楊理強(qiáng)，王 永，周言安，涂 輝，周小雨，韓云春

(1.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001；2.煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心，安徽 淮南 232001；3.深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤與瓦斯突出是煤礦安全生產(chǎn)的主要問題，相似模擬試驗(yàn)是研究煤與瓦斯突出的有效手段[1-3]，而相似材料是決定煤與瓦斯突出相似模擬試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵因素[4]。含瓦斯煤相似材料如何選取、配比和制作對(duì)研究煤與瓦斯突出具有重要影響。

1 含瓦斯煤相似材料制備

1.1 含瓦斯煤相似材料選擇

根據(jù)相似理論，首先考慮相似材料的容重與原煤容重的相似性，可簡(jiǎn)化模型與實(shí)際工程物理參數(shù)之間的換算，并且可以更好地體現(xiàn)自重應(yīng)力場(chǎng)的影響，因此選擇材料時(shí)傾向于選擇與原煤重度相當(dāng)?shù)牟牧希⑶颐壕哂形浇馕咚沟奶厥庑再|(zhì)，因此選用一定粒度的煤粉作為基本骨料[5]。其次，選擇粘結(jié)劑時(shí)，需考慮在保證型煤強(qiáng)度的同時(shí)，不影響相似材料的吸附性能[6]。將腐植酸鈉作為膠結(jié)劑，由于是從風(fēng)化煤中萃取而來，是一種水溶性的粘結(jié)劑，對(duì)煤具有較好的親和力，能很好地濕潤(rùn)煤的表面，甚至能滲入煤的微孔結(jié)構(gòu)中。成型時(shí)，在外壓力的作用下，這種粘結(jié)劑能將煤粒很好地粘結(jié)在一起，使煤球具有一定的初強(qiáng)度。干燥時(shí)，隨著型煤水分的蒸發(fā)，腐植酸鈉溶液不斷濃縮，最后收縮固化，使煤粒相結(jié)合的分子間力得以加強(qiáng)，從而將煤緊緊地粘結(jié)在一起，并且在高溫環(huán)境中不會(huì)產(chǎn)生爆裂、塌陷等狀況，是一種理想的膠結(jié)劑，該膠結(jié)劑對(duì)型煤強(qiáng)度起總體控制作用[7]。

1.2 相似材料制備工藝

基本參數(shù)：為配制方便，煤粉粒度分布選用固定比例[8-9]。采用水作為膠結(jié)劑溶劑時(shí)，水分蒸發(fā)緩慢，考慮到干燥的原因，成型水分選用固定比例即8%。煤粉粒度分布見表1。原煤取自朱集礦1122(1)采煤工作面11-2煤，標(biāo)高-957.27 m。為測(cè)試型煤強(qiáng)度，制作多個(gè)試件，尺寸為50 mm×100 mm。

表1 煤粉粒徑分布

配制過程：將煤粉粉碎并用標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)篩取，按預(yù)定粒度分布混合均勻；嚴(yán)格按照比例稱取骨料和膠結(jié)劑，按比例量取水；將膠結(jié)劑溶于水，溶解充分后倒入骨料攪拌；將攪拌好的相似材料裝入模具按預(yù)定壓力壓實(shí)。穩(wěn)壓十分鐘；脫模，貼標(biāo)簽，養(yǎng)護(hù)。

2 參數(shù)測(cè)試

2.1 基本物理參數(shù)測(cè)試

試件密度容重：重點(diǎn)考察容重γ、孔隙率φ和吸附解析曲線3個(gè)類型參數(shù)。材料干燥后先稱量試件質(zhì)量，測(cè)量直徑和高度，計(jì)算出體積和容重γ。不同成型壓力下試件容重見表2。

煤的孔隙率：①溶劑量即用水量占8%的煤粉質(zhì)量，在成型壓力較大的情況下，材料相對(duì)密實(shí)，不利于試件干燥。室溫下不同成型壓力試件干燥曲線表明，前3 d試件干燥速度較快，之后逐漸變慢。不同成型壓力制作的試件干燥時(shí)間不同，成型壓力越大，試件干燥越緩慢，這是由于成型壓力越大導(dǎo)致試件更加密實(shí)的緣故。所有試件都能在7 d內(nèi)完全干燥。試驗(yàn)還表明，高溫烘烤雖可使試件快速干燥，但強(qiáng)度較自然干燥明顯偏大，過程不可控。②煤的孔隙率可以通過實(shí)測(cè)煤的真密度和視密度來確定，不同單位煤的孔隙率與煤的真密度、視密度存在數(shù)學(xué)關(guān)系[4]。試件真密度通過5E全自動(dòng)工業(yè)分析儀測(cè)試，依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》、GB/T 217—2008《煤的真相對(duì)密度測(cè)定方法》。通過公式即可計(jì)算相似材料的孔隙率，見表3。

吸附解吸性能：試驗(yàn)采用高壓容量法測(cè)定樣品的吸附解吸性質(zhì)[10]，如圖1所示。工業(yè)分析與吸附解析測(cè)試結(jié)果表明，相似材料煤樣水分為4.52%，略高于原煤煤樣水分4.09%。相似材料煤樣的灰分為15.52%與原煤煤樣的灰分15.36%十分接近，相似材料煤樣的揮發(fā)分為31.24%與原煤揮發(fā)分31.17%十分接近。

圖1 30 ℃吸附等溫線

2.2 基本力學(xué)參數(shù)測(cè)試

力學(xué)參數(shù)測(cè)試包括測(cè)定材料的單軸抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E、泊松比μ、單軸抗拉強(qiáng)度σt、粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。單軸抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E和泊松比μ測(cè)試。試驗(yàn)在WDW-500微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，相似材料穩(wěn)定性很好，相同配比的3個(gè)試件單軸抗壓強(qiáng)度非常接近(圖2)。相似材料的抗壓強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的范圍很大，不同配比的強(qiáng)度變化范圍可達(dá)0.2～3.2 MPa，可用來模擬不同強(qiáng)度的原煤。

圖2 同種配比3個(gè)試件應(yīng)力應(yīng)變曲線擬合

單軸抗拉強(qiáng)度σt測(cè)試。由于相似材料強(qiáng)度較低，故采用巴西劈裂試驗(yàn)間接的測(cè)試相似材料的抗拉強(qiáng)度。采用直徑50 mm，高度40 mm的圓形試件和特制的試驗(yàn)?zāi)＞哌M(jìn)行測(cè)試；內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c測(cè)試。采用ZJ-4A型應(yīng)變控制式直剪儀對(duì)相似材料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行測(cè)試。原煤和部分配比試件的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角的值見表4。

表4 部分試件參數(shù)表

2.3 相似材料配比結(jié)果

根據(jù)煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)對(duì)相似材料物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的要求，通過研制成果選定了試驗(yàn)所用的材料配比，見表5和表6。由配比試驗(yàn)可以得出，以腐植酸鈉溶液作為新型型煤膠結(jié)劑具有型煤抗壓強(qiáng)度高不影響材料吸附性質(zhì)等多種優(yōu)點(diǎn)。新材料的抗壓強(qiáng)度為0.5～3.0 MPa，并且強(qiáng)度調(diào)節(jié)方便，可以覆蓋不同強(qiáng)度的煤體。材料吸附性不受膠結(jié)劑的影響，與原煤吸附性基本一致。

表5 含瓦斯煤試件相似材料配比

表6 含瓦斯煤試件相似材料物理參數(shù)

3 結(jié)語

經(jīng)過試件材料的物理力學(xué)和吸附-解析性能測(cè)試，考察其與突出煤層的相似性。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可以確定含瓦斯煤相似材料的配方和強(qiáng)度范圍，并得出了以腐植酸鈉溶液作為含瓦斯煤膠結(jié)劑的型煤配置制備工藝。