煤与瓦斯突出过程颗粒煤碰撞诱发二次破碎理论研究
作者：
涂庆毅1,2，袁亮1,2，薛生1,2，程远平3，金侃4，赵祖恒1
单位：
1.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室
2.安徽理工大学 煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心
3.中国矿业大学 安全工程学院
4.中国计量大学 质量与安全工程学院
01摘要
煤与瓦斯突出是一种威胁煤矿安全生产的典型动力灾害。本文在分析搬运过程突出煤颗粒间或与巷道（阻挡物）的碰撞导致的二次破碎的理论过程基础上，建立突出煤颗粒碰撞二次破碎理论模型，开展单次和多次碰撞极限破碎理论计算。结合突出煤颗粒二次破碎试验分析，讨论了煤的结构差异对二次破碎的影响及对突出的作用。结果表明：当抗压强度小于2 MPa时，突出煤颗粒单次碰撞后的极限粉碎率随着抗压强度的降低急剧升高；而抗压强度大于2 MPa时，突出煤碰撞后的粉碎率随着抗压强度的降低而增加的速度较为缓慢，粉碎率低于0.0415%。2次试验0.074 mm以下的破碎煤占突出煤的质量比均低于0.41%，证明了表观结构完整的颗粒煤破碎或粉化是极其困难的。突出煤在搬运过程中的二次破碎是必要的过程，这种二次破碎形成的小颗粒或粉化煤是突出过程中的瓦斯能快速释放的保障。煤的力学强度和表观结构决定了其能否在搬运过程中二次破碎，相对于表观结构完整、强度高的原生煤，由散体煤胶结而成的构造煤更容易由于颗粒碰撞而发生二次破碎或粉化，同样验证了构造煤极易满足突出的条件。研究成果对突出煤的高度破碎或粉化现象成因进行了解释，有助于揭示突出灾变过程与机理。
02创新点
煤与瓦斯突出是一种威胁煤矿安全生产的典型动力灾害。本文在分析搬运过程突出煤颗粒间或与巷道（阻挡物）的碰撞导致的二次破碎的理论过程基础上，建立突出煤颗粒碰撞二次破碎理论模型，开展单次和多次碰撞极限破碎理论计算。结合突出煤颗粒二次破碎试验分析，讨论了煤的结构差异对二次破碎的影响及对突出的作用。研究成果对突出煤的高度破碎或粉化现象成因进行了解释，有助于揭示突出灾变过程与机理。
取得的主要成果如下：
（1）建立了突出煤颗粒碰撞二次破碎理论模型，突出煤颗粒的运动速度和抗压强度对碰撞后接触面的开口角度极限值的影响是非常显著的。相同运动速度条件下，随着抗压强度的增加，单次碰撞接触面的开口角度极限值表现出下降的趋势，且抗压强度低于2 MPa时开口角度极限值的下降速度较快。相同抗压强度条件下，随着运动速度的增加，单次碰撞接触面的开口角度极限值呈增加趋势。
（2）相同运动速度条件下，当抗压强度小于2 MPa时，突出煤单次碰撞后的极限粉碎率随着抗压强度的降低急剧升高；而抗压强度大于2 MPa时，突出煤单次碰撞后的极限粉碎率随着抗压强度的降低而增加，但是增加的速度较为缓慢，且粉碎率是非常低的，低于0.0415%。相同的抗压强度条件下，随着运动速度的增加，突出煤单次碰撞后的极限粉碎率呈增加趋势。
（3）随着碰撞次数的增加，突出煤颗粒的总粉碎率呈下降趋势，尤其是在5次碰撞范围内，突出煤颗粒的总粉碎率随碰撞次数增加快速下降。突出煤颗粒多次碰撞的总粉碎率均小于等于单次碰撞的极限破碎率。结合模拟试验，表观结构完整、无裂纹的颗粒煤在突出搬运过程中二次破碎的破碎率非常低，2次试验被粉碎到0.074 mm以下的破碎煤占突出煤的质量比低于0.41%，同样对理论计算结果进行了验证。
（4）突出煤在搬运过程中的二次破碎是必要的过程，这种二次破碎形成的小颗粒或粉化煤为突出过程中的瓦斯能供给提供了重要的作用。由于原生煤和构造煤的表观结构差异，两类煤在突出过程中发生二次破碎的粉碎率存在很大差异。相对于表观结构完整、强度高的原生煤，由散体煤胶结而成的低强度构造煤更容易在突出搬运过程中由于颗粒碰撞而发生二次破碎或粉化，同样验证了构造煤极易满足突出的条件。
03部分图表
颗粒煤碰撞示意
运动速度为20m/s条件下不同抗压强度突出煤颗粒的粉碎率
突出煤颗粒总粉碎率随碰撞次数的变化
破碎媒体的粒径分布
接触面开口角度极限值随抗压强度的变化
突出煤颗粒碰撞后粉碎率随抗压强度的变化
第一作者介绍
涂庆毅
安徽理工大学，副教授。
研究方向:
矿井瓦斯防治、煤与瓦斯突出致灾机理研究。
主要成果：
在岩石力学与地下工程领域国际期刊《Int J Rock Mech Min Sci》、《Rock Mech Rock Eng》、《Int J Min Sci Technol》、《Fuel》、《中国矿业大学学报》等发表学术论文20余篇、授权或申请国内发明专利10余项。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金青年项目、安徽省高校优秀青年项目、安徽省自然科学基金、国家重点实验室开放基金等纵向项目8项，主持与参与横向项目20余项。国家自然科学基金函评专家、安徽省科技专家库项目评审专家、淮南市应急管理专家库专家、《Int J Min Sci Technol》青年编委、《煤炭学报》审稿人、《Advanced in Material Science and Engineering》客座编辑、《科技创新导报》编委等。
本文引用格式：
涂庆毅，袁亮，薛生，等. 煤与瓦斯突出过程颗粒煤碰撞诱发二次破碎理论研究[J].中国矿业大学学报, 2024,53(3):524-533.
TU Qingyi, YUAN Liang, XUE Sheng, et al.Theoretical study on secondary crushing induced by coal particle impact during coal and gas outburst process[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2024,53(3):524-533.
