＊呂鑫磊 馮慧娟 魏亞雄

（1.山西地寶能源有限公司 山西 030045 2.山西地寶煤炭綜合檢測中心有限公司 山西 030045）

前言

隨著煤礦開采規(guī)模的不斷提升、開采深度的增加，井下地質(zhì)條件復(fù)雜多變。在日常的采掘過程中，經(jīng)常受到巷道冒頂、煤巖體片幫、工作面冒頂、透水等問題的困擾，嚴(yán)重影響了煤礦的生產(chǎn)安全[1-3]。反應(yīng)型高分子材料可以快速地加固圍巖、堵塞裂縫匝道，增加煤巖體圍巖本體的力學(xué)性能，如結(jié)構(gòu)承載力、剪切力、防滲漏性等，防止煤礦井下冒頂、片幫、透水、漏風(fēng)等事故隱患，提高煤炭開采的安全性、可靠性和工作效率[4-7]。

煤礦用反應(yīng)型高分子材料一般由主料（A料）與催化劑（B料）組成，雙組分混合后反應(yīng)固化，形成具有一定強(qiáng)度及黏附力的成型材料。雙組份混合反應(yīng)通常比較劇烈，放出大量熱。這些熱量不僅可能引起材料自身燃燒，同時可能會升高煤巖體的溫度，增加了礦井火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險[8-10]。2020年5月20日，國家煤礦安監(jiān)局印發(fā)了《煤礦井下反應(yīng)型高分子材料安全管理辦法（試行）》，該辦法明確規(guī)定入庫前和入井使用前必須按照標(biāo)準(zhǔn)對高分子材料的最高反應(yīng)溫度進(jìn)行檢測[8]。根據(jù)AQ 1116—2020《煤礦加固、堵水、充填和噴涂用高分子材料通用安全技術(shù)規(guī)范》，煤礦反應(yīng)型高分子材料最高反應(yīng)溫度的測定過程包括：將總體積為200mL的測試樣品攪拌充分后倒入直徑50mm的圓柱形容器中，使用電子溫度計插入試樣中心處，判斷最高反應(yīng)溫度[9]。在實際指向中最高反應(yīng)溫度測試和讀數(shù)通常逐個進(jìn)行、人工判斷，自動化程度低，所以工作效率很低[11-12]。

筆者研發(fā)了一種煤礦反應(yīng)型高分子材料最高反應(yīng)溫度自動測定裝置，該裝置可同時實現(xiàn)3個測試樣品反應(yīng)溫度實時監(jiān)測，并自動判斷出最高反應(yīng)溫度，自動讀數(shù)。為保證檢測結(jié)果的可靠性和有效性，選取5種典型的反應(yīng)型高分子材料，分別進(jìn)行裝置自動測試和人工測試，使用F檢驗和t檢驗對測試數(shù)據(jù)的精密度和平均值進(jìn)行顯著性驗證，對比結(jié)果分析自動測定方法和裝置的可靠性。

1.煤礦反應(yīng)型高分子材料最高反應(yīng)溫度自動測定裝置

該自動測定裝置主要由樣品反應(yīng)裝置、樣品恒溫恒濕箱、鉑電阻溫度計、溫度采集裝置和計算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)五部分組成；樣品反應(yīng)裝置可將鉑電阻溫度計置于試樣中心處；樣品恒溫恒濕箱可確保高分子材料的A、B料和反應(yīng)過程在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件：溫度（23±2）℃，相對濕度（50±5）%下完成；溫度采集裝置可實現(xiàn)3個測試樣品反應(yīng)溫度的實時采集；計算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可自動判斷出試驗終點(diǎn)和結(jié)果。煤礦反應(yīng)型高分子材料最高反應(yīng)溫度自動測定裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 煤礦反應(yīng)型高分子材料最高反應(yīng)溫度自動測定裝置結(jié)構(gòu)示意圖

樣品反應(yīng)裝置由樣品架和反應(yīng)容器組成，反應(yīng)容器為直徑50mm、高102mm的鋁制圓柱形容器，樣品架可同時放置3個反應(yīng)容器；樣品恒溫恒濕箱可將樣品測定環(huán)境控制在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件：溫度（23±2）℃，相對濕度（50±5）%；裝置所使用鉑電阻溫度計最大量程200℃，精度0.01℃；溫度采集裝置包括3個接口，可實現(xiàn)對3個鉑電阻溫度計檢測數(shù)據(jù)的實時采集；計算機(jī)可實時繪制3個樣品反應(yīng)過程中溫度隨時間變化曲線，并自動判斷試驗終點(diǎn)，直接給出高分子材料的最高反應(yīng)溫度，如3個樣品最高反應(yīng)溫度的允許偏差大于10%，直接提示試驗作廢。

2.高分子材料反應(yīng)溫度測定

煤礦加固用高分子材料選用硅酸鹽改性聚氨酯材料（JG PU·SixOy）,堵水用高分子材料選用聚氨酯材料（DS PU），充填密閉用高分子材料選用酚醛樹脂發(fā)泡材料（CT PF），噴涂堵漏風(fēng)用高分子材料選用硅酸鹽改性聚氨酯材料（非泡沫）（PT PU·SixOy(NF)。

溫度人工測試采用JM222型點(diǎn)溫度計，材料混合采用ZLD-500型攪拌機(jī)。

按體積比1:1，使用量筒分別量取100mL已恒溫至20℃的高分子材料的A、B料，在攪拌機(jī)下攪拌15～30s后，倒入反應(yīng)容器中，在恒溫恒濕箱內(nèi)插入溫度計，記錄反應(yīng)溫度。

3.結(jié)果與討論

(1)最高反應(yīng)溫度

兩種方法得出的不同材料最高反應(yīng)溫度結(jié)果如表1、表2。

表1 自動法不同材料的最高反應(yīng)溫度

表2 人工法不同材料的最高反應(yīng)溫度

可以看出：四種材料自動測試的極差Ri均大于人工測試的極差Rj，說明自動測試方法的結(jié)果波動小于人工測試方法，結(jié)果精密度較好。

(2)結(jié)果F檢驗

F檢驗法是通過比較兩種方法測定同一材料最高反應(yīng)溫度結(jié)果的方差比值F=S2j/S2i與F1-a(n-1,n-a)的大小，來確定兩組數(shù)據(jù)的精密度是否存在顯著性差異。方差計算公式如下[11-14]：

顯著性水平α=0.05，自由度n-1=2，查F分布分位數(shù)表得出t1-0.05(2.2)=19.0，兩種方法測定不同材料的最高反應(yīng)溫度F檢驗結(jié)果見表3。

表3 兩種方法不同材料的最高反應(yīng)溫度F檢驗結(jié)果

由表3可知，兩種方法對加固、堵水、充填和噴涂4種不同材料的最高反應(yīng)溫度F值均小于t1-0.05(2.2)=19.0，說明兩種方法測定煤礦反應(yīng)型高分子材料最高反應(yīng)溫度的精密度不存在顯著性差異，隨機(jī)誤差均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且在可控范圍內(nèi)。

(3)結(jié)果t檢驗

由于兩種方法測定同一材料最高反應(yīng)溫度結(jié)果屬于獨(dú)立樣本的雙總體t檢驗，先求出其聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)差S，計算公式如下[16-19]：

顯著性水平α=0.05，自由度2n-2=4，查t分布分位數(shù)表得出t1-0.05/2(4)=2.776，兩種方法測定不同材料的最高反應(yīng)溫度t檢驗結(jié)果見表4。

表4 兩種方法不同材料的最高反應(yīng)溫度t檢驗結(jié)果

由表4可知，兩種方法對加固、堵水、充填和噴涂4種不同材料的最高反應(yīng)溫度t檢驗的t值均小于t1-0.05/2(4)=2.776，說明兩種方法測定得到的煤礦反應(yīng)型高分子材料最高反應(yīng)溫度的平均值不存在顯著性差異，系統(tǒng)誤差均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

F檢驗和t檢驗法結(jié)果顯示，與人工測定反應(yīng)溫度相同，溫度自動測試裝置對煤礦反應(yīng)型高分子材料最高反應(yīng)溫度檢測結(jié)果的精密度和平均值均不存在顯著性差異，滿足要求，說明該裝置可用于煤礦加固、堵水、充填和噴涂用高分子材料最高反應(yīng)溫度的測定。

4.結(jié)論

對比了自動測定裝置和人工測試四種高分子材料的最高反應(yīng)溫度，并就測試結(jié)果開展了F檢驗和t檢驗，結(jié)果表明：最高反應(yīng)溫度的精密度和正確度均不存在顯著性差異，所以結(jié)果可靠，滿足要求。同時該自動測定裝置符合AQ 1116中的相關(guān)技術(shù)要求，可同時對3個樣品進(jìn)行測定，具有自動化程度高、可直接判斷結(jié)果等優(yōu)點(diǎn)。