磨料特性对磨料气体射流破煤影响的实验研究*

温志辉，梁博臣，刘笑天

(1. 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室(省部共建国家重点实验室培育基地)，河南 焦作 454000； 2. 河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；3. 煤炭安全生产河南省协同创新中心， 河南 焦作 454000；4. 河南理工大学 安全技术培训学院，河南 焦作 454000)

0 引言

瓦斯是一种易燃易爆气体，严重威胁煤矿安全生产；同时瓦斯(煤层气)还是一种洁净、热效率高、污染低的优质能源，可作为民用和工业燃料、汽车燃料、发电以及生产其他工业品[1-2]。大力推进煤层气(煤矿瓦斯)开发利用，能够优化能源结构，提高能源利用效率[3]。因此最大程度的开采煤层气将会是我国煤炭行业发展的一个必然趋势。我国煤层瓦斯压力大、煤层透气性低，瓦斯抽放难度大[4]；目前常采用水力冲孔、水力割缝、水压致裂以及磨料水射流割缝等措施进行卸压增透强化瓦斯抽采[5-8]。但是水力化措施容易导致孔壁坍塌、不利于排渣；同样水分会提前终止瓦斯解吸时间，对瓦斯解吸产生消极影响[9-10]。采用气体作为卸压增透的措施，可避免水力化措施的缺点，也是水力化卸压增透措施的补充。如液态二氧化碳相变致裂技术[11-12]以及超临界二氧化碳射流破煤岩技术[13]。但是上述方法采用了液态二氧化碳作为动力，由于装置及实施工艺的复杂性，限制了在煤矿井下的应用。基于此，刘勇提出了高压气体射流破煤卸压增透的技术[14]，但是气体密度较低，纯气体射流破煤效率低、破煤深度不够，故引入磨料气体射流破煤。

磨料气体射流冲蚀破碎煤体时，由于其气体高压势能可以将磨料加速至较高速度，可以冲击破碎靶体。一些学者研究了不同磨料对蓝宝石抛光的影响，得出了对蓝宝石去除速率和表面粗糙度的影响[15-16]。孙增标[17]等在分析SiO2/CeO2混合磨料对微晶玻璃表面作用原理的基础上，进行了大量的实验，得出SiO2/CeO2在不同的配比下的材料最大的去除速率。通过以上学者的研究可以看出，磨料气体射流中磨料特性对射流冲蚀效果有较大影响。但是磨料特性对磨料射流冲蚀破碎煤体的影响鲜有研究。因此，本文研究不同磨料对冲蚀煤体的影响，以确定用于破煤的最佳磨料及射流靶距。

1 影响磨料速度的因素

磨料对煤体的冲击破坏是磨料气体射流破煤的主要方式，而磨料颗粒和气体之间的相互作用是气-固两相流中主要的动力学特性之一。磨料颗粒在气相流场中获得的能量是影响破煤效果的主要因素，尤其以磨料颗粒的运动速度影响为主。而他们与磨料颗粒受力情况密切相关。为了更好的研究影响磨料颗粒运动速度的因素有哪些，需要对磨料颗粒在高压气流中的受力情况进行分析，通过分析磨料颗粒在气流中的受力情况，建立磨料颗粒运动速度影响因素的方程，为实验研究影响磨料粒子速度因素提供理论基础，为提高磨料气体射流破煤效果提供理论依据。

根据气固两相流理论[18]，磨料在气流中主要受阻力或者曳力、压力梯度力、虚拟质量力。由于磨料颗粒所受热作用力、倍瑟特力较小，在计算中可以忽略不计。

磨料气体射流中磨料所受曳力为：

(1)

式中：FD为气流的拖曳力或气流的阻力；ds为磨料颗粒的直径；ρ*为流体的密度；CD为阻力系数；uq为流体流速；us为固体颗粒的运动速度。

假设气体为理想气体，根据空气动力学理论可得：

(2)

式中：P*为滞止压力，25 MPa；T为理想气体的绝对温度，298 K；Rg为常数，取Rg=1.4。

磨料的高速运动属于大雷诺数运动，当雷诺数在800～2×105范围内，阻力系数基本为常数，其值为：CD=0.44。

压力梯度力为：

(3)

式中：ap为颗粒半径，ap=0.5ds。

虚拟质量力为：

(4)

式中：ρp为磨料颗粒密度。

则磨料受力为：

(5)

根据磨料颗粒的受力可以看出影响磨料颗粒速度的因素主要包括气相速度、气体射流压力梯度、磨料颗粒的粒径、磨料的密度等。由此可见，对于不同磨料，其在相同射流压力条件下，磨料最终速度不一样，造成射流冲蚀效果也不同。因此，研究磨料特性对冲蚀破煤效果的影响是十分必要的。

1.1 磨料的选择

磨料主要是一些具有一定硬度和韧性的粒状或粉状的矿物质材料。常见指标有密度、硬度以及粒度。选取磨料要保证磨料来源方便、价格便宜，而且对环境无污染。考虑不同密度、粒度以及硬度。选取80，120，200，280目4种不同粒径的石英砂、石榴石和棕刚玉3种磨料。磨料基本参数如表1。

表1 磨料基本参数

2 磨料气体射流破煤实验

2.1 实验系统

实验系统装置主要由空压机、高压气瓶、磨料罐、缩放型喷嘴、高压软管、测量仪器等组成。空气压缩机最高排气压力为40 MPa，最大吸气量2 m3/min，喷嘴为缩放型喷嘴，结构参数见图1，系统连接如图2。实验中射流压力选为25 MPa。实验煤块取自焦作九里山煤矿，将煤块加工制作成尺寸为Φ50 mm×100 mm的煤样，测定其力学性能，煤样的基本参数如表2。

图1 喷嘴结构参数Fig.1 The structure of laval nozzle

图2 实验装置示意Fig.2 Schematic diagram of the experimental device

煤样编号单轴抗压强度/MPa弹性模量E/MPa体积模量Ks/MPa泊松比μ12314.615.214.32590267225562158219621230.300.320.29

2.2 实验结果分析

实验选用80，120，200和280目4种不同目数的石英砂、石榴石以及棕刚玉磨料。射流压力为25 MPa，磨料质量流量为0.01 kg/s，冲蚀时间为20 s，在此基础上开展磨料气体射流破煤实验。

2.2.1 磨料特性的实验分析

实验研究不同磨料、不同目数下的破煤效果，分析磨料特性对冲蚀效果的影响，确定用于破煤的最优磨料并确定磨料目数。射流压力为25 MPa，射流靶距为70 mm，磨料的质量流量为0.01 kg/s，开展磨料气体射流破煤实验。磨料气体射流破煤效果图部分如下。通过测量石英砂、石榴石(80，120，200，280目)的冲蚀深度，得到破煤深度随磨料目数的变化曲线，如图4。

图3 破煤实验结果Fig.3 Experimental results of breaking coal

图4 不同目数下破煤深度Fig.4 The coal of broken under different particle size

图4反映了石英砂和石榴石在4种目数情况下的破煤深度，可以发现破煤深度随着目数的增大都是先增大后减小，磨料目数在120目时，破煤深度最大。同种磨料不同目数(80，120，200，280目)的磨料气体射流破煤时，120目的磨料破煤效果较好。

为了对比磨料密度对磨料气体射流破煤的影响，选取3种密度的磨料——石英砂(2 660 kg/m3)、石榴石(4 100 kg/m3)、棕刚玉(3 950 kg/m3)3种磨料并且目数为120目进行磨料气体射流破煤实验。

表3 磨料破煤深度

通过比较同种目数条件下的破煤深度可以发现，棕刚玉破煤深度最大，可以确定棕刚玉的破煤效果最好。对于不同磨料出现不同的破煤效果，这与磨料特性息息相关。对于石英砂磨料，其密度约为2 660 kg/m3，莫氏硬度为7，其破煤深度最小，石英砂密度低，经过喷嘴可以获得较高速度，但是其硬度较低，虽然磨料粒子可以获得较高动能，但是由于硬度关系，最终导致破煤深度较低。石榴石密度约为4 100 kg/m3，莫氏硬度约7.9，而棕刚玉磨料密度3 950 kg/m3，莫氏硬度为9，对比石榴石和棕刚玉磨料的破煤效果，可以发现棕刚玉要优于石榴石。石榴石与棕刚玉磨料的密度相近，2种磨料经过喷嘴可以获得相近的能量，但是2者硬度差别较大，使磨料气体冲蚀效果不同。对比同种目数条件的冲蚀效果，可以发现硬度对冲蚀破煤效果的影响较大。通过实验研究，考虑磨料价格以及来源方便，确定棕刚玉磨料为射流破煤的最优磨料。

2.2.2 靶距的确定

靶距是影响磨料气体射流破煤效果的主要因素之一，选取合适射流靶距可以获得最佳的射流冲蚀效果。本文在射流压力一定的基础上，开展磨料气体射流破煤实验，以确定磨料气体射流破煤的最佳靶距，通过实验研究以确定射流破煤的最佳靶距。最近靶距的选取考虑气体流场结构，其最近靶距由式(6)确定[19]：

(6)

式中：d为喷嘴出口直径；P*为滞止压力；Pa为环境压力。

经计算可得最近靶距l约为8 mm，在确定最近靶距的基础上进行不同靶距下的破煤实验。实验中射流气体压力为25 MPa，选用120目的石英砂磨料，磨料质量流量为0.01 kg/s，冲蚀时间20 s。实验结果如图5所示。

图5 不同靶距的破煤效果Fig.5 Different renderings of broken coal target distance

上图中从左到右依次为靶距为8，12，60，70，80，140 mm时破煤效果图，可以测出不同靶距下的破煤深度，如图6。可以发现在射流压力一定的条件下，随着靶距的增加破煤深度呈现先增加后减小的现象，可以发现靶距对破煤深度的影响较大。当靶距过小时，磨料气体射流过程中会在冲蚀坑内形成磨料层，导致磨料无法及时排出，进而影响射流冲蚀效果。对于磨料气体射流，磨料从喷嘴喷出以后，会出现发散现象，随着靶距增大，磨料分布越发散，磨料分布范围越大，进而出现了随着靶距增大，冲蚀坑直径增大的现象。冲蚀坑直径反映了磨料的分布范围，磨料越是发散，磨料所携带的破煤能量也越发散，造成冲蚀坑直径较大，而破煤深度急剧减小。因此磨料气体射流存在最优射流靶距。通过实验可以发现磨料气体射流最优靶距约为70 mm。

图6 不同靶距下破煤深度Fig.6 The depth of breaking coal under different target distance

3 结论

1)针对磨料气体射流，在射流压力一定的情况下分析了影响磨料颗粒速度的因素主要有磨料密度以及磨料粒径。

2)实验研究了磨料特性对破煤效果的影响，确定了用于破煤的优选磨料为120目的棕刚玉磨料，其破煤效果最好。

3)通过对比石英砂、石榴石和棕刚玉磨料的破煤深度，分析磨料硬度、磨料密度对破煤效果的影响，发现磨料特性中磨料硬度对破煤效果的影响较大，密度次之。

4)通过实验研究确定了磨料气体射流破煤的最佳靶距为70 mm。

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