高華禮，孫海濤，戴林超，何明川，朱墨然

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出災(zāi)害是影響我國煤炭資源開采的主要難題，但其發(fā)生機制十分復(fù)雜，目前還沒有對煤與瓦斯突出機制和規(guī)律的科學(xué)解釋[1]。煤與瓦斯突出模擬實驗是一種研究煤與瓦斯突出的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律的有效方法，而相似材料是進行煤與瓦斯突出模擬實驗的重要因素，決定著模擬實驗的還原相似性[2]。

在煤體相似材料的研制方面：Young B[3]、Kaliyan Nalladurai[4]等通過對相似材料強度的試驗研究與總結(jié)，指出影響相似材料強度的因素有原料組成、含水率、顆粒大小、成型溫度、黏結(jié)劑、成型壓力等；田斌[5]、蘇小鵬[6]等研究了煤粉粒徑對相似材料強度的影響，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的粒度配比情況是小粒徑煤粉能完全充填大粒徑煤粉之間的孔隙；許江等[7]以水泥為黏結(jié)劑研究了不同黏結(jié)劑質(zhì)量占比條件下相似材料的力學(xué)及滲透性特征，指出黏結(jié)劑質(zhì)量配比為煤粉∶水泥∶水=0.8∶0.2∶0.1的型煤在力學(xué)和滲透特征方面與原煤最為接近；王漢鵬等[8]選擇腐殖酸為黏結(jié)劑制成的相似材料在吸附性方面與原煤一致，但強度較低。而水作為突出煤相似材料成型的必要條件，能與黏結(jié)劑發(fā)生水化反應(yīng)，選用不同黏結(jié)劑制作突出煤相似材料的需水量不同?；谏鲜龇治?，筆者在不同含水率及成型壓力條件下制作突出煤相似材料，探究以水泥作為黏結(jié)劑時，水分對其力學(xué)性能和瓦斯解吸性能的影響規(guī)律。

1 突出煤相似材料研制

1.1 原料的選擇

在煤與瓦斯突出模擬實驗中，相似材料在滿足物理力學(xué)特性相似的同時，還要滿足吸附、解吸特性。本次實驗采用的原料為黏結(jié)劑、骨料、水。有研究表明：用單純煤粉壓制成的型煤強度極低，為配制出強度較高且調(diào)節(jié)范圍較大的型煤，必須添加黏結(jié)劑。常用的黏結(jié)劑有腐殖酸鈉、石膏及水泥等[9]。腐殖酸鈉是煤的提取物，本身具有吸附特性，但配制出的型煤強度偏低；石膏對型煤強度的影響幅度較??；水泥對型煤強度的影響較大，能以較小添加比例獲得較大的型煤強度，且對瓦斯放散初速度方面的影響較小[10]。

突出模擬實驗相似材料一般選用煤粉作為骨料，煤粉與原煤的物理性質(zhì)及吸附、解吸性能接近，能保證相似材料與原煤的相似性[11]。煤粉粒徑對型煤力學(xué)特性影響較大，為克服配制的型煤強度低這一問題并實現(xiàn)配制方便，篩分出粒徑小于0.18 mm和0.18～0.25 mm的煤粉，按質(zhì)量比1∶1均勻混合 2種粒徑煤粉。煤粉取自渝陽煤礦M8煤層，水泥選用市場上購買的P·O52.5普通硅酸鹽水泥，水選用自來水。

1.2 試件的制備

為配制出強度較高且與原煤有較高相似度的突出煤相似材料，煤粉與水泥采用固定比例，即煤粉與水泥質(zhì)量比為8∶2。相似材料的含水率設(shè)計5個水平：12%、14%、16%、18%、20%；成型壓力設(shè)計4個水平：10、15、20、25 MPa。每個水平2個試件，共16個試件。各試件的配比方案與成型壓力如表1所示。

表1 各試件的配比方案及成型壓力

將煤樣破碎后篩分出不同粒徑的煤粉，將相應(yīng)的煤粉和黏結(jié)劑均勻混合后加入不同質(zhì)量的水并攪拌均勻，然后向相似材料壓制模具中裝入適量攪拌均勻的煤粉、水泥、水混合物。采用TAW-2000微型控制電液伺服巖石三軸試驗機，以500 N/s的加載速率加載到成型壓力后保壓15 min，最后脫模、貼標簽并自然養(yǎng)護15 d后放入烘干箱烘干6 h。

2 實驗結(jié)果及分析

將烘干的試件稱重后，利用TAW-2000微型控制電液伺服巖石三軸試驗機測試型煤試件的單軸抗壓強度，加載方式采用位移控制，加載速率為0.48 mm/min，直到試件破壞。典型試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 典型試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線

測試出的各試件物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 各試件物理力學(xué)參數(shù)

2.1 突出煤相似材料單軸抗壓強度特性分析

水泥與煤粉加水拌和后，硅酸鹽水泥與一部分水接觸發(fā)生水解和水化作用、離子交換和團?；饔?以及硬凝反應(yīng)，且水泥的水化硬化是一個較長時期不斷進行的過程，所以制作的相似材料的強度在15 d內(nèi)變化會較大。另一部分水以自由狀態(tài)存于煤體孔隙、裂隙中[12]。

由表2可知，在本次實驗的相似材料配制過程中通過改變含水率和成型壓力使型煤強度在5.13～8.99 MPa內(nèi)波動。每組求其平均值得到突出煤相似材料單軸抗壓強度與含水率之間的關(guān)系如圖2所示，以及突出煤相似材料單軸抗壓強度與成型壓力之間的關(guān)系如圖3所示。

圖2 單軸抗壓強度與含水率的關(guān)系

圖3 單軸抗壓強度與成型壓力的關(guān)系

從圖2中可以看出：含水率在12%～16%時，材料的單軸抗壓強度隨含水率的增加而增大；當含水率超過16%時，單軸抗壓強度反而隨含水率的增加而減小。這是由于在突出型煤壓制過程中相似材料的含水率超過16%后，水會沿著磨具底部的縫隙和上部的壁間間隙溢出，且水分溢出量會隨著水分比例的增加而增加。水、水泥、煤粉已混合均勻，水的溢出會帶著水泥和煤粉流失，水泥的流失導(dǎo)致了突出型煤強度降低。水的溢出量越大，突出型煤強度越低。

由表1與圖3可知，在含水率為20%時，材料的單軸抗壓強度隨成型壓力的增大而增大。這是由于成型壓力決定了整個試件的壓實程度，成型壓力越大突出型煤的密實度越高。含水率20%的型煤壓制過程中，通過裝入磨具煤粉質(zhì)量與脫模后質(zhì)量之差，發(fā)現(xiàn)水分的溢出量隨成型壓力的增大而增大，說明成型壓力對突出型煤的脫模時含水率有影響。成型壓力越小，型煤成型后含水率越大，型煤烘干后的孔隙率越大，導(dǎo)致了型煤單軸抗壓強度越低。

2.2 突出煤相似材料吸附解吸特征分析

水分子在煤體內(nèi)存在2種形式：水分子以分子層的形式吸附在煤的孔隙內(nèi)，這些水分子層與煤的表面緊密聯(lián)系；水分子以自由狀態(tài)存在于煤體孔隙、裂隙中[13]。水分子進入煤體孔、裂隙后，存在4種分布狀態(tài)[14-15]，如圖4所示。狀態(tài)a為少量水進入煤體，此時水分子對孔壁的吸附能力大于甲烷，部分甲烷吸附位被水分子代替，減小了孔徑和裂隙尺寸，減少了瓦斯運移通道；狀態(tài)b為隨著水分增加，甲烷吸附位進一步被水分子占據(jù)，在孔、裂隙表面形成一層單分子的水分子吸附薄膜；狀態(tài)c為水分進一步增加，完全充滿孔隙容積，與孔隙內(nèi)甲烷形成一個凹形接觸面，進而對甲烷產(chǎn)生毛細壓力p1，孔、裂隙內(nèi)封堵的甲烷形成的孔隙壓力p2與p1和外界的p3達到一種動態(tài)的平衡，即p2=p1+p3；狀態(tài)d為當外界的壓力p3突然降低，壓力平衡狀態(tài)發(fā)生改變，p2>p1，甲烷開始解吸，此時水分子的封堵作用會降低甲烷解吸強度。

1—煤；2—吸附狀態(tài)水；3—自由狀態(tài)水；

采用WFC-2型瓦斯放散初速度指標自動測定儀測定不同含水率相似材料的CO2、CH4放散初速度，測定結(jié)果見圖5。對不同含水率條件下制作出的型煤，其CO2、CH4放散初速度隨著含水率的增加而減小。這是由于水對孔壁的吸附能力大于甲烷，隨著含水率的增加，水分子占用了大量的孔壁的吸附表面積，且水分子充滿相似材料的孔、裂隙，減小了裂隙尺寸，使CO2、CH4的運移通道減小，降低了其放散初速度。相同條件下相似材料對CO2的吸附能力大于CH4，與原煤的性質(zhì)一致。

圖5 放散初速度變化曲線

3 結(jié)論

1)在成型壓力25 MPa、黏結(jié)劑為相同質(zhì)量水泥時，隨著相似材料含水率的增加，配制出的型煤單軸抗壓強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，含水率在16%時強度達到最大值。含水率超過16%時，在型煤壓制過程中，多余水分的溢出帶著水泥和煤粉的流失，導(dǎo)致了突出型煤強度的降低。

2)相似材料的含水率在20%時，成型壓力通過改變突出煤相似材料的密實度及成型后含水率，影響了烘干后相似材料的單軸抗壓強度。成型壓力越大，突出煤相似材料成型后密實度越大、含水率越低，單軸抗壓強度越大。

3)水分子主要作用于煤體微小孔、裂隙，引起“水鎖效應(yīng)”，降低相似材料的吸附解吸強度；CO2、CH4放散初速度隨含水率的增加而減小，且相同配比下突出煤相似材料對CO2的吸附能力大于CH4。