張智博

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232000)

0 引言

煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)過程中的一種極其復(fù)雜的動力學(xué)現(xiàn)象，伴隨著瓦斯的劇烈噴出，突出煤摻雜著大量煤粉[1]。破碎后的煤粉消耗大量能量用于產(chǎn)生新表面積，因此破碎本質(zhì)上是固體獲得能量產(chǎn)生新表面并從原體分離[2]。

前人對煤的破碎功和破碎后的顆粒分布規(guī)律進行大量研究且取得豐碩成果。蔡成功等[3]研究煤破碎規(guī)律，得出煤的破碎更好地符合新表面學(xué)說且給出煤破碎比功和堅固性系數(shù)成正比；羅甲淵、黃滾等[4]對破碎后微小煤顆粒分布與破碎功關(guān)系實驗研究得出煤巖破碎程度越大所需破碎功越多。

但對于RITTINGER提出的粉碎表面積學(xué)說(下稱新表面說)的參數(shù)k值的范圍鮮有學(xué)者研究，從其公式可知k值僅與破碎能量和產(chǎn)生的新表面積有關(guān)，所以研究k值的范圍和性質(zhì)對于了解破碎前后粒度從大變小產(chǎn)生的新表面積的耗能有重要意義。因此在前人研究的基礎(chǔ)上，以煤的堅固性系數(shù)為基礎(chǔ)，探討不同硬度煤的k值與堅固性系數(shù)、破碎比功的關(guān)系，旨在明確煤樣的k值范圍，探討k值是否能反映煤抵抗外力破碎的難易程度。

1 實驗方案

新表面說認為物料粉碎時外力所做的功全部用于產(chǎn)生新表面，在本次實驗中即為重錘產(chǎn)生的沖擊能量全部作用于塊煤的破碎，其表達式為：

(1)

式中：

A—重錘作用煤樣的破碎功，J；

k—k值, J·mm；

d—煤樣破碎后的折算直徑，mm；

D—煤樣破碎前的折算直徑，mm。

重錘作用于煤樣上的破碎功的計算公式如下：

A=mghn

(2)

式中：

m—重錘質(zhì)量，kg；

g—重力加速度，9.18 m/s2；

h—重錘下落高度，m；

n—重錘下落次數(shù)。

由新表面說公式得知，作用在煤上的破碎功由k值和煤樣破碎前后的折算直徑(1/d-1/D)決定。不同粒徑的煤樣易于在現(xiàn)場取得，量化k值的范圍對計算突出時煤巖破碎產(chǎn)生新表面積所消耗的能量有重要意義。

k值的計算公式如下：

(3)

單位質(zhì)量煤的破碎功代表著煤在破碎過程中單位質(zhì)量煤所消耗的破碎功的大小。單位質(zhì)量煤的破碎功由下式計算：

(4)

式中：

A1—單位質(zhì)量煤的破碎功,J/kg。

塊煤破碎是獲得小粒度煤的主要途徑，而沖擊破碎是目前應(yīng)用較多的破碎方法。因此本次實驗采用落錘法對不同硬度的塊煤進行沖擊破碎，破碎能量由沖擊次數(shù)來控制，落錘質(zhì)量為2.4kg，筒高0.6m，實驗時放置于混凝土地面上。

實驗選取5種不同硬度的煤樣，堅固性系數(shù)分別為0.36、0.62、0.86、1.45、2.82。實驗前先將大塊度煤敲碎，選取粒徑為10～20mm的煤樣150g，每3份為一組每份50g。分別對每組煤樣沖擊3、5、10、20次，然后將每組已破碎的煤樣用粒徑為10、7、5、3、1、0.5、0.25、0.1mm的篩子進行粒度分析。對于粒徑小于0.01mm的煤樣采用S3500激光粒度分析儀分析。

2 實驗結(jié)果

將已破碎好的3份煤樣倒在一起后混合篩分出不同粒徑的煤樣并計重，煤樣在不同沖擊次數(shù)下不同粒級范圍煤樣質(zhì)量分布[5]，見表1。

3 結(jié)果討論

由表1可知，堅固性系數(shù)越大煤樣越難破碎且從新表面說公式來看，破碎大塊度的煤所消耗的破碎功遠小于小粒度煤所做的功，小粒度煤樣質(zhì)量占比雖小卻產(chǎn)生大量的新表面積[6]。

3.1 k值與堅固性系數(shù)f值的關(guān)系

堅固性是指固體抵抗外力免受破壞、表征煤強度的相對指標(biāo)，且堅固性系數(shù)f值在煤巖分類等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[7]。蔡成功等[8]在新表面說的基礎(chǔ)上提出堅固性系數(shù)f值，那么f值與k值在客觀上一定存在某種聯(lián)系。如果兩者線性相關(guān)，也可以推出f值能夠反應(yīng)煤的堅固性程度。

根據(jù)表1可以計算出不同f值煤樣在不同破碎功下的k值，見表2。

表1 不同粒徑煤樣的質(zhì)量分布Tab.1 The quality distribution of coal samples with different particle sizes (單位：g)

表2 不同f值煤樣在不同破碎功下的k值Tab.2 The k value of coal samples with different f value under different crushing work (單位：J·mm)

由表2可知，在每次增加近乎一倍的單位質(zhì)量煤的破碎功的作用下，k值緩慢增加；f值為0.36～2.82的煤樣的k值范圍是174.43～1 547.08 J·mm。

為探究k值與f值的關(guān)系，擬合煤樣在不同單位質(zhì)量煤的破碎功下的k值與f值，如圖1。

(a)847.584 J/kg

從圖1可以看出k值與f值有很高的相關(guān)性?，F(xiàn)對k值依據(jù)不同單位質(zhì)量煤的破碎功取均值后得出下式：

k1=487.2f+9.221 4

(5)

其中，k1是取均值后的k值，J·mm。k1與f值線性相關(guān)度為99.93%。

3.2 k值與破碎比功w的關(guān)系

破碎比功代表著煤在破碎過程中形成單位面積新增表面積所消耗的破碎功的大小。破碎比功反映煤的突出傾向性，也是衡量煤的破碎/粉化特性的重要參數(shù)[9]。

單位質(zhì)量煤的破碎比功由下式計算：

(6)

其中，新增表面積

(7)

式中：

w—單位質(zhì)量煤的破碎比功，J/m2；

s—破碎后煤新增表面積，cm2；

ρ—煤樣的容重，g/cm3。

不同破碎功下的煤的w，見表3。為探究k值與w的關(guān)系，結(jié)合表2和表3，擬合出單位質(zhì)量煤的破碎功為847.584、1 412.64、2 825.28、5 650.56J/kg時k值與w的關(guān)系，如圖2。兩者符合線性規(guī)律，線性相關(guān)系數(shù)分別為0.999 3、0.999、0.999 8、0.999 9，驗證k值與w線性相關(guān)，也反映k值可以反映破碎煤所需功的大小。

表3 不同f值煤樣在不同破碎功下的wTab.3 The w of coal samples with different f values under different crushing work (單位：J/m2)

圖2從擬合結(jié)果來看，k值與w的線性關(guān)系與破碎功的大小無關(guān)，根據(jù)堅固性系數(shù)加權(quán)處理后得出下式：

(a)847.584 J

k2=5.169 5w-27.645

(8)

其中，k2是根據(jù)堅固性系數(shù)加權(quán)處理后的k值，k2與w的相關(guān)度為99.84%。

4 結(jié)論

(1)f值為0.36～2.82的煤的k值范圍是174.43～1 547.08J·mm；隨著單位質(zhì)量煤的破碎功的增加，k值緩慢增加。

(2)k值與f值有很高的相關(guān)性，擬合公式為k1=487.2x+9.221 4，線性相關(guān)度為99.93%。

(3)k值與w呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,線性相關(guān)度為99.84%。由此可見k值可以反映煤抵抗外力破碎的難易程度，是煤抵抗外力的重要指標(biāo)。