不同瓦斯壓力條件下煤樣的爆碎特征研究*

金洪偉，高巧紅，徐 剛，楊守國，于世雷

(西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

煤與瓦斯突出(以下簡稱突出)是指煤礦地下采掘過程中，在極短時間內(nèi)，從煤體內(nèi)部向采掘工作空間突然噴出煤和瓦斯，且伴有聲響和猛烈力能效應(yīng)的動力現(xiàn)象，也是一種嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)的礦井災(zāi)害。突出煤層中存在的高壓瓦斯通常會造成突出過程中產(chǎn)生大量的碎煤，其中還包括許多手捻無粒感的粉煤，這說明在突出過程中，瓦斯對煤的破壞起著重要作用。當(dāng)前多數(shù)突出機理理論，如中心擴張學(xué)說[1]、球殼失穩(wěn)假說[2]、粘滑失穩(wěn)機理[3]以及力學(xué)作用機理[4]等，都是對Skochinski所提出的綜合作用理論[5]的發(fā)展，即都認(rèn)同突出主要受地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的物理力學(xué)性質(zhì)的綜合影響，但這3個主要因素在突出過程中的作用機理目前還尚未達(dá)到完全解決的階段。很多研究[6-10]大都認(rèn)同突出過程中不斷解吸并流入孔隙的瓦斯對煤的破壞有重要作用，然而，瓦斯對煤的破壞作用的定量化，卻較少有人進(jìn)行研究。本文結(jié)合國內(nèi)老式爆米花機設(shè)想含高壓瓦斯煤在突然暴露時，會像受炸藥爆破作用一樣發(fā)生爆炸性的破碎(以下簡稱為“爆碎”)，為了在實驗室驗證該現(xiàn)象，并分析實驗所得碎煤的粒徑分布規(guī)律，自主設(shè)計煤的爆碎特征測試實驗裝置，通過在不同煤礦取原煤樣在不同瓦斯壓力下進(jìn)行爆碎實驗，得出煤爆碎的基本規(guī)律，為完善煤與瓦斯突出機理以及預(yù)測和防治突出技術(shù)提供一定的參考。

1 煤的爆碎性測試方法

1.1 實驗裝置介紹

為了驗證瓦斯對煤體的破壞作用，測試含高壓瓦斯煤塊突然暴露時的爆碎性，自主研發(fā)了1套煤的爆碎特征測試實驗裝置，其原理如圖1所示。該裝置主體是1個水平放置的圓柱狀壓力容器，內(nèi)徑100 mm，深200 mm，壁厚20 mm，底厚30 mm。壓力容器開口處采用爆破片進(jìn)行密封，其直徑與壓力容器開口相同，通過夾持器和法蘭盤進(jìn)行固定。真空泵用于抽除壓力容器與煤樣中的空氣，使煤樣處于真空環(huán)境。高壓氣瓶用于向容器內(nèi)充入高壓瓦斯，使煤體充分吸附氣體。為了安全起見，實驗使用CO2氣體代替CH4，雖然煤對CO2的吸附性比CH4稍強，但這種改變應(yīng)該對實驗結(jié)果影響不大。

圖1 煤的爆碎性測試裝置原理示意Fig.1 Schematic of device testing the shatter of coal

實驗技術(shù)主要體現(xiàn)在2方面，一是壓力容器內(nèi)高壓氣體的快速釋放，二是人為控制容器開口的打開方式?？焖傩秹褐饕峭ㄟ^爆破片的快速破裂實現(xiàn)的，實驗所選爆破片可以在容器內(nèi)的氣壓達(dá)到爆破片臨界設(shè)計壓力時瞬間打開，實物及其爆破效果如圖2所示。該爆破片的拱形膜片凹面刻有十字削弱槽，失穩(wěn)翻轉(zhuǎn)后爆破片沿刻槽處撕裂打開。為了人為控制爆破片的打開動作，使實驗具有可控性，實驗時并未依靠使氣體壓力達(dá)到爆破片臨界壓力來沖破爆破片，而是保證氣體壓力略小于臨界爆破壓力，利用電磁閥控制的氣缸來拉動帶有尖鉤的鋼釬，突然刺破爆破片，完成卸壓過程。

圖2 爆破片及其破裂效果Fig.2 Rupture disc and its cracking effect

該實驗裝置開口較大，打開速度快，還具有密封性好、可控性強、穩(wěn)定可靠以及操作方便等優(yōu)點，但每次實驗都會損耗1個爆破片，實驗成本較大，實驗裝置如圖3所示。

圖3 煤的爆碎性測試裝置實物Fig.3 The actual device

1.2 實驗步驟

煤的爆碎特征測試實驗步驟如下：

1)將質(zhì)量為400～500 g的塊狀原煤放入壓力容器底部；

2)選取臨界壓力合適的爆破片，按照卸壓方向放入夾持器中間，通過擰緊法蘭盤上的螺栓，固定夾持器與爆破片，密封開口；

3)在法蘭盤上安裝帶有觀察窗的保護(hù)罩，并組裝好刺破鋼釬，調(diào)整尖鉤到爆破片圓心的位置；

4)在保護(hù)罩開口一側(cè)設(shè)置長達(dá)3 m的錫箔管用來收集實驗所得碎煤，并將其水平固定在承載框架上，再在開口前面鋪設(shè)塑料薄膜，用來收集噴出錫箔管，灑落在地上的碎煤；

5)打開壓力表、真空泵及閥門，抽真空8 h以上，抽除容器和煤塊內(nèi)部的空氣；

6)關(guān)閉真空泵及球閥，同時打開高壓氣瓶閥門，調(diào)節(jié)減壓閥使容器內(nèi)的氣體壓力達(dá)到爆破片設(shè)計壓力的90%左右(<95%)，充氣8 h以上，使煤塊達(dá)到吸附平衡狀態(tài)；

7)通過電磁閥開關(guān)控制氣缸來拉動帶有尖鉤的鋼釬，突然刺破爆破片，使高壓容器快速卸壓，造成煤的破壞；

8)收集地面，錫箔管以及高壓容器內(nèi)的碎煤，并進(jìn)行篩分，最后整理和分析實驗數(shù)據(jù)。

2 煤的爆碎性測試實驗

為了測試該實驗裝置的可行性，證實含高壓瓦斯煤塊在突然暴露時能發(fā)生爆碎現(xiàn)象，分別從河南平頂山天安煤業(yè)股份有限公司平煤12礦己16-17煤層、山西伊田煤業(yè)公司伊田煤礦2號煤層、山西慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦3號煤層以及山西保利平山煤業(yè)股份有限公司3號煤層取樣進(jìn)行實驗，所取煤樣均為塊狀，其常規(guī)物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。實驗時，抽真空和吸附時間均為10 h，所用爆破片設(shè)計壓力有5種規(guī)格，各實驗煤樣相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表1 不同煤樣的常規(guī)物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table 1 Mechanical property parameters of different coal samples

表2 各實驗煤樣的基本參數(shù)Table 2 The basic parameters of each experiment

通過多次實驗可知，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高壓氣體快速卸壓的目的，爆破片破膜時發(fā)出的聲響會隨氣體壓力的升高而增大。平頂山12礦煤樣的3次實驗中，當(dāng)爆破片臨界壓力為0.3 MPa(實驗1)時，煤樣基本完好無損，產(chǎn)生的碎煤質(zhì)量僅為6.19 g，煤樣表面有裂紋出現(xiàn)；當(dāng)壓力為0.5 MPa(實驗2)時，煤樣發(fā)生破碎，碎煤噴射距離較近，主要集中在容器開口處；當(dāng)爆破片壓力為0.7 MPa(實驗3)時，煤樣發(fā)生破碎，碎煤噴射距離較遠(yuǎn)，但噴射出的碎煤都在錫箔管內(nèi)。伊田礦煤樣的3次實驗中，當(dāng)爆破片壓力為0.5 MPa(實驗4)時，煤樣幾乎未發(fā)生破碎；0.7 MPa(實驗5)時，煤樣發(fā)生破碎，同樣未噴射出錫箔管；當(dāng)爆破片壓力為1.3 MPa(實驗6)時，煤樣破碎程度較嚴(yán)重，碎煤噴射出錫箔管，地面上有碎煤，破碎情況如圖4所示。夏店礦煤樣的2次實驗中，當(dāng)爆破片壓力為0.9 MPa(實驗7)時，煤樣基本未破碎，僅產(chǎn)生了1.56 g的碎煤，煤樣表面有明顯裂紋；當(dāng)壓力為1.3 MPa(實驗8)時，煤樣發(fā)生破碎，碎煤噴射距離較近。平山礦煤樣只進(jìn)行了1.3 MPa(實驗9)條件下的爆碎實驗，該實驗現(xiàn)象與夏店礦煤樣0.9 MPa時的情況基本相同，煤樣基本未破碎，碎煤質(zhì)量為6.68 g，煤樣表面有明顯裂紋。

由此可見，僅在瓦斯壓力作用下且瓦斯壓力足夠高時，實驗所選煤樣在突然暴露時均能發(fā)生爆碎現(xiàn)象。同一煤礦煤樣，瓦斯壓力越高，煤的爆碎現(xiàn)象越劇烈。不同煤礦煤樣，在相同的瓦斯壓力條件下，其爆碎劇烈程度是不同的。通過對比表1中各煤樣的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，煤樣爆碎的瓦斯壓力最小值隨堅固性系數(shù)的增大而增大，說明堅固性系數(shù)對煤樣爆碎有重要的影響作用，堅固性系數(shù)越小，煤樣越容易爆碎，反之，煤樣越不易爆碎。

實驗后采用篩分裝置對煤樣依次進(jìn)行篩分，并利用電子秤計算出不同粒徑范圍內(nèi)的碎煤質(zhì)量，篩分結(jié)果如表3所示。

圖4 實驗6所觀察到的煤破碎情況Fig.4 The shatter of coal observed in experiment 6

表3 不同瓦斯壓力條件下各粒徑范圍內(nèi)的碎煤質(zhì)量Table 3 Weight of the shattered coal in different particle size range under different gas pressure conditionsg

3 碎煤粒徑分布表征

根據(jù)以往大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，碎煤粒徑分布一般符合正態(tài)分布函數(shù)、對數(shù)分布函數(shù)以及威布爾(Weibull)分布函數(shù)[11]，其中，應(yīng)用較多的是Weibull分布模型[12-13]。1933年，Rosin等[14]首次提出用二參數(shù)的Weibull分布函數(shù)來描述粒度分布，因此，威布爾分布有時又被稱作羅辛-拉姆勒(Rosin-Rammler)分布。文獻(xiàn)[15-18]也表明，突出后的碎煤粒徑分布符合羅辛-拉姆勒分布。本文基于質(zhì)量分布表示方法，選用威布爾模型及其分布函數(shù)來分析不同煤樣爆破后的碎煤特性。Weibull分布函數(shù)的具體表達(dá)式為：

F(d)=1-e-(d/de)k

(1)

式中：F(d)為小于篩網(wǎng)孔徑d的累積質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(篩下率)，也稱作質(zhì)量負(fù)累積率，%；d為碎煤粒徑尺寸，mm；k為形狀參數(shù)，表征粒徑分布范圍大小，k值越大，粒徑分布越窄，它不僅影響粒徑累積概率分布曲線形狀，還影響概率密度曲線形狀；de為尺度參數(shù)，也稱作特征粒徑，de越大，說明粒徑從總體上會偏向較大的一端，反之，總體粒徑較小，一般取對應(yīng)F(d)=63.2%的粒徑，mm。

如果對式(1)求導(dǎo)數(shù)，則可得到其概率密度函數(shù)f(d)，即：

(2)

對式(1)進(jìn)行移項并取2次對數(shù)后得：

ln{-ln[1-F(d)]}=klnd-klnde

(3)

令x=lnd，y=ln{-ln[1-F(d)]}，則式(3)可改寫為y=kx-klnde。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)用最小二乘法回歸即可得出該線性方程的k值與de值。

下面以伊田煤礦所進(jìn)行的實驗6為例，對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算不同粒徑范圍內(nèi)碎煤的累積質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 實驗6不同粒徑碎煤的累積質(zhì)量百分?jǐn)?shù)Table 4 The cumulative weight ratio of shattered coal with different particle sizes in experiment 6

將表4數(shù)據(jù)代入式(3)則可得到上述線性方程的回歸曲線，如圖5所示。

圖5 雙對數(shù)坐標(biāo)下Weibull分布函數(shù)關(guān)系曲線Fig.5 Weibull distribution function curve in double logarithmic coordinates

圖5所得線性回歸方程為y=0.986x-2.451 6，其相關(guān)系數(shù)的平方R2=0.996 4，非常接近1，說明實驗6所得碎煤的粒徑分布能很好地符合威布爾分布，進(jìn)一步解得k=0.986，de=12.018 1。

采用同樣方法對其他篩分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得所有爆碎實驗的威布爾分布參數(shù)，見表5。

表5 各實驗回歸得出的威布爾分布參數(shù)Table 5 Comparison of the Weibull distribution parameters and shatter degree in each experiment

為了直觀地了解爆碎后碎煤的粒徑分布規(guī)律，根據(jù)式(1)和式(2)分別繪制出各實驗所得碎煤粒徑分布的累積概率(篩下率)曲線和概率密度曲線，如圖6所示。

圖6 各實驗所得的碎煤粒徑分布Fig.6 Graph of particle size distribution of the shattered coal obtained from experiments

從表5和圖6可以看出，各實驗所得形狀參數(shù)k值相對穩(wěn)定，基本在0.77～1.20范圍內(nèi)，而尺度參數(shù)de值差別較大。k值越大，說明所研究的碎煤粒徑分布范圍越小，粒徑分布較集中；反之，粒徑分布的范圍變大，碎煤粒徑變得較分散。de值越大，碎煤粒徑從總體上會偏向粒徑較粗的一端，此時粉煤(d<6 mm)所占比重較??；反之，總體趨勢會偏向粒徑較細(xì)的一端，則煤粉所占比重較大。同時，可以看出，同一煤礦煤樣的瓦斯壓力越大，de值越小，而不同煤樣在相同瓦斯壓力條件下的de值沒有明顯關(guān)系。

4 結(jié)論

1)自行設(shè)計、加工的實驗裝置可以有效地測試含高壓瓦斯煤塊在容器內(nèi)氣壓突然釋放時的爆碎特征。該裝置不僅可以實現(xiàn)瞬間卸壓的目的，還具有較高的可控性和操作性。

2)實驗發(fā)現(xiàn)僅在瓦斯壓力作用下且瓦斯壓力足夠高時，所有含高壓瓦斯煤在氣壓突然卸載后都能發(fā)生爆碎現(xiàn)象；不同煤樣存在不同的臨界爆碎瓦斯壓力，且煤樣爆碎的最小瓦斯壓力值隨堅固性系數(shù)的增大而增大；同一煤樣，瓦斯壓力越大，煤的爆碎程度越嚴(yán)重，即碎煤在累積篩下率為63.2%時的de值越小，粉煤所占比重越大。

3)為了更清楚地表示煤的爆碎特征，研究與分析碎煤特征粒徑與瓦斯壓力及其他物理參數(shù)的關(guān)系，還需要進(jìn)行大量實驗來驗證。