié) 論

1) 煤與瓦斯突出受突出口徑影響，隨著突出口徑增加，處于穩(wěn)定狀態(tài)的煤體，產(chǎn)生失穩(wěn)的傾向增加，越容易發(fā)生突出。隨著突出口徑的減小煤與瓦斯突出的強(qiáng)度逐漸降低，瓦斯噴出的煤粉量減少。突出較遠(yuǎn)的煤量及其在總突出煤量的比例都有所減少，在突出口徑30 mm時(shí)，區(qū)域五幾乎無突出煤樣。

2)煤與瓦斯突出過程中煤體的突出狀態(tài)受突出口徑影響，突出口徑越大，煤體突出的距離越遠(yuǎn)，瓦斯壓力降低越快，突出強(qiáng)度也越大，粉碎性越強(qiáng)。

3)突出后煤樣中大粒徑的煤顆粒比例減小而小粒徑煤顆粒比例相應(yīng)增加，體現(xiàn)了較強(qiáng)的粉碎性。突出口徑越小，孔洞瓦斯壓力降低越慢，粉碎性越不明顯。

4)在較大的突出口徑下，孔洞內(nèi)瓦斯放散快，瓦斯壓力下降快，煤體瓦斯含量增大，瓦斯壓力梯度升高，煤體斷裂失穩(wěn)的危險(xiǎn)性增大，發(fā)生失穩(wěn)的煤量增大，表現(xiàn)為突出煤量增大。突出口徑大越大，消耗能量越高，導(dǎo)致溫度變化越大，突出口徑對(duì)煤與瓦斯突出中溫度變化有一定影響。

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Researchontheintensityofcoalandgasoutburstinfluencedbyoutburstcaliber

CHEN Xianzhan1,2

(1.School of Mining and Safety Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China;2.Security Technology Center,Anhui Coal Mine Safety Supervision Bureau,Hefei 230088,China)

The large-scale experimental apparatus for simulating coal and gas outburst was improved by inserting two gas sensors and two temperature sensors.Then,the coal and gas outburst test was conducted by altering the outburst orifices which are 10 mm,30 mm,50 mm separately in diameter.The result show that when the gas pressure was 0.75 MPa,the coal and gas outburst did not occur as the outburst caliber was 10 mm;However,it took place as outburst caliber were 50 mm and 30 mm under same gas pressure and the weight of outburst coal were 25.40 kg and 15.05 kg respectively.It is obvious that the amount of coal goes down with decrease of outburst caliber,so does outburst intensity.Besides,the size of outburst caliber affects outburst condition,namely the outburst distance and destructiveness increases as caliber size adds.Additionally,the proportion of coal particle whose size ranges from 1.6 mm to 5.0 mm declines after outburst,while the one whose size is smaller than 0.75 mm increases,which indicates that strong crushing energy appears during outburst.Moreover,as the outburst caliber increases,coal body tends to failure,leading to coal and gas outburst,and the release of gas in coal is influenced by caliber,which further affects the variation tendency of gas pressure.With the increase of outburst caliber,the decline of gas pressure quickens and crushing effect that gas exerts on coal gets more apparent.In addition,the temperature of coal changes as well during outburst,which can be accounted by the theory that outburst caliber influences failure and outburst characteristics of gassy coal.

coal and gas outburst;gas pressure;outburst intensity;grain size of coal;outburst caliber

TD713

A

1004-4051(2017)10-0156-04

2017-05-10責(zé)任編輯劉艷敏

陳鮮展(1983-)，男，安徽碭山人，工程師，博士研究生，主要從事煤礦瓦斯綜合治理技術(shù)研究，E-mail：xianzhanchen@126.com。