侯树成

摘要：为了探究煤、岩石散体自然安息角与粒径的变化关系，本文采用圆筒法对不同粒径的煤散体做了实验研究。将四种不同粒径的煤散体和两种不同粒径的岩石散体分别装入圆筒中，缓慢垂直向上移动圆筒，使散体自然堆落，测量煤散体堆积体的高度h与水平距离l，通过公式计算出安息角的大小。研究表明，煤、岩石散体自然安息角受粒径的大小呈现出随粒径增大，自然安息角逐渐变小的趋势。

Abstract： In order to explore the relationship between the natural repose angle and particle size of coal and rock bulk， this paper uses the cylindrical method to study the coal loose bodies with different particle sizes. Four kinds of coal particles with different particle sizes and two kinds of rock particles with different particle sizes are respectively loaded into the cylinder， and the cylinder is slowly moved vertically upward to make the bulk pile naturally， and the height h of the coal bulk body is measured. The horizontal distance l is calculated by the formula to calculate the size of the angle of repose. Studies have shown that the natural repose angle of coal and rock bulk is subject to the trend of increasing the particle size and increasing the natural repose angle.

关键词：煤散体；粒径；安息角

Key words： coal dispersion；particle size；repose angle

中图分类号：X752 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）33-0229-02

0 引言

我国煤矿95%以上都是井工开采，当煤矿井下发生瓦斯爆炸、顶板冒落崩塌、冲击地压、煤与瓦斯突出等事故，井下作业人员的第一反应就是迅速逃离灾害危险区域[1]。根据有关人员统计，当煤矿井下发生事故災害时，在第一现场，瞬间死亡的人数不到10%[2]。死亡原因大多数为救援时间的延长，岩石或煤堵塞了逃生通道，导致无法使用。救援人员到达现场需要一段时间，在这段时间中，井下的氧气稀少，供应不足，井下被困人员呼吸着有毒有害气体，在此环境下被困时间过长，会导致窒息或者中毒死亡。当煤矿井下发生矿灾矿难致使巷道被岩石堵塞，导致作业人员被困井下，想要尽快救出井下被困人员，就需要时被堵塞的巷道重新恢复使用，而救援巷道的安全快速的形成，会减少被困人员因呼吸有毒气体中毒身亡或氧气供应不足窒息死亡。

垮落的围岩受巷道两帮岩石限制，受力特征也与破坏前的不同。如果不能做到科学开挖巷道，将很有可能造成二次灾害，对被困人员及救援工作人员都是一种危险几伤害。为了降低开挖救援巷道的二次灾害，使救援巷道的安全快速形成，需要合理的掌握煤岩散体的物理性质及参数。贾旭光等人探究了不同粒度和锥载形态下散体的安息角，得出了颗粒尺寸影响散体边坡安息角的结论[3]。李昌宁对非均匀的矿石散体做了研究，确定了散体非均匀度的计算方法，建立了矿石散体的放出安息角与矿石的非均匀度的关系方程[4]。马占国、郭广礼等[5]通过研究饱和破碎岩石受到压实而变形的特性，发现破碎岩石的应变规律与压力大小、粒径、含水率以及岩石强度之间的关系。本文针对煤、岩散体做了一些简单的实验研究，对比探究了不同粒径的煤、岩散体的安息角的变化。

1 实验步骤及实验数据处理

散体属于一种颗粒的集合体，在堆积过程中，颗粒间的相互作用，使散体之间形成了比较稳定的结构，使散体保持一定的形状（见图1）。散体堆积体在堆积稳定后，两边与水平地面会形成一定的坡度，无论堆积体高度如何变化，该坡度不会超过某一极限角度，此极限角度βc即为散体的自然安息角。

很多专家学者对自然安息角都有一定的见解，对自然安息角展开的研究也各不相同。综合发现，在自然的堆积状态下，堆积体的坡面与水平方向所能形成的最大的角度，且随着堆积体高度的变化，该角度不发生改变，称为自然安息角。安息角的测量方法和装置有很多，例如，圆筒式测定装置、旋转式测定装置、载压式测定装置、塌落式测定装置和圆盘式测定装置等方法。综合考虑，本文采用了圆筒式测定装置进行实验（如图2）。

使用破碎机将大的煤块破碎成小的煤块，使用不同粒径的筛子将已破碎好的煤块逐一进行筛选，最后筛出2mm、6mm、10mm和20mm粒径的煤散体。将已经准备好的圆筒放在桌面上。将粒经为2mm煤散体装入圆筒中，待装满整个圆筒后，缓慢向上移动圆筒，使煤散体自然下落堆积成稳定结构，待煤散体堆积稳定后，用尺子测量底边长l和高h，每组测量3次，最终结果取平均值。按照粒径从小到大的顺序，逐一进行实验。同样的方法制备粒径为20mm、60mm的岩石散体。记录好数据。用公式（1）计算自然安息角的大小。实验照片如图3，测量结果如表1、表2。

如表1煤散体自然安息角和图4粒径与安息角曲线图可知，煤散体安息角随着粒径的不断增大而呈现出变小的趋势，变化速率先变大后变小。由表2可知，岩石散体自然安息角也随着岩石粒径的变大而变小，但是变化的速率没有煤散体的变化速率大。

2 结论

通过公式（1）计算对比可知，相同的材料在粒径不同时，粒径小的自然安息角反而大，变化速率呈先变大后变小的趋势，岩石散体的内摩擦角变化速率比煤散体的要大。可能的原因为粒径尺度差距比较大，致使粒径小的围岩垮落体内部空隙率更小，颗粒间摩擦接触面大，则自然安息角相对较大。

通过对煤、岩石散体的自然安息角的研究分析，发现了自然安息角受粒径变化的变化。掌握了实验规律，当发生矿山事故时，利用所掌握的实验规律，能够在快速开挖救援通道时起到关键作用。

参考文献：

[1]陈宝智.安全原理[M].北京：冶金工业出版社，2004：63.

[2]郝传波，于会军，张国华，蒲文龙.井下断层地质破碎带巷道垮落体力学特性[J].黑龙江科技大学学报，2016，26（7）：351-352.

[3]贾旭光，陈曦，李鑫.不同粒度和堆载形态下散体瞬时自然安息角的实验研究[J].现代矿业，2015，549（1）：25-27.

[4]李昌宁.矿岩散体的非均匀度与放出安息角关系的研究[J].矿业研究与开发，2002，22（2）：11-14.

[5]马占国，郭广礼，陈荣华，茅献彪.饱和破碎岩石压实变形特性的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（7）：1139-1144.