韓 森，許石青，楊 宇，卯 松

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

煤巖物理力學(xué)性質(zhì)是認(rèn)知煤巖或煤巖體基本構(gòu)成和基本分類的重要內(nèi)容，通過實(shí)驗(yàn)了解煤巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)，為采礦、隧道、巖土工程相關(guān)物理試驗(yàn)、相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算提供了重要依據(jù)。煤巖視密度是煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)中的重要參數(shù)之一，其是指單位體積煤巖(含孔隙)的質(zhì)量。通過視密度的測(cè)定可以計(jì)算出煤巖體容重，而容重的大小，在一定程度上反映了巖石力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)劣。一般情況下，煤巖容重越大，其力學(xué)性質(zhì)越好，反之，則越差[1]。另外通過測(cè)定煤巖體的干視密度和對(duì)應(yīng)巖粉的真密度，可以計(jì)算出煤巖的總孔隙率，而孔隙率大小同樣能反映煤巖的力學(xué)性能。因此，通過對(duì)煤巖體視密度的測(cè)定，可以間接反映煤巖體的力學(xué)性質(zhì)，為工程地質(zhì)評(píng)價(jià)和工程建筑物設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持[2]。

1 煤巖體視密度測(cè)定方法

煤巖體視密度的測(cè)定，對(duì)于規(guī)則形狀煤巖試件，利用電子天平稱取其質(zhì)量m/g，通過游標(biāo)卡尺量取其尺寸長(zhǎng)度，計(jì)算出試件體積v/cm3，通過公式ρ=m/v求得其視密度。

而對(duì)于不規(guī)則試件，則通過蠟封法來測(cè)定其視密度。具體步驟如下：①檢查、調(diào)整物理天平處于正常工作狀態(tài)；②利用物理天平稱量試件在空氣中的質(zhì)量g/g；③用絲線縛住試件，并將其置于剛過熔點(diǎn)的石蠟中1～2 s鐘提出，檢查試件上蠟?zāi)び袩o氣泡，若有，可用小電烙鐵或熱針將其刺破，并將孔眼重新涂平，之后在物理天平上稱重得到蠟封后的試件質(zhì)量g1/g；④將臘封后的試件掛在天平鉤上，稱出全浸入水中的質(zhì)量g2/g，注意在稱量過程中試件必須完全沒入水中，且不能碰到杯壁和杯底；⑤將試件從水中取出，擦去表面水分，重新在天平上稱重，以檢查此時(shí)的質(zhì)量與g2有無差別，若兩者重量之差超過0.05 g，說明水已浸入試件，測(cè)定應(yīng)重做；⑥按照式(1)計(jì)算視密度[3-5]。

(1)

其中ρ為試件的試密度，ρN為石蠟的視密度(ρN=890 kg/m3)；ρo為水在室溫下的密度(ρo=1 000 kg/m3)。

由以上視密度測(cè)定方法步驟可以看出，不論是規(guī)則試件還是不規(guī)則試件，要得到其視密度，關(guān)鍵都是求得其體積，而上述兩種方法相對(duì)都比較繁瑣。規(guī)則試件需要進(jìn)行煤巖塊切割加工，再來進(jìn)行尺寸量??；而蠟封法需要利用物理天平，還需要用熔蠟鍋熔解石蠟，并在試件表面涂上蠟?zāi)ぁ?/p>

考慮到蠟封法通過石蠟封住試件表面孔隙，在進(jìn)行試件水中稱重時(shí)用來隔離水，而液體石蠟具有無色、透明、無毒、不易揮發(fā)、密度較小且穩(wěn)定，粘度低、不溶于水、非極性、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)[6]，因此用液體石蠟代替水，通過排水法來測(cè)定煤巖體的體積，進(jìn)而得到煤巖體視密度。具體步驟：①用電子天平稱取煤巖塊的質(zhì)量m。②在量筒里倒入一定量的液體石蠟，記錄初始液面刻度v1，將煤巖塊沿量筒壁緩慢滑下，確保試件全部沒入液體石蠟中，讀取液面刻度v2。則可通過式ρ=m/(v2-v1)得到試件的視密度。

2 簡(jiǎn)易方法準(zhǔn)確性分析

為了驗(yàn)證視密度簡(jiǎn)易測(cè)定方法準(zhǔn)確性，考慮與傳統(tǒng)蠟封法作比較試驗(yàn)。取8組煤巖樣(如圖1)，每組6塊，前3塊用蠟封法測(cè)定其視密度(如圖2)，而后3塊用簡(jiǎn)易方法測(cè)定其視密度(如圖3)，分別求出平均視密度，如表1和表2。

圖1 煤巖試樣

圖2 蠟封法測(cè)視密度

圖3 簡(jiǎn)易方法測(cè)試密度

表1 蠟封法測(cè)視密度

續(xù)表

表2 巖石視密度簡(jiǎn)易測(cè)定記錄表

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)蠟封法和視密度簡(jiǎn)易測(cè)定方法得到的兩組視密度數(shù)據(jù)繪制柱狀圖，如圖4所示。

圖4 兩方法視密度對(duì)比柱狀圖

根據(jù)圖4，兩種方法測(cè)得煤巖體視密度大小基本一致，只有煤3差別較大，究其原因，可能是煤3試件本身均質(zhì)性較差，導(dǎo)致最終結(jié)果差別較大。為了對(duì)兩組數(shù)據(jù)的差異性進(jìn)行分析，利用SPSS進(jìn)行了兩組數(shù)據(jù)T檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表3和表4。

表3 組統(tǒng)計(jì)表

表4 獨(dú)立樣本檢驗(yàn)表

通過T-檢驗(yàn)，蠟封法和試密度簡(jiǎn)易測(cè)定方法測(cè)得的均值分別為1 628.59 kg/m3和1 587.63 kg/m3，sig=0.865>0.05，說明通過簡(jiǎn)易方法得出煤巖樣的試密度和蠟封法測(cè)定的沒有明顯差異，簡(jiǎn)易方法可以用于煤巖視密度的快速測(cè)定。

4 結(jié) 語

將煤巖試件放入盛有液體石蠟的量筒中，利用量筒液面的上升，讀出試件的體積，能快速得到煤巖試件的視密度。此方法可用于不滿足蠟封法實(shí)驗(yàn)條件但需要快速準(zhǔn)確得到煤巖視密度的情況。