戴林超

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出相似模擬實(shí)驗是研究煤與瓦斯突出機(jī)理的有效手段之一[1]。目前多采用型煤代替原煤進(jìn)行相似模擬實(shí)驗，為了保證高相似還原突出現(xiàn)象，就必須保證型煤與原煤在物理力學(xué)性能各方面保持一致[2]。因此，深入研究突出型煤配比及制作工藝，對于突出相似材料的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

型煤是以骨料、黏結(jié)劑和水為原料，混合后在一定成型壓力下壓制成具有一定強(qiáng)度、尺寸及形狀各異的煤成品。原料的種類、比例和成型條件對型煤的致密程度、性能穩(wěn)定性有著重要影響，也是型煤力學(xué)特性的主要影響因素[3]。近年來，國內(nèi)學(xué)者對型煤力學(xué)特性進(jìn)行了大量實(shí)驗研究。尹光志[4]、蔡成功[5]等通過原煤和型煤的單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗，得出原煤與型煤在變形特性和抗壓強(qiáng)度方面的變化規(guī)律是相同的，可用型煤替代原煤進(jìn)行力學(xué)特征的一般性規(guī)律探討；鄧加耀[6]、張淑同[7]、楊宏民[8]等研究指出，原料組成、粒徑配比、含水率、黏結(jié)劑及成型工藝是影響型煤強(qiáng)度的主要因素；李寶富等[9]利用正交配比試驗研究了如何用碳酸鈣、石膏、河砂配制滿足煤巖體力學(xué)性質(zhì)的低強(qiáng)度相似材料；康向濤[10]、楊洪增[11]等研究發(fā)現(xiàn)，以煤粉、河砂、石膏、水泥為原料制備的相似材料與原煤的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律較為接近。研究表明：在一定的冷壓成型條件下，型煤的力學(xué)特性與骨料粒徑、黏結(jié)劑比例、水分高低和成型條件等存在較大關(guān)聯(lián)[9,12-13]。因此，筆者以煤粉、黏結(jié)劑和水為原料，研究型煤骨料、黏結(jié)劑種類、成型壓力對型煤力學(xué)特性的影響，通過正交試驗分析型煤強(qiáng)度的變化，為突出相似材料的配比及制作提供參考依據(jù)。

1 型煤材料及成型壓力對其力學(xué)特性的影響

1.1 骨料選擇

骨料是型煤制作過程中的主體原料，其物理力學(xué)特性和粒徑參數(shù)對型煤的力學(xué)特性影響較大。由于煤粉和原煤具有相近的性質(zhì)，能保證型煤和原煤的相似性，所以型煤的骨料選用煤粉。

煤粉粒徑合理搭配使用能有效充填骨料間的間隙，孫朋[14]研究表明，粒徑小于0.18 mm和0.18～0.38 mm 兩種煤粉按1∶1混合使用時，能有效充填骨料間的間隙。因此，選用渝陽煤礦M8煤層煤粉作為骨料，其中粒徑小于0.18 mm和0.18～0.38 mm兩種煤粉質(zhì)量比為1∶1。

1.2 黏結(jié)劑種類對型煤單軸抗壓強(qiáng)度的影響

目前常用的黏結(jié)劑主要有水泥、石膏、腐植酸鈉等[15]。為探討不同黏結(jié)劑對型煤強(qiáng)度的影響，分別選擇PI42.5高強(qiáng)度硅酸鹽水泥、石膏、腐植酸鈉作為黏結(jié)劑，在成型壓力20 MPa下壓制型煤，并進(jìn)行強(qiáng)度測試。不同黏結(jié)劑及其添加比例對型煤強(qiáng)度的影響如表1和圖1所示。

表1 不同黏結(jié)劑及其添加比例對型煤強(qiáng)度的影響

圖1 黏結(jié)劑種類及其添加比例對型煤強(qiáng)度的影響

由圖1可知，在水分一定的情況下，型煤的單軸抗壓強(qiáng)度隨著黏結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，兩者呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系；水泥作為黏結(jié)劑時其單軸抗壓強(qiáng)度明顯大于其他黏結(jié)劑型煤的強(qiáng)度。因此，為了制作較高強(qiáng)度的型煤，選擇水泥作為黏結(jié)劑。

1.3 成型壓力對型煤單軸抗壓強(qiáng)度的影響

成型壓力是型煤在壓制過程中施加的軸向應(yīng)力，在不同成型壓力下型煤的密實(shí)度和力學(xué)特性也不同[16]。當(dāng)黏結(jié)劑(PI42.5高強(qiáng)度硅酸鹽水泥)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%、水分為15%時，在成型壓力為10、15、20、25 MPa下分別壓制型煤并進(jìn)行強(qiáng)度測試，結(jié)果如圖2所示。

圖2 成型壓力對型煤強(qiáng)度的影響

由圖2可知，在黏結(jié)劑和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的情況下，型煤單軸抗壓強(qiáng)度隨著成型壓力的增大而增大，增長速率在20 MPa前較大，20 MPa后逐漸趨于平緩。因此，成型壓力選擇20 MPa較為合適。

2 型煤正交試驗設(shè)計及配比測試

選取煤粉為骨料，以PI42.5高強(qiáng)度硅酸鹽水泥為黏結(jié)劑。通過控制骨料、黏結(jié)劑和水的比例，使型煤力學(xué)特性存在差異。因此，以煤粉與水泥質(zhì)量比、水灰比(質(zhì)量比，下同)作為正交試驗的2個因素，具體試驗設(shè)計配比方案如表2所示。根據(jù)表2中配比方案，在成型壓力20 MPa下制作型煤試件，型煤試件如圖3所示。采用TAW-2000型三軸試驗機(jī)進(jìn)行試件強(qiáng)度測試，測試結(jié)果見表2。

表2 正交試驗配比方案及測試結(jié)果

圖3 型煤試件

3 煤粉與水泥質(zhì)量比和水灰比對型煤強(qiáng)度的影響

3.1 型煤單軸抗壓強(qiáng)度的影響因素分析

根據(jù)表2數(shù)據(jù)得到水灰比為0.4條件下煤粉與水泥質(zhì)量比對型煤單軸抗壓強(qiáng)度的影響，如圖4所示。煤粉與水泥質(zhì)量比為7∶1條件下水灰比對型煤單軸抗壓強(qiáng)度的影響，如圖5所示。

圖4 水灰比為0.4條件下煤粉與水泥質(zhì)量比對型煤單軸抗壓強(qiáng)度的影響

圖5 煤粉與水泥質(zhì)量比為7∶1條件下水灰比對型煤單軸抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4、圖5可知，型煤的單軸抗壓強(qiáng)度與煤粉與水泥質(zhì)量比、水灰比呈線性關(guān)系。在水灰比一定的情況下，型煤抗壓強(qiáng)度隨著煤粉與水泥質(zhì)量比的增大而減小，煤粉與水泥質(zhì)量比越大，黏結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小，型煤單軸抗壓強(qiáng)度也越?。辉诿悍叟c水泥質(zhì)量比一定的前提下，型煤抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大而增大。水灰比增大，即型煤配比中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，更多的水泥能與水發(fā)生水化反應(yīng)，使水泥能充分發(fā)揮其黏結(jié)性能。

3.2 型煤彈性模量的影響因素分析

根據(jù)表2數(shù)據(jù)得到水灰比為0.4條件下煤粉與水泥質(zhì)量比對型煤彈性模量的影響，如圖6所示。煤粉與水泥質(zhì)量比為7∶1條件下水灰比對型煤彈性模量的影響，如圖7所示。

圖6 水灰比為0.4條件下煤粉與水泥質(zhì)量比對型煤彈性模量的影響

圖7 煤粉與水泥質(zhì)量比為7∶1條件下水灰比對型煤彈性模量的影響

由圖6、圖7可知，型煤彈性模量與水灰比、煤粉與水泥質(zhì)量比也呈線性關(guān)系。在水灰比一定的情況下，型煤彈性模量隨著煤粉與水泥質(zhì)量比的增大而減??；在煤粉與水泥質(zhì)量比一定的前提下，型煤彈性模量隨著水灰比的增大而增大。

3.3 回歸擬合分析

設(shè)煤粉與水泥質(zhì)量比為X1、水灰比為X2、單軸抗壓強(qiáng)度為Y1、彈性模量為Y2，基于MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析，得到回歸方程如下：

Y1=-1.407X1+0.625X2+12.676

(1)

Y2=-134.45X1+51.075X2+1 153.77

(2)

式中：X1為煤粉與水泥質(zhì)量比，X1∈[5,8]；X2為水灰比，X2∈[0.4,2.0]；Y1為型煤單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；Y2為型煤彈性模量，MPa。

根據(jù)式(1)、式(2)進(jìn)行實(shí)驗數(shù)據(jù)擬合相對誤差分析，計算結(jié)果如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)擬合相對誤差計算結(jié)果

由表3可知，型煤單軸抗壓強(qiáng)度的最大相對誤差為2.81%，彈性模量的最大相對誤差為4.87%，兩者均小于5%，表明擬合回歸方程較為準(zhǔn)確。

通過式(1)、式(2)可以在已知煤粉與水泥質(zhì)量比、水灰比的情況下，計算得到所配制型煤的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量。但在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)型煤的力學(xué)特征參數(shù)確定其配比，對式(1)、式(2)進(jìn)行參數(shù)變換，得到關(guān)系式如下：

X1=4.193 7Y1-0.051 4Y2+11.963 6

(3)

X2=11.048 8Y1-0.115 6Y2+6.650 9

(4)

通過式(3)、式(4)，根據(jù)型煤需要的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)，計算出型煤的煤粉與水泥質(zhì)量比、水灰比，從而確定最終的型煤配比方案。

4 結(jié)論

1)在水分和成型壓力一定的情況下，型煤的單軸抗壓強(qiáng)度與黏結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系，且水泥作為黏結(jié)劑的型煤單軸抗壓強(qiáng)度明顯高于其他黏結(jié)劑型煤的單軸抗壓強(qiáng)度。

2)在水和黏結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的情況下，型煤單軸抗壓強(qiáng)度隨成型壓力的增大而增大，且在 20 MPa 前增長速率較大，20 MPa后逐漸趨于平緩。

3)型煤單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量與水灰比、煤粉與水泥質(zhì)量比存在線性關(guān)系，且型煤的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著水灰比的增大而增大，隨著煤粉與水泥質(zhì)量比的增大而減小?；趯?shí)驗數(shù)據(jù)得到型煤強(qiáng)度與型煤配比的關(guān)系，構(gòu)建了型煤配比與強(qiáng)度關(guān)系的多元線性回歸數(shù)學(xué)模型。

4)下一步將主要結(jié)合突出模擬實(shí)驗對得到的突出煤相似材料配比及工藝進(jìn)行應(yīng)用和驗證。