突出口徑對煤與瓦斯突出強度影響研究

陳鮮展

(1.安徽理工大學能源與安全學院，安徽 淮南 232001；2.安徽煤礦安全監察局安全技術中心，安徽 合肥 230088)

突出口徑對煤與瓦斯突出強度影響研究

陳鮮展1,2

(1.安徽理工大學能源與安全學院，安徽 淮南232001；2.安徽煤礦安全監察局安全技術中心，安徽 合肥230088)

改進大型煤與瓦斯突出模擬試驗裝置，增加兩個氣體壓力傳感器和兩個溫度傳感器，進行突出口徑分別為10mm，30mm，50mm的煤與瓦斯突出模擬試驗。試驗結果表明：在0.75MPa瓦斯壓力條件下，突出口徑為10mm時沒有發生煤與瓦斯突出，突出口徑為50mm和30mm時發生煤與瓦斯突出，突出煤體質量分別為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，突出強度降低。突出口徑的大小影響煤體突出的狀態，突出口徑越大，煤體突出的距離越遠，破壞性也越高。突出后煤樣中粒徑在1.6～5.0mm范圍內的煤顆粒比例減小，而粒徑小于0.75mm的煤顆粒比例增加，體現了突出過程中的破碎功，具有較強的粉碎性。突出口徑越大，煤體越易于破裂失穩并發生煤與瓦斯突出，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不同。突出口徑越大，瓦斯壓力降低越快，瓦斯對煤體的粉碎性越明顯，突出強度也越大，突出過程中煤體溫度也發生變化，說明突出口徑影響含瓦斯煤的破斷失穩和突出特性。

煤與瓦斯突出；瓦斯壓力；突出強度；煤體粒徑；突出口徑

煤與瓦斯突出是煤礦生產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力現象[1-3]。煤與瓦斯突出受地應力、瓦斯壓力和煤體性質3方面因素的影響[4-6]，對煤與瓦斯突出發生機理的研究主要集中在這3個方面[7-9]，有學者采用數值模擬等方式進行研究[10]，本文通過進行不同突出口徑煤與瓦斯突出模擬試驗，研究突出口徑對煤與瓦斯突出的影響。

1 試驗裝置

采用大型煤與瓦斯突出模擬試驗裝置，系統裝置主體材料為不繡鋼制作，內徑為276 mm，裝煤樣長度為1 200 mm，壓實后有效長度 ≥800 mm，能容納煤樣約70 kg，可模擬不同突出口徑、不同地應力、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。在原來的基礎上進行改進，增加兩個氣體壓力傳感器和兩個溫度傳感器。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裝置

2 煤樣及試驗方案

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，破碎后的煤樣經過篩分得到煤樣粒徑分布，進而研究突出后煤樣的破碎情況。然后將煤樣烘干，根據前后質量差測得煤樣含水率，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，壓實后注入氮氣，注氮吸附時間為24 h。為了研究不同突出口徑的煤與瓦斯突出情況，設計突出口徑分別為10 mm、30 mm和50 mm，瓦斯壓力為0.75 MPa，在某突出口徑下，如果不發生煤與瓦斯突出，其他條件不變采用1.0 MPa瓦斯壓力再進行一次試驗。圖2為突出口徑50 mm時煤與瓦斯突出試驗示意圖。

圖2 突出口徑50 mm時煤與瓦斯突出試驗裝置

3 模擬試驗結果及分析

3.1 突出強度與粉碎性

為了研究突出口徑對突出的影響，設計了以下5組試驗，突出口前方布置直徑為1.5 m的風筒布，風筒布長度10 m，突出過程中煤與瓦斯混合流沿著風筒布方向流動，在一定程度上模擬了突出時煤與瓦斯的運移情況。以突出點為界，分成五個區域，區域一、區域二、區域三、區域四長度均為1 m，區域五的長度為6 m。試驗結果見表2。

表2 突出口徑對突出影響模擬試驗

試驗1和試驗3在突出口徑為30 mm和50 mm狀態時，在0.75 MPa瓦斯壓力下均發生突出。在10 mm突出口徑時，試驗4沒有發生突出，增大瓦斯壓力到1.0 MPa時，試驗5仍然沒有發生突出。結果表明：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生。瓦斯壓力從0.40 MPa增加到0.75 MPa，30 mm突出口徑下發生煤與瓦斯突出，說明突出發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，原本處于穩定狀態的煤體，產生失穩的傾向增加。

在0.75 MPa瓦斯壓力下，突出口徑為10 mm 時未突出，50 mm和30 mm時拋出煤體質量分別為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度的重要因素之一。

煤與瓦斯突出后質量分布如圖3所示，質量分布比例如圖4所示。

圖3 煤與瓦斯突出后煤粉質量分布

圖4 煤與瓦斯突出后煤粉質量分布比例

根據圖3、圖4分析可得：試驗1突出口徑為50 mm，突出煤的質量主要集中在區域四(11.92 kg)和區域五(8.52 kg)，質量分布比例分別為47.3%、34.0%。試驗3突出口徑為30 mm，突出煤的質量主要集中在區域三(5.04 kg)和區域四(7.61 kg)，質量分布比例分別為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，區域五幾乎無突出煤樣。

試驗1、試驗3在各區域粒徑的質量分布及質量分布比例見圖5～8。

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

圖5 試驗1在各區域粒徑的煤粉質量分布

圖6 試驗1在各區域粒徑的煤粉質量分布比例

圖7 試驗3在各區域粒徑的煤粉質量分布

圖8 試驗3在各區域粒徑的煤粉質量分布比例

突出前后煤體粒徑對比如圖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增加，體現了較強的粉碎性。突出過程中煤體的破碎是因為多孔煤顆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，顆粒內外瓦斯壓力差越大，瓦斯膨脹對煤樣的破碎作用越明顯，粉碎作用越強。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1突出口徑為50 mm，突出時煤與瓦斯流動斷面大，在相同的壓差下，瓦斯流量大，放散速度快，內部瓦斯壓力降低快。煤與瓦斯突出的時間短，煤與瓦斯混合流體膨脹能集中釋放，煤體突出的距離更遠。

圖9 突出前后煤體粒徑對比

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時瓦斯壓力的變化

手動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力的作用下失穩破壞，煤體瓦斯解吸，吸附瓦斯轉變為游離瓦斯，孔洞內壓力平衡被打破，瓦斯壓力降低，腔體內形成新的煤體暴露面，形成瓦斯壓力梯度，發生煤與瓦斯突出。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，煤體斷裂失穩的危險性增大，發生失穩的煤量增大，表現為突出煤量增大，因此較小的外部氣體壓力或者內外氣體壓力差較大時，煤與瓦斯突出更易發生。

3.3 突出過程中溫度變化

突出口徑大突出時煤體的破碎量大、粉碎性高，消耗能量高，從而導致溫度變化量大，在瓦斯壓力相同的情況下，煤體內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，突出時溫度變化差異是因為突出口徑大小不同導致的煤體破碎、突出情況的差異。試驗1溫度16.5 ℃降到15.4 ℃，溫度降低1.1 ℃，試驗3溫度16.2 ℃降到15.4 ℃，溫度降低0.8 ℃，突出口徑對煤與瓦斯突出中溫度變化有一定影響。

4 結 論

1) 煤與瓦斯突出受突出口徑影響，隨著突出口徑增加，處于穩定狀態的煤體，產生失穩的傾向增加，越容易發生突出。隨著突出口徑的減小煤與瓦斯突出的強度逐漸降低，瓦斯噴出的煤粉量減少。突出較遠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，區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受突出口徑影響，突出口徑越大，煤體突出的距離越遠，瓦斯壓力降低越快，突出強度也越大，粉碎性越強。

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增加，體現了較強的粉碎性。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，煤體斷裂失穩的危險性增大，發生失穩的煤量增大，表現為突出煤量增大。突出口徑大越大，消耗能量越高，導致溫度變化越大，突出口徑對煤與瓦斯突出中溫度變化有一定影響。

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[10] NIE Baisheng,HU Shoutaoa,LI Xiangchun,et al.Development and realization of a coal and gas outburst simulation device[C]∥3rd International Symposium on Mine Safety Science and Engineering,Montreal.2016:482-486.

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研究，E-mail：xianzhanchen@126.com。