胡 杰

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f值)是預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)之一[1-2]，f值越小，煤層發(fā)生突出的可能性越大[3-4]。因此，f值測(cè)定是生產(chǎn)礦井一項(xiàng)長(zhǎng)久且必要的基礎(chǔ)測(cè)定工作。依據(jù)現(xiàn)行《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》，實(shí)驗(yàn)室采用“落錘法”測(cè)定f值[5]，其測(cè)定過(guò)程可歸納為：將井下采取的煤樣送至地面實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)測(cè)定在一定沖擊力下基于給定質(zhì)量與粒度的煤樣被破碎至粒度為0.5 mm以下的煤屑量來(lái)計(jì)算f值的大小。

“落錘法”測(cè)定煤f值全過(guò)程由人工操作，且煤樣粉碎過(guò)程須保證每次將重錘提高至600 mm高度后自由落下，而人為操作存在不穩(wěn)定性，在破碎煤樣過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)重錘高度不到位、重錘下降過(guò)程中觸碰搗碎筒壁的情況，測(cè)定結(jié)果受影響較大，且測(cè)定過(guò)程繁瑣，可能導(dǎo)致同一煤樣f值測(cè)定結(jié)果的差異較大。隨著礦井機(jī)械化程度的不斷提高，f值機(jī)械化快速測(cè)定是建設(shè)數(shù)字化礦山的需要；同時(shí)，2016年版《煤礦安全規(guī)程》中已規(guī)定將煤層堅(jiān)固性系數(shù)當(dāng)作“在本巷道施工順煤層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯作為區(qū)域防突措施”的判別條件之一[6]，因此實(shí)現(xiàn)煤層堅(jiān)固性系數(shù)井下原位測(cè)定是煤礦高效開(kāi)采的發(fā)展趨勢(shì)。且現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)煤層瓦斯含量不高的工作面，反而突出預(yù)測(cè)指標(biāo)總是超標(biāo)，說(shuō)明現(xiàn)有指標(biāo)敏感性存在問(wèn)題[7-8]，尋求快速自動(dòng)化測(cè)定煤體f值方法，是未來(lái)工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)工作。

大量研究成果表明[9-11]：煤體粉碎后粒度服從一定的分布規(guī)律。機(jī)械式粉碎過(guò)程可保證煤樣f值測(cè)定過(guò)程中破碎功的穩(wěn)定性，且煤礦井下工作面打鉆過(guò)程中可獲得大量不同粒度的煤體，將其作為測(cè)定煤樣，可減少大量的現(xiàn)場(chǎng)取樣工作，因此擬設(shè)計(jì)開(kāi)展地面粉碎快速測(cè)定煤的堅(jiān)固性系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究，研究成果可為實(shí)現(xiàn)煤的堅(jiān)固性系數(shù)井下快速測(cè)定奠定基礎(chǔ)。

1 煤體粉碎實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

煤的堅(jiān)固性系數(shù)是表征煤體抗破壞能力的綜合指標(biāo)，反映了煤體的機(jī)械強(qiáng)度、硬度、裂隙發(fā)育程度，且在一定沖擊力作用下，煤體破碎功與破碎物所增加的表面積成正比[12-13]。在一定粉碎功作用下，堅(jiān)固性系數(shù)越大的煤樣在破碎后平均粒度越大；同樣煤體在粉碎前后的平均粒度均相同或相近的條件下，堅(jiān)固性系數(shù)越大的煤體所需的粉碎功也越大，因此f值能較好地反映破碎煤所需功的大小。

1.1 粉碎裝置

基于對(duì)粉碎機(jī)市場(chǎng)的調(diào)研，并配合粉碎參數(shù)對(duì)粉碎機(jī)進(jìn)行了轉(zhuǎn)速可調(diào)的改進(jìn)，配置了變頻器，裝配出實(shí)驗(yàn)所需的粉碎裝置，如圖1所示。

圖1 粉碎裝置示意圖

1.2 粉碎參數(shù)設(shè)計(jì)

利用高速旋轉(zhuǎn)粉碎機(jī)粉碎煤樣實(shí)驗(yàn)需確定的主要參數(shù)有：粉碎功、待粉碎煤樣粒度及煤樣質(zhì)量，其中粉碎功由粉碎功率與粉碎時(shí)間共同確定。依據(jù)電動(dòng)機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到調(diào)節(jié)粉碎機(jī)功率的目的，因此煤樣粉碎實(shí)驗(yàn)的主要參數(shù)為：粉碎時(shí)間、粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速、待粉碎煤樣粒度及煤樣質(zhì)量。

大量的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值測(cè)定結(jié)果表明：在鉆孔孔口處采集1～3 mm的煤樣是可行的，為保證煤樣采集的可執(zhí)行性，煤樣粉碎實(shí)驗(yàn)的待粉碎煤樣粒度也為1～3 mm。根據(jù)粉碎裝置粉碎桶的體積大小及現(xiàn)場(chǎng)采取煤樣的難易程度，將煤樣質(zhì)量確定為100～200 g。基于此，在實(shí)驗(yàn)前期對(duì)粒度為1～3 mm、質(zhì)量為100～200 g的煤樣在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行了粉碎，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到7 000 r/min、粉碎時(shí)間超過(guò)30 s時(shí)，粉碎后的煤樣基本呈煤灰狀，煤樣完全破碎；當(dāng)轉(zhuǎn)速小于 5 000 r/min、粉碎時(shí)間在10 s以內(nèi)時(shí)，煤樣破碎程度較小。因此轉(zhuǎn)速可取5 000～7 000 r/min。

1.3 粉碎參數(shù)確定

為確定粉碎時(shí)間、粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速、煤樣質(zhì)量3個(gè)因素的最優(yōu)組合，采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行確定，記粉碎時(shí)間為因素A，粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速為因素B，煤樣質(zhì)量為因素C。正交試驗(yàn)參照粉碎參數(shù)可取范圍給出每個(gè)因素的3個(gè)水平的取值，并選取Ln(3t)型正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)[14]，不同因素及不同水平取值如表1 所示。

表1 煤樣粉碎的因素與水平取值

基于正交試驗(yàn)原理，針對(duì)同一煤樣進(jìn)行了不同粉碎參數(shù)組合下的粉碎正交試驗(yàn)，并記錄在不同粉碎條件下粒度為 0.5 mm 以下煤屑質(zhì)量占比，正交試驗(yàn)方案如表2所示。同時(shí)采用“落錘法”對(duì)煤樣未粉碎部分測(cè)定其f值，同樣記錄“落錘法”測(cè)定f值中煤體破碎后粒度為0.5 mm以下的煤屑質(zhì)量占比。提取正交試驗(yàn)判定指標(biāo)ε(兩種粉碎方式完成后粒度為0.5 mm以下的煤屑質(zhì)量占比的誤差絕對(duì)值)。同時(shí)引進(jìn)記號(hào)Kij(表示第j列上水平號(hào)為i的各試驗(yàn)結(jié)果判定指標(biāo)之和)。根據(jù)正交試驗(yàn)原理與判定指標(biāo)定義，對(duì)于同一因素，即j相同時(shí)，取Kij的最小值，得到粉碎三因素的Kij最小值組合所對(duì)應(yīng)的粉碎參數(shù)組合即為最優(yōu)組合。正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 煤樣粉碎正交試驗(yàn)方案

表3 煤樣粉碎正交試驗(yàn)結(jié)果

由表3可得：K3A

為考察最優(yōu)粉碎參數(shù)組合的穩(wěn)定性，另取1組粒度為1～3 mm的煤樣，均分為4份，每份煤樣質(zhì)量為100 g，按5 000 r/min、粉碎時(shí)間30 s分別進(jìn)行粉碎，并記錄粉碎后不同粒度區(qū)間的煤屑的質(zhì)量占比，結(jié)果如圖2所示。

圖2 相同粉碎條件下同一煤樣多次粉碎后質(zhì)量占比分布圖

由圖2可以看出，4條曲線基本重合，同一煤樣在相同粉碎條件下進(jìn)行多次粉碎，粉碎后煤屑在各個(gè)粒度區(qū)間質(zhì)量占比基本相同，說(shuō)明粉碎粒度分布規(guī)律呈基本一致?tīng)顟B(tài)，由此證明：正交試驗(yàn)確立的粉碎參數(shù)組合是穩(wěn)定可行的。

2 煤體粉碎實(shí)驗(yàn)研究

2.1 不同粒度煤屑質(zhì)量占比與f值擬合關(guān)系

分別從貴州、云南、山西、安徽、四川等地區(qū)的多個(gè)礦井按以下要求進(jìn)行采樣：工作面打鉆時(shí)進(jìn)行孔口接煤采樣，采集粒度為1～3 mm的煤樣，用于粉碎實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)在打鉆點(diǎn)位置附近按照“落錘法”測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)采取煤樣，用于測(cè)定f值，同一地點(diǎn)處通過(guò)兩種方式采集的煤樣記為一組，共采集55組煤樣。

采樣完成后，首先按照“落錘法”測(cè)定每組煤樣的f值，為確保研究結(jié)果的通用性，選取f值分布較均衡的45組煤樣進(jìn)行粒度分布與f值相關(guān)關(guān)系研究；同時(shí)對(duì)孔口采集的同組煤樣基于正交試驗(yàn)得到的粉碎參數(shù)最優(yōu)組合進(jìn)行粉碎，粉碎后對(duì)煤屑進(jìn)行篩分及稱重，通過(guò)數(shù)據(jù)整理得到粒度為1.0 mm以下、0.5～1.0 mm及0.5 mm以下3種粉碎煤屑的質(zhì)量占比與“落錘法”測(cè)得的f值之間的相關(guān)關(guān)系，并篩選出擬合程度較高的3種擬合關(guān)系式，分別為指數(shù)擬合、對(duì)數(shù)擬合及乘冪擬合，結(jié)果如圖3所示。

(a)粒度0.5 mm以下煤屑

(b)粒度0.5～1.0 mm煤屑

(c)粒度1.0 mm以下煤屑

由圖3可知，煤樣粉碎后0.5 mm以下煤屑質(zhì)量占比與f值的3種擬合關(guān)系式的擬合效果均優(yōu)于其余2種粒度煤屑的擬合效果，說(shuō)明采用粒度為 0.5 mm 以下煤屑質(zhì)量占比與f值擬合關(guān)系式是最準(zhǔn)確的；同時(shí)由圖3(a)可知，3種擬合關(guān)系式中，乘冪擬合式的擬合度R2達(dá)到了0.931 1，遠(yuǎn)高于其他 2種擬合關(guān)系式。因此，在正交試驗(yàn)確立的最優(yōu)粉碎參數(shù)組合前提下，初步建立“粉碎法”快速測(cè)算f值的關(guān)系式：

f=0.083 6x-1.059

(1)

式中x為煤樣粉碎后粒度為0.5 mm以下的煤屑質(zhì)量占比。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析驗(yàn)證

為考察關(guān)系式(1)測(cè)算f值的準(zhǔn)確性及適用性，對(duì)剩余的現(xiàn)場(chǎng)采集的煤樣按照以上實(shí)驗(yàn)粉碎條件進(jìn)行粉碎，并針對(duì)同一煤樣，將基于“粉碎法”和基于“落錘法”測(cè)定的f值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如表4所示。

表4 粉碎煤樣質(zhì)量占比分布與f值關(guān)系式驗(yàn)證情況

由表4可得：基于“粉碎法”測(cè)定并計(jì)算出的f值與“落錘法”測(cè)定煤樣f值結(jié)果基本吻合，兩者相差絕對(duì)值可控制在0.08范圍內(nèi)，相對(duì)誤差絕對(duì)值控制在8%以內(nèi)，可見(jiàn)基于“粉碎法”快速測(cè)定f值的方法是可行的，由此也驗(yàn)證了利用粉碎原理建立的煤樣粉碎后粒度為0.5 mm以下煤屑質(zhì)量占比與f值的乘冪擬合關(guān)系式是合理的。從研究過(guò)程及研究結(jié)果可以得出：基于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械粉碎方式所建立的f值快速測(cè)定方法只需更改粉碎驅(qū)動(dòng)方式(如以穩(wěn)定風(fēng)壓作為驅(qū)動(dòng)力)即可實(shí)現(xiàn)井下f值的快速測(cè)定。

3 結(jié)論

1)通過(guò)煤樣的粉碎正交試驗(yàn)，確立了煤樣粉碎實(shí)驗(yàn)中煤樣質(zhì)量、粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速及粉碎時(shí)間的最優(yōu)參數(shù)組合，同時(shí)驗(yàn)證了基于最優(yōu)參數(shù)組合的煤樣粉碎過(guò)程的穩(wěn)定性及參數(shù)的合理性。

2)研究了多組不同煤樣粉碎后不同粒度煤屑質(zhì)量占比與f值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，求算并確立了煤樣粉碎后粒度為0.5 mm以下煤屑質(zhì)量占比與f值的最優(yōu)擬合關(guān)系式為f=0.083 6x-1.059，同時(shí)驗(yàn)證了煤樣“粉碎法”快速測(cè)定f值的可行性。

3)采用高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械粉碎方式快速測(cè)定f值的方法，簡(jiǎn)化了現(xiàn)行礦井工作面煤的堅(jiān)固性系數(shù)的測(cè)定過(guò)程并避免了人為測(cè)定誤差，可為煤的堅(jiān)固性系數(shù)井下直接快速測(cè)定奠定基礎(chǔ)。