突出口径对煤与瓦斯突出强度影响研究

陈鲜展

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001；2.安徽煤矿安全监察局安全技术中心，安徽 合肥 230088)

突出口径对煤与瓦斯突出强度影响研究

陈鲜展1,2

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南232001；2.安徽煤矿安全监察局安全技术中心，安徽 合肥230088)

改进大型煤与瓦斯突出模拟试验装置，增加两个气体压力传感器和两个温度传感器，进行突出口径分别为10mm，30mm，50mm的煤与瓦斯突出模拟试验。试验结果表明：在0.75MPa瓦斯压力条件下，突出口径为10mm时没有发生煤与瓦斯突出，突出口径为50mm和30mm时发生煤与瓦斯突出，突出煤体质量分别为25.40kg和15.05kg。随着突出口径的减小煤与瓦斯突出的煤量减少，突出强度降低。突出口径的大小影响煤体突出的状态，突出口径越大，煤体突出的距离越远，破坏性也越高。突出后煤样中粒径在1.6～5.0mm范围内的煤颗粒比例减小，而粒径小于0.75mm的煤颗粒比例增加，体现了突出过程中的破碎功，具有较强的粉碎性。突出口径越大，煤体越易于破裂失稳并发生煤与瓦斯突出，煤体中瓦斯的放散受突出口径的影响，使煤体中瓦斯压力梯度变化趋势不同。突出口径越大，瓦斯压力降低越快，瓦斯对煤体的粉碎性越明显，突出强度也越大，突出过程中煤体温度也发生变化，说明突出口径影响含瓦斯煤的破断失稳和突出特性。

煤与瓦斯突出；瓦斯压力；突出强度；煤体粒径；突出口径

煤与瓦斯突出是煤矿生产过程中采掘工作面前方煤(岩)体携带大量瓦斯向采掘空间突然大量抛出的一种动力现象[1-3]。煤与瓦斯突出受地应力、瓦斯压力和煤体性质3方面因素的影响[4-6]，对煤与瓦斯突出发生机理的研究主要集中在这3个方面[7-9]，有学者采用数值模拟等方式进行研究[10]，本文通过进行不同突出口径煤与瓦斯突出模拟试验，研究突出口径对煤与瓦斯突出的影响。

1 试验装置

采用大型煤与瓦斯突出模拟试验装置，系统装置主体材料为不绣钢制作，内径为276 mm，装煤样长度为1 200 mm，压实后有效长度 ≥800 mm，能容纳煤样约70 kg，可模拟不同突出口径、不同地应力、不同瓦斯压力、不同瓦斯含量等条件下的煤与瓦斯突出。采用煤与瓦斯突出气体压力采集装置，记录突出瞬间瓦斯压力的变化。在原来的基础上进行改进，增加两个气体压力传感器和两个温度传感器。突出口位于突出的中心位置，三种突出直径分别为10 mm、30 mm、50 mm。装置如图1所示。

图1 煤与瓦斯突出模拟试验装置

2 煤样及试验方案

煤样选自谢一矿C13煤，煤样瓦斯放散初速度ΔP为6.266，f值为0.75。将采集的原煤粉碎，破碎后的煤样经过筛分得到煤样粒径分布，进而研究突出后煤样的破碎情况。然后将煤样烘干，根据前后质量差测得煤样含水率，煤样含水率为1%。煤样的粒径分布见表1。

表1 煤样的粒径分布

利用压实装置两端加压，压力为10 MPa，在煤粉中添加煤焦油等黏合剂，压实后注入氮气，注氮吸附时间为24 h。为了研究不同突出口径的煤与瓦斯突出情况，设计突出口径分别为10 mm、30 mm和50 mm，瓦斯压力为0.75 MPa，在某突出口径下，如果不发生煤与瓦斯突出，其他条件不变采用1.0 MPa瓦斯压力再进行一次试验。图2为突出口径50 mm时煤与瓦斯突出试验示意图。

图2 突出口径50 mm时煤与瓦斯突出试验装置

3 模拟试验结果及分析

3.1 突出强度与粉碎性

为了研究突出口径对突出的影响，设计了以下5组试验，突出口前方布置直径为1.5 m的风筒布，风筒布长度10 m，突出过程中煤与瓦斯混合流沿着风筒布方向流动，在一定程度上模拟了突出时煤与瓦斯的运移情况。以突出点为界，分成五个区域，区域一、区域二、区域三、区域四长度均为1 m，区域五的长度为6 m。试验结果见表2。

表2 突出口径对突出影响模拟试验

试验1和试验3在突出口径为30 mm和50 mm状态时，在0.75 MPa瓦斯压力下均发生突出。在10 mm突出口径时，试验4没有发生突出，增大瓦斯压力到1.0 MPa时，试验5仍然没有发生突出。结果表明：煤与瓦斯突出受突出口径影响，突出口径越大突出越易于发生。瓦斯压力从0.40 MPa增加到0.75 MPa，30 mm突出口径下发生煤与瓦斯突出，说明突出发生的临界突出口径受到瓦斯压力等因素的影响。随着突出口径和瓦斯压力的增加，原本处于稳定状态的煤体，产生失稳的倾向增加。

在0.75 MPa瓦斯压力下，突出口径为10 mm 时未突出，50 mm和30 mm时抛出煤体质量分别为25.405 kg和15.05 kg。随着突出口径的减小煤与瓦斯突出的强度逐渐降低，瓦斯喷出的煤粉量减少，突出口径是影响突出强度的重要因素之一。

煤与瓦斯突出后质量分布如图3所示，质量分布比例如图4所示。

图3 煤与瓦斯突出后煤粉质量分布

图4 煤与瓦斯突出后煤粉质量分布比例

根据图3、图4分析可得：试验1突出口径为50 mm，突出煤的质量主要集中在区域四(11.92 kg)和区域五(8.52 kg)，质量分布比例分别为47.3%、34.0%。试验3突出口径为30 mm，突出煤的质量主要集中在区域三(5.04 kg)和区域四(7.61 kg)，质量分布比例分别为47.3%、34.0%。随着突出口径减小，突出煤量减少，突出较远的煤量及其在总突出煤量的比例都有所减少，甚至在突出口径30 mm时，区域五几乎无突出煤样。

试验1、试验3在各区域粒径的质量分布及质量分布比例见图5～8。

图5～8表明煤与瓦斯突出过程中煤体的突出状态受突出口径的影响，突出口径越大，煤体突出的距离越远，破坏性也越高。试验1中，突出后区域一中粒径小于0.75 mm煤体颗粒的质量分布比例最高为54.5%，区域二、区域三、区域四、区域五粒径在0.75～1.6 mm范围内煤体颗粒的质量分布比例最高，分别为38.1%、48.9%、52.4%、54.8%。试验3中，突出后区域一中粒径小于0.75 mm煤体颗粒的质量分布比例最高为40.9%，区域二、区域三、区域四粒径小于0.75 mm煤体颗粒的质量分布比例最高，分别为40.6%、56.0%、45.3%。突出口径越大，瓦斯压力降低越快，突出强度也越大，粉碎性越强。

图5 试验1在各区域粒径的煤粉质量分布

图6 试验1在各区域粒径的煤粉质量分布比例

图7 试验3在各区域粒径的煤粉质量分布

图8 试验3在各区域粒径的煤粉质量分布比例

突出前后煤体粒径对比如图9所示，突出后煤样中大粒径的煤颗粒比例减小而小粒径煤颗粒比例相应增加，体现了较强的粉碎性。突出过程中煤体的破碎是因为多孔煤颗粒中吸附瓦斯解吸成为游离瓦斯并且膨胀过程中的作用力，颗粒内外瓦斯压力差越大，瓦斯膨胀对煤样的破碎作用越明显，粉碎作用越强。突出口径越小，孔洞瓦斯压力降低越慢，粉碎性越不明显。试验1突出口径为50 mm，突出时煤与瓦斯流动断面大，在相同的压差下，瓦斯流量大，放散速度快，内部瓦斯压力降低快。煤与瓦斯突出的时间短，煤与瓦斯混合流体膨胀能集中释放，煤体突出的距离更远。

图9 突出前后煤体粒径对比

3.2 突出过程中瓦斯压力变化

突出口径突出为30 mm、50 mm时瓦斯压力的变化如图10所示。

图10 突出口径突出为30 mm、50 mm时瓦斯压力的变化

手动打开煤与瓦斯突出装置的控制挡板，煤体在瓦斯压力和地应力的作用下失稳破坏，煤体瓦斯解吸，吸附瓦斯转变为游离瓦斯，孔洞内压力平衡被打破，瓦斯压力降低，腔体内形成新的煤体暴露面，形成瓦斯压力梯度，发生煤与瓦斯突出。如图10所示，瓦斯压力从0.75 MPa降到0 MPa。在较大的突出口径下，孔洞内瓦斯放散快，瓦斯压力下降快，煤体瓦斯含量增大，瓦斯压力梯度升高，煤体断裂失稳的危险性增大，发生失稳的煤量增大，表现为突出煤量增大，因此较小的外部气体压力或者内外气体压力差较大时，煤与瓦斯突出更易发生。

3.3 突出过程中温度变化

突出口径大突出时煤体的破碎量大、粉碎性高，消耗能量高，从而导致温度变化量大，在瓦斯压力相同的情况下，煤体内瓦斯的膨胀功是相同的，在两种突出口径下，解吸吸热量和瓦斯膨胀功基本相同。所以，突出时温度变化差异是因为突出口径大小不同导致的煤体破碎、突出情况的差异。试验1温度16.5 ℃降到15.4 ℃，温度降低1.1 ℃，试验3温度16.2 ℃降到15.4 ℃，温度降低0.8 ℃，突出口径对煤与瓦斯突出中温度变化有一定影响。

4 结 论

1) 煤与瓦斯突出受突出口径影响，随着突出口径增加，处于稳定状态的煤体，产生失稳的倾向增加，越容易发生突出。随着突出口径的减小煤与瓦斯突出的强度逐渐降低，瓦斯喷出的煤粉量减少。突出较远的煤量及其在总突出煤量的比例都有所减少，在突出口径30 mm时，区域五几乎无突出煤样。

2)煤与瓦斯突出过程中煤体的突出状态受突出口径影响，突出口径越大，煤体突出的距离越远，瓦斯压力降低越快，突出强度也越大，粉碎性越强。

3)突出后煤样中大粒径的煤颗粒比例减小而小粒径煤颗粒比例相应增加，体现了较强的粉碎性。突出口径越小，孔洞瓦斯压力降低越慢，粉碎性越不明显。

4)在较大的突出口径下，孔洞内瓦斯放散快，瓦斯压力下降快，煤体瓦斯含量增大，瓦斯压力梯度升高，煤体断裂失稳的危险性增大，发生失稳的煤量增大，表现为突出煤量增大。突出口径大越大，消耗能量越高，导致温度变化越大，突出口径对煤与瓦斯突出中温度变化有一定影响。

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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责任编辑刘艳敏

陈鲜展(1983-)，男，安徽砀山人，工程师，博士研究生，主要从事煤矿瓦斯综合治理技术研究，E-mail：xianzhanchen@126.com。