不同瓦斯压力条件下煤样的爆碎特征研究*

金洪伟，高巧红，徐 刚，杨守国，于世雷

(西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

0 引言

煤与瓦斯突出(以下简称突出)是指煤矿地下采掘过程中，在极短时间内，从煤体内部向采掘工作空间突然喷出煤和瓦斯，且伴有声响和猛烈力能效应的动力现象，也是一种严重威胁煤矿安全生产的矿井灾害。突出煤层中存在的高压瓦斯通常会造成突出过程中产生大量的碎煤，其中还包括许多手捻无粒感的粉煤，这说明在突出过程中，瓦斯对煤的破坏起着重要作用。当前多数突出机理理论，如中心扩张学说[1]、球壳失稳假说[2]、粘滑失稳机理[3]以及力学作用机理[4]等，都是对Skochinski所提出的综合作用理论[5]的发展，即都认同突出主要受地应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质的综合影响，但这3个主要因素在突出过程中的作用机理目前还尚未达到完全解决的阶段。很多研究[6-10]大都认同突出过程中不断解吸并流入孔隙的瓦斯对煤的破坏有重要作用，然而，瓦斯对煤的破坏作用的定量化，却较少有人进行研究。本文结合国内老式爆米花机设想含高压瓦斯煤在突然暴露时，会像受炸药爆破作用一样发生爆炸性的破碎(以下简称为“爆碎”)，为了在实验室验证该现象，并分析实验所得碎煤的粒径分布规律，自主设计煤的爆碎特征测试实验装置，通过在不同煤矿取原煤样在不同瓦斯压力下进行爆碎实验，得出煤爆碎的基本规律，为完善煤与瓦斯突出机理以及预测和防治突出技术提供一定的参考。

1 煤的爆碎性测试方法

1.1 实验装置介绍

为了验证瓦斯对煤体的破坏作用，测试含高压瓦斯煤块突然暴露时的爆碎性，自主研发了1套煤的爆碎特征测试实验装置，其原理如图1所示。该装置主体是1个水平放置的圆柱状压力容器，内径100 mm，深200 mm，壁厚20 mm，底厚30 mm。压力容器开口处采用爆破片进行密封，其直径与压力容器开口相同，通过夹持器和法兰盘进行固定。真空泵用于抽除压力容器与煤样中的空气，使煤样处于真空环境。高压气瓶用于向容器内充入高压瓦斯，使煤体充分吸附气体。为了安全起见，实验使用CO2气体代替CH4，虽然煤对CO2的吸附性比CH4稍强，但这种改变应该对实验结果影响不大。

图1 煤的爆碎性测试装置原理示意Fig.1 Schematic of device testing the shatter of coal

实验技术主要体现在2方面，一是压力容器内高压气体的快速释放，二是人为控制容器开口的打开方式。快速卸压主要是通过爆破片的快速破裂实现的，实验所选爆破片可以在容器内的气压达到爆破片临界设计压力时瞬间打开，实物及其爆破效果如图2所示。该爆破片的拱形膜片凹面刻有十字削弱槽，失稳翻转后爆破片沿刻槽处撕裂打开。为了人为控制爆破片的打开动作，使实验具有可控性，实验时并未依靠使气体压力达到爆破片临界压力来冲破爆破片，而是保证气体压力略小于临界爆破压力，利用电磁阀控制的气缸来拉动带有尖钩的钢钎，突然刺破爆破片，完成卸压过程。

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

该实验装置开口较大，打开速度快，还具有密封性好、可控性强、稳定可靠以及操作方便等优点，但每次实验都会损耗1个爆破片，实验成本较大，实验装置如图3所示。

图3 煤的爆碎性测试装置实物Fig.3 The actual device

1.2 实验步骤

煤的爆碎特征测试实验步骤如下：

1)将质量为400～500 g的块状原煤放入压力容器底部；

2)选取临界压力合适的爆破片，按照卸压方向放入夹持器中间，通过拧紧法兰盘上的螺栓，固定夹持器与爆破片，密封开口；

3)在法兰盘上安装带有观察窗的保护罩，并组装好刺破钢钎，调整尖钩到爆破片圆心的位置；

4)在保护罩开口一侧设置长达3 m的锡箔管用来收集实验所得碎煤，并将其水平固定在承载框架上，再在开口前面铺设塑料薄膜，用来收集喷出锡箔管，洒落在地上的碎煤；

5)打开压力表、真空泵及阀门，抽真空8 h以上，抽除容器和煤块内部的空气；

6)关闭真空泵及球阀，同时打开高压气瓶阀门，调节减压阀使容器内的气体压力达到爆破片设计压力的90%左右(<95%)，充气8 h以上，使煤块达到吸附平衡状态；

7)通过电磁阀开关控制气缸来拉动带有尖钩的钢钎，突然刺破爆破片，使高压容器快速卸压，造成煤的破坏；

8)收集地面，锡箔管以及高压容器内的碎煤，并进行筛分，最后整理和分析实验数据。

2 煤的爆碎性测试实验

为了测试该实验装置的可行性，证实含高压瓦斯煤块在突然暴露时能发生爆碎现象，分别从河南平顶山天安煤业股份有限公司平煤12矿己16-17煤层、山西伊田煤业公司伊田煤矿2号煤层、山西慈林山煤业有限公司夏店煤矿3号煤层以及山西保利平山煤业股份有限公司3号煤层取样进行实验，所取煤样均为块状，其常规物理力学性质参数如表1所示。实验时，抽真空和吸附时间均为10 h，所用爆破片设计压力有5种规格，各实验煤样相关参数如表2所示。

表1 不同煤样的常规物理力学性质参数Table 1 Mechanical property parameters of different coal samples

表2 各实验煤样的基本参数Table 2 The basic parameters of each experiment

通过多次实验可知，该装置能够实现高压气体快速卸压的目的，爆破片破膜时发出的声响会随气体压力的升高而增大。平顶山12矿煤样的3次实验中，当爆破片临界压力为0.3 MPa(实验1)时，煤样基本完好无损，产生的碎煤质量仅为6.19 g，煤样表面有裂纹出现；当压力为0.5 MPa(实验2)时，煤样发生破碎，碎煤喷射距离较近，主要集中在容器开口处；当爆破片压力为0.7 MPa(实验3)时，煤样发生破碎，碎煤喷射距离较远，但喷射出的碎煤都在锡箔管内。伊田矿煤样的3次实验中，当爆破片压力为0.5 MPa(实验4)时，煤样几乎未发生破碎；0.7 MPa(实验5)时，煤样发生破碎，同样未喷射出锡箔管；当爆破片压力为1.3 MPa(实验6)时，煤样破碎程度较严重，碎煤喷射出锡箔管，地面上有碎煤，破碎情况如图4所示。夏店矿煤样的2次实验中，当爆破片压力为0.9 MPa(实验7)时，煤样基本未破碎，仅产生了1.56 g的碎煤，煤样表面有明显裂纹；当压力为1.3 MPa(实验8)时，煤样发生破碎，碎煤喷射距离较近。平山矿煤样只进行了1.3 MPa(实验9)条件下的爆碎实验，该实验现象与夏店矿煤样0.9 MPa时的情况基本相同，煤样基本未破碎，碎煤质量为6.68 g，煤样表面有明显裂纹。

由此可见，仅在瓦斯压力作用下且瓦斯压力足够高时，实验所选煤样在突然暴露时均能发生爆碎现象。同一煤矿煤样，瓦斯压力越高，煤的爆碎现象越剧烈。不同煤矿煤样，在相同的瓦斯压力条件下，其爆碎剧烈程度是不同的。通过对比表1中各煤样的力学性质参数发现，煤样爆碎的瓦斯压力最小值随坚固性系数的增大而增大，说明坚固性系数对煤样爆碎有重要的影响作用，坚固性系数越小，煤样越容易爆碎，反之，煤样越不易爆碎。

实验后采用筛分装置对煤样依次进行筛分，并利用电子秤计算出不同粒径范围内的碎煤质量，筛分结果如表3所示。

图4 实验6所观察到的煤破碎情况Fig.4 The shatter of coal observed in experiment 6

表3 不同瓦斯压力条件下各粒径范围内的碎煤质量Table 3 Weight of the shattered coal in different particle size range under different gas pressure conditionsg

3 碎煤粒径分布表征

根据以往大量的统计数据可知，碎煤粒径分布一般符合正态分布函数、对数分布函数以及威布尔(Weibull)分布函数[11]，其中，应用较多的是Weibull分布模型[12-13]。1933年，Rosin等[14]首次提出用二参数的Weibull分布函数来描述粒度分布，因此，威布尔分布有时又被称作罗辛-拉姆勒(Rosin-Rammler)分布。文献[15-18]也表明，突出后的碎煤粒径分布符合罗辛-拉姆勒分布。本文基于质量分布表示方法，选用威布尔模型及其分布函数来分析不同煤样爆破后的碎煤特性。Weibull分布函数的具体表达式为：

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

(1)

式中：F(d)为小于筛网孔径d的累积质量百分数(筛下率)，也称作质量负累积率，%；d为碎煤粒径尺寸，mm；k为形状参数，表征粒径分布范围大小，k值越大，粒径分布越窄，它不仅影响粒径累积概率分布曲线形状，还影响概率密度曲线形状；de为尺度参数，也称作特征粒径，de越大，说明粒径从总体上会偏向较大的一端，反之，总体粒径较小，一般取对应F(d)=63.2%的粒径，mm。

如果对式(1)求导数，则可得到其概率密度函数f(d)，即：

(2)

对式(1)进行移项并取2次对数后得：

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

(3)

令x=lnd，y=ln{-ln[1-F(d)]}，则式(3)可改写为y=kx-klnde。根据实验数据用最小二乘法回归即可得出该线性方程的k值与de值。

下面以伊田煤矿所进行的实验6为例，对表3数据进行处理，计算不同粒径范围内碎煤的累积质量百分数，结果如表4所示。

表4 实验6不同粒径碎煤的累积质量百分数Table 4 The cumulative weight ratio of shattered coal with different particle sizes in experiment 6

将表4数据代入式(3)则可得到上述线性方程的回归曲线，如图5所示。

图5 双对数坐标下Weibull分布函数关系曲线Fig.5 Weibull distribution function curve in double logarithmic coordinates

图5所得线性回归方程为y=0.986x-2.451 6，其相关系数的平方R2=0.996 4，非常接近1，说明实验6所得碎煤的粒径分布能很好地符合威布尔分布，进一步解得k=0.986，de=12.018 1。

采用同样方法对其他筛分数据进行处理，可得所有爆碎实验的威布尔分布参数，见表5。

表5 各实验回归得出的威布尔分布参数Table 5 Comparison of the Weibull distribution parameters and shatter degree in each experiment

为了直观地了解爆碎后碎煤的粒径分布规律，根据式(1)和式(2)分别绘制出各实验所得碎煤粒径分布的累积概率(筛下率)曲线和概率密度曲线，如图6所示。

图6 各实验所得的碎煤粒径分布Fig.6 Graph of particle size distribution of the shattered coal obtained from experiments

从表5和图6可以看出，各实验所得形状参数k值相对稳定，基本在0.77～1.20范围内，而尺度参数de值差别较大。k值越大，说明所研究的碎煤粒径分布范围越小，粒径分布较集中；反之，粒径分布的范围变大，碎煤粒径变得较分散。de值越大，碎煤粒径从总体上会偏向粒径较粗的一端，此时粉煤(d<6 mm)所占比重较小；反之，总体趋势会偏向粒径较细的一端，则煤粉所占比重较大。同时，可以看出，同一煤矿煤样的瓦斯压力越大，de值越小，而不同煤样在相同瓦斯压力条件下的de值没有明显关系。

4 结论

1)自行设计、加工的实验装置可以有效地测试含高压瓦斯煤块在容器内气压突然释放时的爆碎特征。该装置不仅可以实现瞬间卸压的目的，还具有较高的可控性和操作性。

2)实验发现仅在瓦斯压力作用下且瓦斯压力足够高时，所有含高压瓦斯煤在气压突然卸载后都能发生爆碎现象；不同煤样存在不同的临界爆碎瓦斯压力，且煤样爆碎的最小瓦斯压力值随坚固性系数的增大而增大；同一煤样，瓦斯压力越大，煤的爆碎程度越严重，即碎煤在累积筛下率为63.2%时的de值越小，粉煤所占比重越大。

3)为了更清楚地表示煤的爆碎特征，研究与分析碎煤特征粒径与瓦斯压力及其他物理参数的关系，还需要进行大量实验来验证。