落锤法冲击次数对颗粒煤粒度分布规律的影响_张宪尚.pdf

Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 煤的坚固性系数是判断煤与瓦斯突出危险性的 重要指标之一[1-2]。落锤法作为我国规范规定测定煤 的坚固性系数的方法[3]， 是利用落锤提供冲击破裂 能，通过测定其破碎煤的粒度特征来恒量其坚固性 大小的方法。但该方法在测定过程易受到诸多因素 的影响， 蒋承林等[4]通过分析该方法的测定原理及 过程，探讨了测定过程中因振动引起颗粒煤密实程 度不一导致的测定误差。徐乐华等[5]着重分析试验 过程中人为操作对煤坚固性系数测定的影响。石必 明等[6-7]发现随着煤样水分含量的增加， 其测值基本 上呈线性规律递增。张瑞林[8]认为同一煤层的坚固 性系数与孔隙率之间呈正相关的变化关系。蔡成功基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2018YFC0808001） 落锤法冲击次数对颗粒煤粒度分布规律的影响 张宪尚 1， 2， 3， 刘 军 4， 刘金根1， 2 （1．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037； 2．中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037； 3．四川大学， 四川 成都 610065； 4．重庆市能源投资集团科技有限责任公司， 重庆 400061） 摘要 在分析落锤法测定煤坚固性系数的过程及方法原理的基础上， 通过粒度分布函数及级 配曲线研究了冲击粉碎次数对颗粒煤粒度分布特征的影响， 并指出利用颗粒煤体积量作为恒量 指标大小存在的问题。研究结果表明 随着冲击粉碎次数的增加， 煤样被粉碎的越来越小， 颗粒 煤的特征粒径不断减小并逐渐趋于稳定， 冲击能的影响幅度以及粒度分布的均匀性也在不断减 小， 存在使得其粒度分布稳定的临界冲击次数； 特征粒径与均匀系数呈现线性增长关系， 与颗粒 煤级配曲线的不均匀系数及曲率系数的对数呈线性衰减关系。 关键词 煤的坚固性； 冲击破碎次数； 粒度分布； 级配曲线； 落锤法 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003－496X （2020） 04－0061-05 Effect of Impact Times of Drop Hammer on Particle Size Distribution of Granular Coal ZHANG Xianshang1,2,3, LIU Jun4, LIU Jingen1,2 （1.State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China;2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China;3.Sichuan University, Chengdu 610065, China;4.Chongqing Energy Investment Group Technology Co., Ltd., Chongqing 400061, China） Abstract Drop hammer is the main to determine the coefficient of coal hardiness. In the actual measurement process, the problem that existed in the of determining the volume of coal particles in a certain range was pointed out. Based on the analysis of measurement process and principle, the influence of impact crushing times on particle size distribution characteristics of granular coal was studied by particle size distribution function and gradation curve. The results show that with the increase of impact crushing times, coal sample is crushed smaller and smaller, and the effect of impact crushing energy, characteristic particle size of granular coal and the uniity are also decreasing gradually and tends to be constant. There is a critical impact number that makes the particle size distribution constant. The uniity coefficient increases approximately in a line with the characteristic particle size. The non-uniity coefficient and curvature coefficient of the gradation curve of granular coal show a logarithmic attenuation relationship with the characteristic particle size. Key words coal hardiness; impact crushing times; particle size distribution; gradation curve; drop hammer DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.013 张宪尚， 刘军， 刘金根．落锤法冲击次数对颗粒煤粒度分布规律的影响 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4） 61-65. ZHANG Xianshang, LIU Jun, LIU Jingen. Effect of Impact Times of Drop Hammer on Particle Size Distribution of Granular Coal ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 61-65.移动扫码阅读 61 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 等[9]对测定的理论基础、 煤样原始粒度以及粉碎等 问题进行了探讨，认为煤的坚固系数与煤的破碎功 呈线性关系。 林柏泉等[9-10]认为落锤冲击次数的不同 对测定结果有很大影响，应该根据煤的软硬程度来 确定落锤的下落次数。现行落锤法中的体积量测定 精确度与参数准确度息息相关，而对同一粉体而 言，当在填充过程中振动或施加压力时，容积密度 通常要比松散填充时增大 10～20[11]， 这将导致同 一组样品因操作振动等因素导致测量结果的差异 性。与测量体积不同，测量质量更加精准、方便高 效。但同一质量不同粒度导致粉碎耗能不同，单一 质量指标恒量坚固性系数的大小略显不足，需要将 粒度与质量 2 个指标进行统一研究。在落锤法测定 煤坚固性系数实验的基础上，利用粒度分布函数及 级配曲线研究冲击粉碎次数对颗粒煤粒度特征的影 响，分析特征参数随冲击次数的变化以及特征参数 间的相互关系，研究成果为表征冲击破碎的粒度特 征和深入认识煤的坚固性系数测定有指导意义。 1落锤法实验及理论基础 1．1落锤法测定煤的坚固性系数 在实际测定过程中， 采用冲击粉碎后的 0．5 mm 的煤样颗粒所具有的体积来度量煤样的破碎程度， 煤坚固性系数测定仪如图 1。 该方法将粒度 20～30 mm 的 750 g 煤块试样均 分 15 份， 并均分 3 组， 使用 2．4 kg 的重锤， 在 0．6 m 的高处坠落， 被夯捣数次后， 用 0．5 mm 以下的粉末 体积量来表示试样的坚固性[3]， 具体计算即 f 20n L （1） 式中 f 为煤的坚固性系数； n 为每份试样冲击 次数； L 为每组煤样筛下的煤粉的高度， mm。 落锤法测定 f 值时，煤的冲击破碎主要包含 3 个过程首先是纯粹冲击破碎；其次是破碎煤样进 一步压缩及颗粒相互摩擦等产生细碎的过程；最后 是在能量富裕的场合下将破碎粉体进一步压密、 黏 结。而落锤法忽略冲击粉碎过程热能转化及其颗粒 间相互作用的耗能，将落锤的势能完全视为对煤的 粉碎做功，认为冲击粉碎功的大小会因冲击次数的 不同而不同。 1．2粉碎功耗定律 粉碎是以减小物料的粒度增加颗粒的外表面积 为目的， 而求作用材料的总功和粉碎量的关系， 称之 为粉碎理论， 其耗能大小可以用粒径的函数表示[12] dEC＝－CL dx dx m （2 ） 式中 EC为粉碎所需功， J； x 为粒径， mm； CL、 m 为常数。 当 m1 时， 物体粉碎时所需功耗与物料体积成 正比[13]， 对式 （2 ） 积分得到 “体积假说” dEC＝CKlg x1 x2 （ ）（3） 式中 CK为体积假说理论常数； x1、 x2分别为煤 样粉碎前、粉碎后的粒径，指平均粒径或代表性粒 径， mm。 该理论忽略粉碎过程中的粉碎比，看不出粉碎 前后的颗粒尺寸变化与粉碎功的关系，适用于粗碎 破碎 （粒度大于 10 mm） 的能耗计算[14]。 当 m2 时， 粉碎能耗与新生表面成正比[15]， 积 分得到 “表面积假说” dEC＝CR 1 x2 - 1 x1 （）（4） 式中 CR为表面积假说理论常数。 该假说认为粉碎是将物料的分子键切断，忽略 粉碎功是力和距离的乘积，仅注意粉碎时的力这个 因素[16]， 适用于细碎粉磨阶段 （粒度在 0．01～1 mm） 的能耗计算[14]。 当 m1．5 时， 粉碎能耗与新生裂缝长成正比[17]， 积分得到 “裂缝假说” dEC＝CB 1 x2 ■ - 1 x1 ■ （）（5 ） 式中 CB为裂纹假说理论常数。 其中， 粉碎时所需的能量可分为 2 个部分 ①颗 粒在外力作用下积聚成变形能；②局部地方应力超 图 1煤坚固性系数测定仪 Fig．1The tester for coal firmness coefficient 62 ChaoXing Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 过强度值时， 变形能转变为粉碎功[16]， 适用于中碎阶 段 （粒度为 1～10 mm） 的能耗计算[14]。 当冲击能量等于极限变形所需能量时，煤等脆 性材料冲击试验的表面积增量与能耗之比同压缩破 裂试验的结果接近；冲击粉碎产物中的微粒粒度特 征仅取决于原材料物性[18]， 这为以冲击破碎方式测 定煤的坚固性系数奠定理论基础。 2不同冲击次数颗粒煤粒度分布 2.1落锤后颗粒煤级配 按照筛孔的大小将筛子从小到大依次摞起， 最 上层的筛中放入颗粒煤、加盖后振动，最后称量留 在各个筛里的试料质量，从而得到各个粒径所占的 质量百分比，将该结果绘在单对数坐标系中，得到 颗粒级配曲线。利用筛分法筛分不同冲击次数不同 颗粒煤粒径的所占煤样质量数据结果[4]， 按照不同 粒径大小所占煤样质量百分比绘制于单对数坐标系 中， 不同冲击次数 n 下颗粒煤的级配曲线如图 2。 冲击与否对软煤颗粒级配特征具有较大影响， 随着冲击次数的增加，煤样被粉碎的越来越小， 但 其变化幅度也在不断减小。由此而知，随着冲击次 数的增加，颗粒煤粒度分布逐渐稳固不变，冲击能 对其影响逐渐减小。 由图 2 中的颗粒煤级配曲线，按照质量百分比 得到不同的界限粒径， 曲率系数 Cc及不均匀系数 Cu 计算如下 Cc d2 30 d60d10 Cu d60 d10 （6） 式中 d60、 d50、 d30、 d10分别为颗粒筛下质量小于 总质量的 60、 50、 30、 10的临界粒径。 软煤颗粒级配特征参数值见表 1，不同冲击次 数下颗粒煤质量特征粒径如图 3，不同冲击次数下 的颗粒煤不均匀系数与曲率系数如图 4。 从图 3、 图 4 可以看出 随着冲击次数的增加， 颗粒煤的特征粒径及其减小幅度都在不断减小， 不 同质量百分比的特征粒径趋于定值，冲击对粉碎的 影响不断减小，存在一个临界的冲击次数使得其粒 度分布稳定。而其不均匀系数及曲率系数随着冲击 次数增加不断增大， 基本上呈现线性关系。 2.2冲击次数对粒度分布函数的影响 对于单一特定来源的粉体煤，在其生成过程中 受到某种统计规律的支配[19]。 Rosin 等通过粉碎试验 对煤粉、 水泥等物料粒径分布概率进行研究， 归纳出 用指数函数表示的 Rosin-Rammler 粒度分布定律 冲击次数 级配特征值/ d60d50d30d10 02.602.301.751.200 10.940.770.480.200 20.800.630.370.100 30.700.540.320.050 40.640.480.260.030 50.580.450.230.020 60.560.430.220.015 图 2不同冲击次数下颗粒煤的级配曲线 Fig.2Grading curves of granular coal under different impact times 表 1软煤颗粒级配特征参数值 Table 1Characteristic parameter values of soft coal particle 注 对 n≥3 下 d10求解， 采用曲线趋势预估推算得到。 图 3不同冲击次数下颗粒煤质量特征粒径 Fig.3Characteristic sizes of granular coal under different impact times 63 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 图 4不同冲击次数下的颗粒煤不均匀系数与曲率系数 Fig.4Nonuniity coefficient and curvature coefficient of granular coal under different impact times R （Dp） ＝100exp－ （Dp De ） k ［］（7） 式中R （Dp） 为累计筛余百分数， 。Dp为颗粒粒 径， mm； De为颗粒特征粒径， mm； k 为均匀性系数。 Rosin-Rammler 粒度分布函数的各个参数计算 如下 ln ln （ 100 R （Dp） ［］ ）＝k ln （Dp） －ln （De［］ ）（8） 对图 2 中数据组进行计算，得到的不同冲击次 数下颗粒煤的均匀系数 k 及特征粒径 De如图 5。 从图 5 可以看出， 随着冲击粉碎次数的增加， 均 匀系数 k 值及特征粒径 De不断减小， 近似于指数衰 减， 粒度分布范围也越来越广； 特征粒径 De值与均 匀系数 k 值基本呈现线性增长，颗粒煤级配曲线与 粒度分布函数特征参数之间关系如图 6。 通过分析可以看出， 随着冲击粉碎次数的增加， 存在 1 个临界冲击次数使得测定煤的坚固系数时的 粒度分布稳定，但现行的 0.5 mm 界限粒径将不再 适用，需要进一步研究寻求新的界限粒度的颗粒煤 量作为测定值， 来衡量煤的坚固性系数大小。 3结论 1） 煤的坚固性系数测定忽略冲击粉碎过程中煤 颗粒间的摩擦等能耗，本质上是反映一定粒度范围 内单位体积颗粒煤的破碎功的大小，其结果的测定 易受到实验过程振动等因素的影响。 2） 随着冲击粉碎次数的增加， 煤样被粉碎的越 来越小， 但其变化幅度在不断减小， 其特征粒径也在 不断减小并趋于稳定，冲击能对其影响程度以及粒 度分布的均匀性在不断减小，存在使得其粒度分布 稳定的临界冲击次数。 3） 粒度分布函数特征粒径与均匀系数呈现线性 增长关系，与颗粒煤级配曲线的不均匀系数及曲率 系数的对数呈线性衰减关系。 参考文献 ［1］ 于不凡， 王佑安．煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册 ［M］ ．北京 煤炭工业出版社， 2000 568－588． ［2］ 张铁岗．矿井瓦斯综合治理技术 ［M］ ．北京 煤炭工业 出版社， 2001 126－136． ［3］ GB/T 23561．122010 煤和岩石物理力学性质测定方 法第 12 部分 煤的坚固性系数测定方法 ［S］ ． ［4］ 蒋承林， 李铁磊．现行煤的坚固性系数测定方法的研 究与改进 ［J］ ．煤矿安全， 1994， 25 （2） 15－18． ［5］ 徐乐华， 蒋承林．煤的坚固性系数和瓦斯放散初速度 图 5不同冲击次数下颗粒煤的均匀系数 k 及特征粒径 De Fig.5Uniity coefficient k and characteristic particle size Deof granular coal under different impact times 图 6级配曲线与粒度分布函数特征参数之间关系 Fig.6Relationship between grading curve and characteristic parameters of particle size distribution function 64 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 测定过程的影响因素分析 ［J］ ．煤炭技术， 2012， 31 （1） 93－94． ［6］ 石必明．煤的坚固性系数测定的实验研究 ［J］ ．东北煤 炭技术， 1997， 16 （2） 29－32． ［7］ 李铁磊， 王见．煤样水分对落锤法测定煤的坚固性系 数的影响分析 ［J］ ．江苏煤炭， 1995， 20 （2） 29－30． ［8］ 张瑞林， 王海乐．煤的坚固性系数与孔隙率变化关系 的实验研究 ［J］ ．煤矿安全， 2014， 45 （10） 1－3． ［9］ 蔡成功， 王魁军．煤坚固性系数 f 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作者简介 张宪尚 （1987） ， 男， 江苏沛县人， 助理研究 员， 硕士， 2013 年毕业于煤炭科学研究总院， 研究方向为煤 岩动力灾害防治。 （收稿日期 2019-04-26； 责任编辑 王福厚） 报， 2014， 34 （6） 646－651． ［11］ 朱术云， 曹丁涛， 岳尊彩， 等．特厚煤层综放采动底板 变形破坏规律的综合实测 ［J］ ．岩土工程学报， 2012， 34 （10） 1931－1938． ［12］ 李勤， 李永博， 李庆春．垂向裂隙各向异性煤层地震 波响应 ［J］ ．地球物理学报， 2019， 62 （1） 306－315． ［13］ 胡泽安， 张平松， 许光泉．采煤工作面拟 2．5 维地震 速度层析成像方法 ［J］ ．煤炭学报， 2018， 43 （9） 2579－2586． ［14］ 雷文杰， 李金雨， 云美厚．采动微地震波传播与衰减 特性研 ［J］ ．岩土力学， 2019， 40 （4） 1491－1497． ［15］ 崔臻， 盛谦， 冷先伦， 等．地下洞室地震动力响应的岩 体结构控制效应 ［J］ ．岩土力学， 2018， 39 （5） 1811． 作者简介 王文才 （1964） ， 男， 内蒙古伊金霍洛人， 教 授， 博士生导师， 博士， 现任内蒙古科技大学矿业研究院院 长， 从事安全工程及矿业技术经济的教学和研究。 （收稿日期 2019-03-14； 责任编辑 陈洋） （上接第 60 页） 65 ChaoXing