磨料特性對磨料氣體射流破煤影響的實驗研究*

溫志輝，梁博臣，劉笑天

(1. 河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室(省部共建國家重點實驗室培育基地)，河南 焦作 454000； 2. 河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；3. 煤炭安全生產河南省協同創新中心， 河南 焦作 454000；4. 河南理工大學 安全技術培訓學院，河南 焦作 454000)

0 引言

瓦斯是一種易燃易爆氣體，嚴重威脅煤礦安全生產；同時瓦斯(煤層氣)還是一種潔凈、熱效率高、污染低的優質能源，可作為民用和工業燃料、汽車燃料、發電以及生產其他工業品[1-2]。大力推進煤層氣(煤礦瓦斯)開發利用，能夠優化能源結構，提高能源利用效率[3]。因此最大程度的開采煤層氣將會是我國煤炭行業發展的一個必然趨勢。我國煤層瓦斯壓力大、煤層透氣性低，瓦斯抽放難度大[4]；目前常采用水力沖孔、水力割縫、水壓致裂以及磨料水射流割縫等措施進行卸壓增透強化瓦斯抽采[5-8]。但是水力化措施容易導致孔壁坍塌、不利于排渣；同樣水分會提前終止瓦斯解吸時間，對瓦斯解吸產生消極影響[9-10]。采用氣體作為卸壓增透的措施，可避免水力化措施的缺點，也是水力化卸壓增透措施的補充。如液態二氧化碳相變致裂技術[11-12]以及超臨界二氧化碳射流破煤巖技術[13]。但是上述方法采用了液態二氧化碳作為動力，由于裝置及實施工藝的復雜性，限制了在煤礦井下的應用。基于此，劉勇提出了高壓氣體射流破煤卸壓增透的技術[14]，但是氣體密度較低，純氣體射流破煤效率低、破煤深度不夠，故引入磨料氣體射流破煤。

磨料氣體射流沖蝕破碎煤體時，由于其氣體高壓勢能可以將磨料加速至較高速度，可以沖擊破碎靶體。一些學者研究了不同磨料對藍寶石拋光的影響，得出了對藍寶石去除速率和表面粗糙度的影響[15-16]。孫增標[17]等在分析SiO2/CeO2混合磨料對微晶玻璃表面作用原理的基礎上，進行了大量的實驗，得出SiO2/CeO2在不同的配比下的材料最大的去除速率。通過以上學者的研究可以看出，磨料氣體射流中磨料特性對射流沖蝕效果有較大影響。但是磨料特性對磨料射流沖蝕破碎煤體的影響鮮有研究。因此，本文研究不同磨料對沖蝕煤體的影響，以確定用于破煤的最佳磨料及射流靶距。

1 影響磨料速度的因素

磨料對煤體的沖擊破壞是磨料氣體射流破煤的主要方式，而磨料顆粒和氣體之間的相互作用是氣-固兩相流中主要的動力學特性之一。磨料顆粒在氣相流場中獲得的能量是影響破煤效果的主要因素，尤其以磨料顆粒的運動速度影響為主。而他們與磨料顆粒受力情況密切相關。為了更好的研究影響磨料顆粒運動速度的因素有哪些，需要對磨料顆粒在高壓氣流中的受力情況進行分析，通過分析磨料顆粒在氣流中的受力情況，建立磨料顆粒運動速度影響因素的方程，為實驗研究影響磨料粒子速度因素提供理論基礎，為提高磨料氣體射流破煤效果提供理論依據。

根據氣固兩相流理論[18]，磨料在氣流中主要受阻力或者曳力、壓力梯度力、虛擬質量力。由于磨料顆粒所受熱作用力、倍瑟特力較小，在計算中可以忽略不計。

磨料氣體射流中磨料所受曳力為：

(1)

式中：FD為氣流的拖曳力或氣流的阻力；ds為磨料顆粒的直徑；ρ*為流體的密度；CD為阻力系數；uq為流體流速；us為固體顆粒的運動速度。

假設氣體為理想氣體，根據空氣動力學理論可得：

(2)

式中：P*為滯止壓力，25 MPa；T為理想氣體的絕對溫度，298 K；Rg為常數，取Rg=1.4。

磨料的高速運動屬于大雷諾數運動，當雷諾數在800～2×105范圍內，阻力系數基本為常數，其值為：CD=0.44。

壓力梯度力為：

(3)

式中：ap為顆粒半徑，ap=0.5ds。

虛擬質量力為：

(4)

式中：ρp為磨料顆粒密度。

則磨料受力為：

(5)

根據磨料顆粒的受力可以看出影響磨料顆粒速度的因素主要包括氣相速度、氣體射流壓力梯度、磨料顆粒的粒徑、磨料的密度等。由此可見，對于不同磨料，其在相同射流壓力條件下，磨料最終速度不一樣，造成射流沖蝕效果也不同。因此，研究磨料特性對沖蝕破煤效果的影響是十分必要的。

1.1 磨料的選擇

磨料主要是一些具有一定硬度和韌性的粒狀或粉狀的礦物質材料。常見指標有密度、硬度以及粒度。選取磨料要保證磨料來源方便、價格便宜，而且對環境無污染。考慮不同密度、粒度以及硬度。選取80，120，200，280目4種不同粒徑的石英砂、石榴石和棕剛玉3種磨料。磨料基本參數如表1。

表1 磨料基本參數

2 磨料氣體射流破煤實驗

2.1 實驗系統

實驗系統裝置主要由空壓機、高壓氣瓶、磨料罐、縮放型噴嘴、高壓軟管、測量儀器等組成?？諝鈮嚎s機最高排氣壓力為40 MPa，最大吸氣量2 m3/min，噴嘴為縮放型噴嘴，結構參數見圖1，系統連接如圖2。實驗中射流壓力選為25 MPa。實驗煤塊取自焦作九里山煤礦，將煤塊加工制作成尺寸為Φ50 mm×100 mm的煤樣，測定其力學性能，煤樣的基本參數如表2。

圖1 噴嘴結構參數Fig.1 The structure of laval nozzle

圖2 實驗裝置示意Fig.2 Schematic diagram of the experimental device

煤樣編號單軸抗壓強度/MPa彈性模量E/MPa體積模量Ks/MPa泊松比μ12314.615.214.32590267225562158219621230.300.320.29

2.2 實驗結果分析

實驗選用80，120，200和280目4種不同目數的石英砂、石榴石以及棕剛玉磨料。射流壓力為25 MPa，磨料質量流量為0.01 kg/s，沖蝕時間為20 s，在此基礎上開展磨料氣體射流破煤實驗。

2.2.1 磨料特性的實驗分析

實驗研究不同磨料、不同目數下的破煤效果，分析磨料特性對沖蝕效果的影響，確定用于破煤的最優磨料并確定磨料目數。射流壓力為25 MPa，射流靶距為70 mm，磨料的質量流量為0.01 kg/s，開展磨料氣體射流破煤實驗。磨料氣體射流破煤效果圖部分如下。通過測量石英砂、石榴石(80，120，200，280目)的沖蝕深度，得到破煤深度隨磨料目數的變化曲線，如圖4。

圖3 破煤實驗結果Fig.3 Experimental results of breaking coal

圖4 不同目數下破煤深度Fig.4 The coal of broken under different particle size

圖4反映了石英砂和石榴石在4種目數情況下的破煤深度，可以發現破煤深度隨著目數的增大都是先增大后減小，磨料目數在120目時，破煤深度最大。同種磨料不同目數(80，120，200，280目)的磨料氣體射流破煤時，120目的磨料破煤效果較好。

為了對比磨料密度對磨料氣體射流破煤的影響，選取3種密度的磨料——石英砂(2 660 kg/m3)、石榴石(4 100 kg/m3)、棕剛玉(3 950 kg/m3)3種磨料并且目數為120目進行磨料氣體射流破煤實驗。

表3 磨料破煤深度

通過比較同種目數條件下的破煤深度可以發現，棕剛玉破煤深度最大，可以確定棕剛玉的破煤效果最好。對于不同磨料出現不同的破煤效果，這與磨料特性息息相關。對于石英砂磨料，其密度約為2 660 kg/m3，莫氏硬度為7，其破煤深度最小，石英砂密度低，經過噴嘴可以獲得較高速度，但是其硬度較低，雖然磨料粒子可以獲得較高動能，但是由于硬度關系，最終導致破煤深度較低。石榴石密度約為4 100 kg/m3，莫氏硬度約7.9，而棕剛玉磨料密度3 950 kg/m3，莫氏硬度為9，對比石榴石和棕剛玉磨料的破煤效果，可以發現棕剛玉要優于石榴石。石榴石與棕剛玉磨料的密度相近，2種磨料經過噴嘴可以獲得相近的能量，但是2者硬度差別較大，使磨料氣體沖蝕效果不同。對比同種目數條件的沖蝕效果，可以發現硬度對沖蝕破煤效果的影響較大。通過實驗研究，考慮磨料價格以及來源方便，確定棕剛玉磨料為射流破煤的最優磨料。

2.2.2 靶距的確定

靶距是影響磨料氣體射流破煤效果的主要因素之一，選取合適射流靶距可以獲得最佳的射流沖蝕效果。本文在射流壓力一定的基礎上，開展磨料氣體射流破煤實驗，以確定磨料氣體射流破煤的最佳靶距，通過實驗研究以確定射流破煤的最佳靶距。最近靶距的選取考慮氣體流場結構，其最近靶距由式(6)確定[19]：

(6)

式中：d為噴嘴出口直徑；P*為滯止壓力；Pa為環境壓力。

經計算可得最近靶距l約為8 mm，在確定最近靶距的基礎上進行不同靶距下的破煤實驗。實驗中射流氣體壓力為25 MPa，選用120目的石英砂磨料，磨料質量流量為0.01 kg/s，沖蝕時間20 s。實驗結果如圖5所示。

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

上圖中從左到右依次為靶距為8，12，60，70，80，140 mm時破煤效果圖，可以測出不同靶距下的破煤深度，如圖6?？梢园l現在射流壓力一定的條件下，隨著靶距的增加破煤深度呈現先增加后減小的現象，可以發現靶距對破煤深度的影響較大。當靶距過小時，磨料氣體射流過程中會在沖蝕坑內形成磨料層，導致磨料無法及時排出，進而影響射流沖蝕效果。對于磨料氣體射流，磨料從噴嘴噴出以后，會出現發散現象，隨著靶距增大，磨料分布越發散，磨料分布范圍越大，進而出現了隨著靶距增大，沖蝕坑直徑增大的現象。沖蝕坑直徑反映了磨料的分布范圍，磨料越是發散，磨料所攜帶的破煤能量也越發散，造成沖蝕坑直徑較大，而破煤深度急劇減小。因此磨料氣體射流存在最優射流靶距。通過實驗可以發現磨料氣體射流最優靶距約為70 mm。

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

3 結論

1)針對磨料氣體射流，在射流壓力一定的情況下分析了影響磨料顆粒速度的因素主要有磨料密度以及磨料粒徑。

2)實驗研究了磨料特性對破煤效果的影響，確定了用于破煤的優選磨料為120目的棕剛玉磨料，其破煤效果最好。

3)通過對比石英砂、石榴石和棕剛玉磨料的破煤深度，分析磨料硬度、磨料密度對破煤效果的影響，發現磨料特性中磨料硬度對破煤效果的影響較大，密度次之。

4)通過實驗研究確定了磨料氣體射流破煤的最佳靶距為70 mm。

[1] 劉文革, 余小素. 我國煤礦區煤層氣發電技術及潛力分析[J]. 中國電力, 2004, 37(4): 17-20.

LIU Wenge, YU Xiaosu. Power generation technology and potential analysis of coal bed methane in coal mine area in China[J]. Electric Power, 2004,37(4): 17-20.

[2] 朱鍇. 中國煤礦瓦斯綜合利用存在問題及對策[J]. 華北科技學院學報, 2004, 1(1): 28-30.

ZHU Kai . The problem and countermeasure of gas comprehensive utilization in Chinese coal mine[J]. Journal of North China Institute of Science and Technology, 2004, 1(1): 28-30.

[3] 國家發展和改革委員會. 煤層氣(煤礦瓦斯)開發利用“十二五”規劃[EB/OL]. [2011-11-26].

[4] 李曉紅, 盧義玉, 趙瑜, 等. 高壓脈沖水射流提高松軟煤層透氣性的研究[J]. 煤炭學報, 2008, 33(12): 1386-1390.

LI Xiaohong, LUYiyu, ZHAO Yu, et al. Study on improving the permeability of soft coal seam with high pressure pulsed water jet[J]. Journal of China Coal Society, 2008, 33(12):1386-1390.

[5] 劉勇, 盧義玉, 魏建平, 等. 降低井下煤層壓裂起裂壓力方法研究[J]. 中國安全科學學報, 2013, 23(9): 96-100.

LIU Yong, LU Yiyu, WEI Jianping, et al. A novel method for decreasing coal seam fracture initiation pressure[J]. China Safety Science Journal, 2013, 23(9): 96-100.

[6] 林柏泉, 呂有廠, 李寶玉, 等. 高壓磨料射流割縫技術及其在防突工程中的應用[J]. 煤炭學報. 2007, 32(9): 959-963.

LIN Baiquan , LU Youchang, LI Baoyu ,et al .High-pressure abrasive hydraulic cutting seam technology and its application in outbursts prevention [J]. Journal of China Coal Society, 2007, 32(9):959-963.

[7] 劉勇, 劉建磊, 溫志輝, 等. 多級破煤水力沖孔強化松軟低透煤層瓦斯抽采技術研究[J]. 中國安全生產科學技術, 2015, 11(4): 27-32.

LIU yong, LIU Jianlei,WEN Zhihui, et al. Study on technology hydraulic punching by multi-stage coal breaking for enhancing gas drainage in soft coal seams with low permeability[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2015, 11(4): 27-32.

[8] 韓穎, 宋德尚. 低滲煤層高壓水射流割縫增透技術實驗研究[J]. 中國安全生產科學技術, 2014, 10(12): 35-39.

HAN Ying, SONG Deshang. Experimental study on permeability improvement technology by cutting sea using high pressure water jet in coal seam with low permeability[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2014, 10(12): 35-39.

[9] 張國華, 劉先新, 畢業武, 等. 高壓注水中水對瓦斯解吸影響試驗研究[J]. 中國安全科學學報, 2011, 21(3): 101-105.

ZHANG Guohua, LIU Xianxin, BI Yewu, et al. Experimental study of water effects on gas desorption during high pressure water injection [J]. China Safety Science Journal, 2011, 21(3): 101-105.

[10] 趙東, 趙陽升, 馮增朝. 結合孔隙結構分析注水對煤體瓦斯解吸的影響[J]. 巖石力學與工程學報, 2011: 30(4): 686-692.

ZHAO Dong，ZHAO Yangsheng，FENG Zengchao. Analysis of effect of water injection on methane desorption in coal combining pore structure[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(4):686-692.

[11] 王兆豐, 周大超, 李豪君, 等. 液態CO2相變致裂二次增透技術[J]. 河南理工大學學報(自然科學版), 2016, 35(5): 597-600.

WANG Zhaofeng, ZHOU Dachao, LI Haojun, et al. Research on secondary fracturing technology by phase transformation of liquid CO2[J]. Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science), 2016,35(5): 597-600.

[12] 周西華, 門金龍, 王鵬輝, 等. 井下液態CO2爆破增透工業試驗研究[J]. 中國安全生產科學技術, 2015, 11(9): 76-82.

ZHOU Xihua, MEN Jinlong, WANG Penghui, et al. Industry experimental research on improving permeability by underground liquid CO2blasting[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2015, 11(9): 76-82.

[13] 黃飛, 盧義玉, 湯積仁, 等. 超臨界二氧化碳射流沖蝕頁巖試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2015(4): 787-794.

HUANG Fei, LU Yiyu, TANG Jiren, et al. On the erosion of shale impacted by supercritical carbon dioxide jer[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(4): 787-794.

[14] 劉勇, 何岸, 魏建平, 等. 高壓氣體射流破煤應力波效應分析[J]. 煤炭學報, 2016,41(7): 1694-1700.

LIU Yong, HE An, WEI Jianping, et al. Analysis of stress wave effect during coal breakage process by high pressure gas jet[J]. Journal of China Coal Society,2016,41(7):1694-1700.

[15] 趙云鶴, 檀柏梅, 牛新環, 等. 不同磨料對藍寶石CMP的影響[J]. 微納電子技術, 2014, 51(2): 120-125.

ZHAO Yunhe, TAN Baimei, NIU Xinhuan, et al. Effects of different abrasives on the sapphire CMP[J]. Processing, Measurement and Equipment, 2014, 51(2): 120-125.

[16] 熊偉, 儲向峰, 董永平, 等. 不同磨料對藍寶石晶片化學機械拋光的影響研究[J]. 人工晶體學報, 2013, 42(6): 1064-1069.

XIONG Wei, CHU Xiangfeng, DONG Yongping, et al. Effect of different abrasives on sapphire chemical-mechanical polishing[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2013, 42(6): 1064-1069.

[17] 孫增標, 劉玉嶺, 劉效巖, 等. SiO2/CeO2混合磨料對微晶玻璃CMP效果的影響[J]. 半導體技術, 2010, 35(1): 72-74.

SUN Zengbiao, LIU Yuling, LIU Xiaoyan, et al. Influence of SiO2/CeO2Abrasive on Glass-Ceramics CMP[J]. Process Technique and materials, 2010, 35(1): 72-74.

[18] 袁竹林, 朱立平, 耿凡, 等. 氣固兩相流動與數值模擬[M]. 南京: 東南大學出版社, 2013: 33-47.

[19] 趙承慶, 姜毅. 氣體射流動力學[M]. 北京：北京理工大學出版社, 1998: 129-132.