突出煤体空间分布及粒径分布特性试验分析

邢跃强，程远平，涂庆毅，王小蕾

(中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

随着近年来开采过度，浅部煤层几近枯竭，深部开采逐渐增多，随之而来的各种矿井灾害也更加频繁，煤与瓦斯突出危害尤为突出。在井下煤层开采过程中，煤与瓦斯突出频发、危险性巨大，给矿井安全带来灾难性后果，瓦斯灾害防治刻不容缓[1-2]。煤与瓦斯突出是指在地应力和瓦斯压力共同作用下，采掘空间周围煤岩体内的大量煤岩携带大量瓦斯突然抛向采掘空间形成的瓦斯动力现象[3]。煤与瓦斯突出是煤矿生产中经常发生的一种复杂的瓦斯动力现象，特征是在极短的时间内，由煤体向巷道或采场内突然抛出大量的煤，并涌出大量的瓦斯[4]。

国内外关于煤与瓦斯突出机理已经出现了一系列研究。目前有认同度较普遍的瓦斯主导作用假说、地应力主导作用假说、化学本质作用假说和综合作用假说[5]等。何学秋通过对含瓦斯煤样在三维受力状态下流变特性的研究，认为只要条件具备的情况下各类煤层都有产生突出的可能，提出煤和瓦斯突出是含瓦斯煤体流变行为的假说[6]。于不凡提出了煤与瓦斯突出是由中心向四周扩散的假说，他认为煤与瓦斯突出是离工作面某一距离的发动中心开始的，而后向周围扩展，并且由发动中心周围的煤-岩石-瓦斯体系提供能量及参与活动[7]。Paterson认为煤与瓦斯突出是由于瓦斯压力梯度作用下导致的结构失稳，并建立了煤与瓦斯突出的数学模型，对其进行讨论分析[8]。Khodot等通过模型讨论了地应力、瓦斯压力、煤体强度参数等对突出的影响[9]。这些假说可以基本定性地解释了煤与瓦斯突出现象，为煤与瓦斯突出危险性预测和防突措施的制定与实施提供了依据。

由于煤与瓦斯突出的危险性、复杂性以及不可控性，现场无法进行实时观测，所以，实验室模拟是一种较好还原方法。尹光志等人以自行研制开发的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统为手段，对其可靠性进行试验验证，并对不同含水率煤体发生煤与瓦斯突出时突出强度变化规律进行模拟试验研究[10]。唐巨鹏等自主研制了可改变轴压、围压和孔隙压，实现突出口自行打开的煤与瓦斯突出模拟仪。研究得出随深部开采地应力与瓦斯压力共同作用下煤与瓦斯突出频度将增加，但强度和破坏程度增加率将趋于平缓[11]。目前为止，前人对煤与瓦斯突出各方面的影响已经做了详尽的研究，文中利用自主研制的真三轴突出模拟试验系统开展相应的突出模拟试验，重点关注突出煤体的空间分布特征及粒径分布特性，并对此进行详细的探讨和分析，进一步认识煤与瓦斯突出。

1 实 验

1.1 实验装置

本次试验采用的是自主研制的真三轴煤与瓦斯突出试验系统。如图1所示。该系统主要由三轴突出模拟试验装置、应力加载系统、注气系统、真空系统、数据采集系统、恒温控制系统等组成。三轴应力加载系统为整个试验系统的核心环节。三轴应力加载装置内部腔体为长、宽、高分别25，25，31 cm，突出口直径5 cm.突出腔体一体切割成型，顶盖预留沟槽铺设密封圈，煤样成型完毕后，顶盖用螺栓紧固，保证了实验过程中的气密性。

1 三轴突出模拟试验装置 2 突出口 3 接线柱 4 水平加载千斤顶 5 恒温控制系统 6 轴向压力试验机 7 水平加载泵站 8 三通阀门 9 高压气瓶 10 真空泵 11 控制台 12 数据采集仪 13 试验机泵站图1 真三轴煤与瓦斯突出试验系统Fig.1 Schematic diagram of test system

1.2 煤样制备

本次试验选用卧龙湖煤矿10煤层108机巷煤样。卧龙湖10煤层实测最大瓦斯压力4.30 MPa，矿井最大绝对瓦斯涌出量47.75 m3/min，煤样坚固性系数f值2.40，为煤与瓦斯突出煤层，属硬煤。将原煤用粉碎机进行粉碎后，筛选小于0.25 mm的煤粉备用。每次试验使用22 kg煤粉，煤粉可以重复利用，本次制备约100 kg的煤样。

为方便煤样压制成型，以及提高煤样的含水率和粘结能力，选用5%的聚乙烯醇水溶液[13]。第一步，制取粉煤样本，用煤样筛筛取小于0.25 mm的煤粉。第二步，型煤压制，将筛选后的煤粉与一定比例的水混合均匀，而后倒入三轴突出模拟实验装置内加载成型，中途添加2次煤样，反复进行3次压制成型。

1.3 试验方案

为研究煤与瓦斯突出过程中煤粉抛出距离与粒径的空间分布特征，进行不同瓦斯压力下煤与瓦斯的突出试验，共设置了0.2，0.25，0.3，0.35，0.4，0.5 MPa等6组成型压力3 000 kN的试验。为保证试验结果的准确性，垂直应力、构造应力、侧向应力均设置为5.5 MPa，方案见表1.

表1 煤与瓦斯突出相似模拟方案Tab.1 Coal and gas outburst similar simulation program

注：垂直应力为轴压，构造应力为平行于突出发展方向的水平应力，侧向应力为垂直于突出发展方向的水平应力。

因为本实验性质的特殊性，为了安全起见，实验过程采用非爆炸性气体CO2代替瓦斯进行突出模拟试验。CO2化学性质较为稳定，有研究表明，CO2体积分数为45%的混合气体突出煤粉质量与甲烷突出煤粉质量接近，故可用CO2代替甲烷进行试验[14]。

突出材料对应力-应变曲线的响应方式可分为弹性阶段、弹塑性阶段和峰值应力失效阶段3个阶段。见表2，峰值强度(σ1)和弹性模量(E)随着围压(σ2)的增强而增强。μ，C，θ分别为泊松比、内聚力和内摩擦力[15]。

表2 突出材料力学强度Tab.2 Mechanical parameters and strengthof the outburst materials

2 试验结果与分析

2.1 煤与瓦斯突出强度

抛出煤体平面分布特征通过一系列试验证明，煤与瓦斯突出的发生存在一个瓦斯临界值，大于临界值，突出发生[16-17]。本试验中突出临界值位于0.25～0.3 MPa 之间。随着瓦斯压力的增加，煤样的突出量也逐渐增大，相对突出强度也增大，说明在现场瓦斯压力是煤与瓦斯突出强度的重要决定因素[18]。文中定义相对突出强度为突出煤量与试验总煤量的比值，见表3.

表3 煤与瓦斯突出模拟试验结果Tab.3 Results of simulation test oncoal and gas outburst

图2 试验5#抛出煤体平面分布特征Fig.2 Thrown out coal planar distribution of No.5 experiment

2.2 突出煤体空间分布

突出发生时，煤体在高压瓦斯流的作用下，瞬间被抛出腔体外。突出的煤粉在高速瓦斯流的作用下在地面呈梭形分布，两头较窄，中部较宽。中间各个条带之间有明显的间隔，有明显的吹扫痕迹，抛出煤体平面分布特征如图2所示。

从表4可以看出，将每次抛出煤体按距离平均等分为5个区域，由近及远分别为近区、较近区、中区、较远区和远区。收集称重各分布区域的煤粉质量。在4组突出案例中，较远区域煤样占据较大比例，主要原因是突出瞬间发生，巨大能量将大部分煤样搬运至较远区域，随着能量降低，突出逐渐衰退，搬运能力降低，直至突出终止。

表4 不同区域煤粉质量分布Tab.4 Pulverized coal mass distributionin different regions %

2.3 突出煤体粒径分布特征

笔者对突出的煤粉按直径>3 mm，1～3 mm，0.5～1 mm，0.25～5 mm，<0.25 mm做进一步筛分，抛出粒径分布见表5.可以发现，突出煤粉中小粒径的煤占主要部分。直径小于0.25 mm的煤粉占比均大于20%，而小于0.5 mm的均超过45%，个别甚至高达66.7%.小粒径煤体占如此大比例的原因可能是突出发展阶段高压瓦斯作用下煤体层列破碎，在突出瓦斯涌出瞬间高压瓦斯流将煤体破坏成颗粒，在突出发展过程中高速瓦斯流对突出煤体再次进行破碎，再加上瓦斯解吸及煤粒间的摩擦碰撞，故粉碎程度较高[19]。

表5 抛出煤体粒径分布表Tab.5 Particle size distribution of thrown out coal

2.4 突出煤体宽度随距离分布特征

突出煤体宽度随距离分布变化如图3所示。总体呈现先增后降的趋势，这与突出形状一致。造成这种现象的原因是突出煤体是呈射流状从突出口喷涌而出[20]，导致落在地面呈梭形分布。突出煤体中，较远区域大颗粒煤占主要部分，突出之后二次搬运效果不明显，而中间区域小颗粒煤占主要部分，突出来的煤样在瓦斯流的二次搬运下，向两边移动。

图3 突出煤体宽度随距离变化示意图Fig.3 Variation of outburst coal width with distance

3 讨 论

由于条件所限，实验室物理模拟规模较小，试验结果与现场实际突出情况有一定区别。实验条件下所用的型煤是由直径小于0.25 mm的煤粉压制成型，力学强度和煤颗粒连接方式与原生煤有较大差异，导致在试验条件下，0.30 MPa即可发生突出，要低于防突规定中的预测指标0.74 MPa，同时型煤破坏更容易，而破坏后抛出煤为大量散体，粒径相对较小。通过一系列的试验发现，大粒径的煤粒在较近区域和较远区域均有分布，中间区域较少。如图4所示。造成这种情况是突出初期，能量较大，足以把大粒径煤颗粒搬运至远处，而突出发展到后期，能量逐渐耗散，不足以搬运新剥离的大粒径。

图4 大粒径煤体不同区域分布图Fig.4 Large-size coal distribution in different regions

而在现场情况中，煤与瓦斯突出后煤体分布与试验结果并不完全一致，大块煤体聚集在较近区域，距离突出地点越远小颗粒煤粉越多。对此有几种解释。首先，现场突出是在巷道受限空间条件下，而实验室则是自由空间条件下。在巷道条件下，突出煤体冲开岩柱瞬间，由于大煤块自身受重力影响及石门对大块煤体会有一定阻挡作用，所以导致大块煤体移动不了多远距离，而在自由空间内，突出口对大粒径煤的阻挡作用是有限的，较大瓦斯压力可以将大粒径煤体搬运至远处；其次，现场条件下，突出发展的空间和瓦斯供给相对充足，突出大体上可以经历“加速-相对稳定-衰减”的过程。在突出的加速阶段，突出能量供给是充足的，随着突出的发展，突出煤体获得的初始动能逐渐增大，并逐渐被搬运到远处。突出的相对稳定阶段，突出的能量供给和消耗是相对持平的，突出煤体具有较高的初始动能，从而被搬运到远方。而在突出后期，突出煤体获得的初始动能逐渐降低，被搬运的距离也逐渐减小，这部分煤体又重新分布在靠近突出口的区域。而在实验室条件下，实验腔体内所能容纳的瓦斯是有限的，当突出发展到一定程度后剩余的突出能量将无法再支撑突出的发展，突出瞬间停止，跟现场相比没有明显的衰减过程。此时，突出煤体的搬运类似于有限的突出能量作用下，瞬间被抛出，大部分突出煤体获得的初始动能是相近的，并被搬运到远离突出口的位置，而由于衰减期不明显，靠近突出口的区域并没有后续突出煤体的分布，最终呈现出靠近突出口区域的突出煤体分布量是不高的；实际突出情况中，抛出的煤堆积坡度小于自然安息角，而实验室实际突出的煤体并没有发生堆积，更不存在自然安息角，故试验方案还有待进一步完善。

4 结 论

1)试验证明煤与瓦斯突出经历了孕育、发生、发展到终止的过程，整个过程持续时间较长。而煤与瓦斯突出物理模拟是一种小尺度试验，整个规模及能量是有限的，突出会因为能量的耗散而终止。整个突出过程非常短暂，看不到明显的衰退期；

2)突出的煤体呈梭形分布，两头区域宽度较小，中间区域宽度较大，其中有条带式间隔。这是由于远处区域大量大粒径煤体分布，瓦斯吹扫作用不明显，中间区域以细小煤颗粒为主，受高速瓦斯流的吹动影响横向扩散，而距离突出口较近区域煤量稀少；

3)突出煤粉的粒径以小颗粒煤为主，多次重复试验结果表明，小于0.5 mm的煤颗粒占总突出煤体量的比例均超过45%，有些甚至高达66%以上，破碎程度较高，这与突出现场的实际情况高度一致；

4)在大粒径煤体分布方面，试验结果与现场实际情况有一定差距，但是综合试验空间、突出发展时间、煤的自然安息角等多方面因素考虑，可以得到合理的解释。同时这也对后续进行煤与瓦斯突出方面的研究提出了新的要求，需要进一步完善实验设备及环境，尽可能的符合现场实际情况。

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