煤、巖垮落體的自然安息角受粒徑大小的變化研究

侯樹成

摘要：為了探究煤、巖石散體自然安息角與粒徑的變化關系，本文采用圓筒法對不同粒徑的煤散體做了實驗研究。將四種不同粒徑的煤散體和兩種不同粒徑的巖石散體分別裝入圓筒中，緩慢垂直向上移動圓筒，使散體自然堆落，測量煤散體堆積體的高度h與水平距離l，通過公式計算出安息角的大小。研究表明，煤、巖石散體自然安息角受粒徑的大小呈現出隨粒徑增大，自然安息角逐漸變小的趨勢。

Abstract： In order to explore the relationship between the natural repose angle and particle size of coal and rock bulk， this paper uses the cylindrical method to study the coal loose bodies with different particle sizes. Four kinds of coal particles with different particle sizes and two kinds of rock particles with different particle sizes are respectively loaded into the cylinder， and the cylinder is slowly moved vertically upward to make the bulk pile naturally， and the height h of the coal bulk body is measured. The horizontal distance l is calculated by the formula to calculate the size of the angle of repose. Studies have shown that the natural repose angle of coal and rock bulk is subject to the trend of increasing the particle size and increasing the natural repose angle.

關鍵詞：煤散體；粒徑；安息角

Key words： coal dispersion；particle size；repose angle

中圖分類號：X752 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0229-02

0 引言

我國煤礦95%以上都是井工開采，當煤礦井下發生瓦斯爆炸、頂板冒落崩塌、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等事故，井下作業人員的第一反應就是迅速逃離災害危險區域[1]。根據有關人員統計，當煤礦井下發生事故災害時，在第一現場，瞬間死亡的人數不到10%[2]。死亡原因大多數為救援時間的延長，巖石或煤堵塞了逃生通道，導致無法使用。救援人員到達現場需要一段時間，在這段時間中，井下的氧氣稀少，供應不足，井下被困人員呼吸著有毒有害氣體，在此環境下被困時間過長，會導致窒息或者中毒死亡。當煤礦井下發生礦災礦難致使巷道被巖石堵塞，導致作業人員被困井下，想要盡快救出井下被困人員，就需要時被堵塞的巷道重新恢復使用，而救援巷道的安全快速的形成，會減少被困人員因呼吸有毒氣體中毒身亡或氧氣供應不足窒息死亡。

垮落的圍巖受巷道兩幫巖石限制，受力特征也與破壞前的不同。如果不能做到科學開挖巷道，將很有可能造成二次災害，對被困人員及救援工作人員都是一種危險幾傷害。為了降低開挖救援巷道的二次災害，使救援巷道的安全快速形成，需要合理的掌握煤巖散體的物理性質及參數。賈旭光等人探究了不同粒度和錐載形態下散體的安息角，得出了顆粒尺寸影響散體邊坡安息角的結論[3]。李昌寧對非均勻的礦石散體做了研究，確定了散體非均勻度的計算方法，建立了礦石散體的放出安息角與礦石的非均勻度的關系方程[4]。馬占國、郭廣禮等[5]通過研究飽和破碎巖石受到壓實而變形的特性，發現破碎巖石的應變規律與壓力大小、粒徑、含水率以及巖石強度之間的關系。本文針對煤、巖散體做了一些簡單的實驗研究，對比探究了不同粒徑的煤、巖散體的安息角的變化。

1 實驗步驟及實驗數據處理

散體屬于一種顆粒的集合體，在堆積過程中，顆粒間的相互作用，使散體之間形成了比較穩定的結構，使散體保持一定的形狀（見圖1）。散體堆積體在堆積穩定后，兩邊與水平地面會形成一定的坡度，無論堆積體高度如何變化，該坡度不會超過某一極限角度，此極限角度βc即為散體的自然安息角。

很多專家學者對自然安息角都有一定的見解，對自然安息角展開的研究也各不相同。綜合發現，在自然的堆積狀態下，堆積體的坡面與水平方向所能形成的最大的角度，且隨著堆積體高度的變化，該角度不發生改變，稱為自然安息角。安息角的測量方法和裝置有很多，例如，圓筒式測定裝置、旋轉式測定裝置、載壓式測定裝置、塌落式測定裝置和圓盤式測定裝置等方法。綜合考慮，本文采用了圓筒式測定裝置進行實驗（如圖2）。

使用破碎機將大的煤塊破碎成小的煤塊，使用不同粒徑的篩子將已破碎好的煤塊逐一進行篩選，最后篩出2mm、6mm、10mm和20mm粒徑的煤散體。將已經準備好的圓筒放在桌面上。將粒經為2mm煤散體裝入圓筒中，待裝滿整個圓筒后，緩慢向上移動圓筒，使煤散體自然下落堆積成穩定結構，待煤散體堆積穩定后，用尺子測量底邊長l和高h，每組測量3次，最終結果取平均值。按照粒徑從小到大的順序，逐一進行實驗。同樣的方法制備粒徑為20mm、60mm的巖石散體。記錄好數據。用公式（1）計算自然安息角的大小。實驗照片如圖3，測量結果如表1、表2。

如表1煤散體自然安息角和圖4粒徑與安息角曲線圖可知，煤散體安息角隨著粒徑的不斷增大而呈現出變小的趨勢，變化速率先變大后變小。由表2可知，巖石散體自然安息角也隨著巖石粒徑的變大而變小，但是變化的速率沒有煤散體的變化速率大。

2 結論

通過公式（1）計算對比可知，相同的材料在粒徑不同時，粒徑小的自然安息角反而大，變化速率呈先變大后變小的趨勢，巖石散體的內摩擦角變化速率比煤散體的要大。可能的原因為粒徑尺度差距比較大，致使粒徑小的圍巖垮落體內部空隙率更小，顆粒間摩擦接觸面大，則自然安息角相對較大。

通過對煤、巖石散體的自然安息角的研究分析，發現了自然安息角受粒徑變化的變化。掌握了實驗規律，當發生礦山事故時，利用所掌握的實驗規律，能夠在快速開挖救援通道時起到關鍵作用。

參考文獻：

[1]陳寶智.安全原理[M].北京：冶金工業出版社，2004：63.

[2]郝傳波，于會軍，張國華，蒲文龍.井下斷層地質破碎帶巷道垮落體力學特性[J].黑龍江科技大學學報，2016，26（7）：351-352.

[3]賈旭光，陳曦，李鑫.不同粒度和堆載形態下散體瞬時自然安息角的實驗研究[J].現代礦業，2015，549（1）：25-27.

[4]李昌寧.礦巖散體的非均勻度與放出安息角關系的研究[J].礦業研究與開發，2002，22（2）：11-14.

[5]馬占國，郭廣禮，陳榮華，茅獻彪.飽和破碎巖石壓實變形特性的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（7）：1139-1144.