堿性溶液降低煤體沖擊傾向性的實驗研究

夏大平,郭紅玉,羅 源,馬俊強,陳山來,王 振

(1.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室(安徽理工大學),安徽淮南 232001;2.河南理工大學能源科學與工程學院,河南焦作454003;3.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心,河南焦作 454003)

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堿性溶液降低煤體沖擊傾向性的實驗研究

夏大平1,2,3,郭紅玉1,2,3,羅 源2,馬俊強2,陳山來2,王 振2

(1.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室(安徽理工大學),安徽淮南 232001;2.河南理工大學能源科學與工程學院,河南焦作454003;3.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心,河南焦作 454003)

摘 要:利用RMT-150B巖石力學實驗系統對千秋礦原始煤樣、清水浸泡煤樣與堿溶液浸泡煤樣開展實驗研究,分析煤樣彈性能量指數、沖擊能量指數、動態破壞時間和單軸抗壓強度指標的變化趨勢。綜合判斷表明,原始煤樣和清水浸泡煤樣分別為強沖擊性和弱沖擊性,而堿溶液浸泡后其力學強度急劇下降,由脆性向塑性變化趨勢最明顯,變為完全無沖擊性。通過煤樣的工業應用指標、接觸角、浸泡時間/力學強度、堿溶液的濃度和用量等測試,初步分析了堿溶液在煤礦的應用前景,對中低階煤層來說,在煤層注水時加入少許堿性藥品實現物理-化學聯合作用防治沖擊地壓,同時還兼具降塵效應。

關鍵詞:沖擊傾向性;化學反應;堿溶液;力學強度;接觸角;中低階煤

責任編輯:許書閣

夏大平,郭紅玉,羅 源,等.堿性溶液降低煤體沖擊傾向性的實驗研究[J].煤炭學報,2015,40(8):1768-1773.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1399

隨著煤礦開采強度和深度的增加,沖擊地壓危害也日趨嚴重,已成為重要的災害源,嚴重威脅煤礦的安全生產[1-3]。國內外學者對沖擊地壓形成機理和防控措施進行了許多卓有成效的研究,提出了一系列沖擊地壓模型、理論和監測方法[4-7]。目前煤礦沖擊地壓防治措施主要有煤層注水[8]、卸壓鉆孔、開采保護層[9]、頂板斷裂[10]和卸壓爆破等,目的在于破壞煤體完整性,降低其力學強度,此外,還有學者提出采用新型防沖吸能巷道液壓支架進行預防的措施[11]。

但是,現行防治措施也存在一定局限性,比如煤層泄壓鉆孔和新型吸能支架投資大、開采保護層防治周期時間偏長、卸壓爆破啞炮處理困難并存在誘發突出的風險和煤層注水浸潤困難等。因此,探索一種全新的思路來防治煤礦沖擊地壓顯得尤為重要。

由于中低階煤含有大量能與堿溶液發生化學反應的有機物[12-14],與堿溶液作用后煤的物理結構發生顯著變化,導致其力學強度急劇下降,據此提出了堿溶液輔助防治沖擊地壓的方法[15]。本文選擇義馬千秋礦煤樣,對比分析煤樣經清水和堿溶液浸泡后沖擊傾向性指標、工業指標和接觸角等參數的變化趨勢,為堿溶液在防治煤礦沖擊地壓等災害的應用提供實驗支撐。

1 實驗與方法

1.1 煤樣采集

采集沖擊地壓災害嚴重的義馬千秋礦大塊煤樣,現場采樣蠟封后,在實驗室進行工業分析和反射率測試(表1),按照GB/ T 23561.1—2009規定加工成?50 mm×100 mm標準煤樣(圖1)。為了對比堿溶液浸泡、清水浸泡和原始煤樣沖擊傾向性差別,要求實驗煤樣密實程度基本一致,依據聲波速度指標,篩選聲波速度在1 406~1 464 m/ s的煤樣,以降低數據離散程度。

表1　煤樣基礎數據Table 1 Basic data of coal samples

圖1　加工的部分煤樣Fig.1 Part of the coal samples processed

1.2 煤樣制備

從制備煤樣中選取部分做堿溶液浸泡實驗,以便確定合理的堿溶液濃度與浸泡時間,經證實1 mol/ L 的NaOH溶液對煤樣浸泡將很快使其破碎,溶液變黑褐色,煤樣完全失去原有的彈性能和力學強度(圖2)。

實驗選擇堿溶液的濃度要兼顧浸泡時間和浸泡效果。從高濃度的NaOH溶液開始實驗,每次減半,最佳濃度要求是:既不能使NaOH與煤反應太劇烈,這樣有可能使煤樣很短時間被泡碎,甚至成“糊狀”,無法進行沖擊傾向性測試;NaOH濃度又不能太低,這樣煤樣與NaOH反應效果不明顯,無法完成預期目標。要保證在選擇的濃度條件下,堿溶液能充分與煤接觸浸潤,同時還能盡量保持煤芯的完整性,經反復實驗,確定C組煤樣采用0.5 mol/ L的NaOH溶液浸泡7 d,B組煤樣采用清水浸泡7 d,A組煤樣為原始煤樣。

1.3 實驗方法

按照GB/ T 25217.2—2010,采用RMT-150B型巖石力學伺服實驗機,以不同的加載方式和加載速率進行沖擊性指標測試:

(1)彈性能量指數。由于煤樣非均質性強,離散嚴重,加載難以達到試件平均單軸抗壓強度的75%~85%,常發生煤樣沒有來得及卸載就破壞的情形,致使嚴格按照國標進行實驗有一定的難度,參照文獻[16]所述方法,實驗采用以0.15 kN/ s的速度加載到試件平均單軸抗壓強度的75%~85%后,以相同速度卸載,卸載到單軸抗壓強度的1%~5%;然后重新以0.15 kN/ s的加載速度直至破壞。0.1 ms級的計算機數據采集處理系統可以獲得各試件的應力-應變曲線,再由計算機直接積分出彈性應變能值和總應變能值。

(2)沖擊能量指數。以0.006 7 MPa/ s的加載速度對試件進行準靜態加載,用位移傳感器測量試件的軸向變形,直至試件破壞。由計算機數據采集系統記錄貯存,并直接繪出彈性能量指數計算圖,再由計算機直接積分出彈性應變能值和總應變能值。

(3)動態破壞時間。用載荷傳感器測量試件承受的載荷,直至試件破壞,測得的信號通過動態電阻應變儀傳給0.1 ms級的計算機數據采集處理系統,該系統根據測得數據,直接繪出相應的動態破壞時間曲線,并可將曲線圖中最大破壞載荷的關鍵處放大,精確地給出試件的動態破壞時間TD。

(4)單軸抗壓強度。在RMT-150B型巖石力學伺服實驗機上直接測試。

圖2　煤樣在堿溶液作用下的變化過程Fig.2 Change process of coal sample under the action of alkaline solution

2 實驗結果與分析

2.1 實驗測試

(1)聲波測試。

采用UTA-2000A型非金屬超聲監測分析儀,采樣頻率為10 MHz,計時精度為0.1 μs,采用35 kHz的普通型傳感器,試樣與傳感器之間用黃油耦合。A組的平均波速測試結果為1 442.75 m/ s;B組浸泡前的測試結果為1 449.71 m/ s,浸泡后的測試結果為1 300.83 m/ s; C組浸泡前的測試結果為1 438.42 m/ s,浸泡后的測試結果為965.66 m/ s。限于篇幅沒有全部列出每個煤樣測試數據,僅列出每組平均值(下同)。數據表明,堿溶液浸泡煤樣的聲波速度降幅最大,清水浸泡次之,說明堿溶液降低煤樣致密性的效果明顯優于清水。

(2)單軸抗壓強度測試。

A組、B組、C組的單軸平均抗壓強度測試結果分別為25.64,14.75,5.64 MPa。原煤的單軸抗壓強度較大,而經NaOH浸泡過的煤樣明顯比清水浸泡煤樣抗壓強度低,說明堿溶液加劇了煤樣“軟化”過程,其內部物理結構發生改變進而導致力學強度急劇下降。

(3)沖擊能量指數測試。

沖擊能量指數實驗測試結果見表2和圖3,顯然原煤樣的彈性能指標較高,而清水浸泡煤樣沖擊能居中,經NaOH處理后的煤樣,沖擊能指標最小。

表2　沖擊能量指數測試結果Table 2 Test results of impact energy index

注:—表示煤樣被直接壓碎,無法得到沖擊能量指數。

(4)彈性能指標測試。

彈性能指標測試結果見表3和圖4,原煤樣彈性能指標達到7.1,而清水浸泡煤樣,彈性能指標為2.8,而經NaOH浸泡后的煤樣,彈性能指標為1.65,幾乎喪失其彈性。

(5)動態破壞時間測試。

3組煤樣的動態破壞時間TD測試結果見表4,原煤的動態破壞時間較小,能量瞬間釋放,沖擊傾向性比較強;而清水浸泡煤樣的動態破壞時間居中;經NaOH浸泡后,煤樣動態破壞時間與原煤樣相比增加了近8倍,能量釋放有了一個較大緩沖時間,沖擊強度顯著降低。

2.2 實驗結果分析

按照GB/ T 25217.2—2010附表A.1對A,B和C三組煤樣的沖擊傾向性強弱進行綜合判斷,結果見表5。顯然原煤樣經清水和堿溶液浸泡后,沖擊傾向性從強沖擊變為弱沖擊和無沖擊。

圖3　煤樣沖擊能曲線對比Fig.3 Impact energy curve comparison of samples

表3　彈性能指標測試結果Table 3 Test results of elastic energy index

圖4　煤樣彈性能曲線對比Fig.4 Elastic energy curve comparison of samples

表4　動態破壞時間測試結果Table 4 Results of dynamic destruction time

3 堿溶液與煤作用的多重效應分析

3.1 堿溶液對煤工業指標的影響

通過上述沖擊傾向性對比實驗可以看出,堿溶液降低沖擊地壓效果比單純注清水有明顯的優勢。同時,堿溶液也是改善煤工業指標的常用藥劑,在脫灰和脫硫等方面應用由來已久[17-18]。分別取C1,C2, C3經NaOH浸泡煤樣,在空干基下進行工業分析,結果見表6,與表1對比表明,NaOH浸泡煤樣工業指標中揮發分較原煤的40.01%有明顯降低,原因是浸出液含有大量的有機物組分而導致殘煤的揮發分降低,但灰分與原煤的10.31%差別不大,因此,對一般的工業應用影響程度有限。

表5　煤樣沖擊傾向性綜合判斷結果Table 5 Outburst-proneness comprehensive results of coal samples

表6　堿溶液浸泡后煤樣的工業分析結果Table 6 Proximate analysis of coal samples soaked in alkaline solution　%

3.2 堿溶液對煤接觸角的影響

采用JC2000B2旋轉滴界面張力/接觸角測量儀,分別測試原煤樣和堿溶液浸泡煤樣的接觸角,結果如圖5所示,煤的接觸角從122.5°降低到91°,降低了25.7%,效果顯著。

圖5　堿溶液浸泡前后接觸角測試Fig.5 Contact angle tests of coal samples before and after soaking in alkaline solution

3.3 堿溶液浸泡時間對煤力學強度的影響

分別用0.5 mol/ L的NaOH溶液浸泡1,3,5, 7 d。在RMT-150B型巖石力學伺服實驗機上采取位移加載,實驗結果如圖6所示,煤樣的抗壓強度分別為18.2,13.7,9.6,6.2 MPa。隨著浸泡時間的增加,煤樣的力學強度逐步降低。

圖6　煤的力學強度與堿溶液浸泡時間的關系Fig.6 Relationship between mechanical strength of coal and alkaline-soaking time

3.4 堿溶液在煤礦中的應用前景分析

由于堿溶液可以顯著降低煤的接觸角,因此煤對堿溶液的浸潤速度比水快,傳統的煤層注水防治沖擊地壓措施中,只需添加少許的堿性藥品,就可以使防治沖擊地壓的效果明顯改善,操作簡單、經濟可行。以義馬千秋礦煤樣為例,實驗證明只需[OH-]大于0.05 mol/ L即可明顯降低煤的沖擊傾向性,噸煤平均消耗NaOH 10 kg左右,增加成本較小。同時,堿溶液降低煤接觸角的優點,可以作為煤礦防塵、隔爆水棚等方面的應用[19]。煤變質程度從低煤階向中煤階轉化時,所含溶于堿的有機物組分逐漸減少,現場應用時適當提高堿溶液的濃度與浸泡時間。

4 結 論

(1)根據動態破壞時間、彈性能量指數、沖擊能量指數和單軸抗壓強度4項指標,分別對原始煤樣、清水浸泡煤樣和NaOH浸泡煤樣進行測試,綜合判斷表明,原始煤樣強沖擊性分別降為弱沖擊和無沖擊性,與傳統的煤層注水相比,堿溶液降低煤的煤層沖擊傾向性優勢更明顯。

(2)堿溶液降低了煤的接觸角說明堿溶液與煤的浸潤速度要優于清水,有助于提高煤層注水效率,這種特點使得堿溶液在煤礦防塵方面有一定的潛在意義。工業分析表明少許堿溶液對煤的工業應用影響有限,對中低階煤層來說,在煤層注水時加入少許堿性藥品實現物理-化學聯合作用防治沖擊地壓,同時還兼具降塵效應,操作簡單、經濟可行,在煤礦井下具有一定的應用前景。

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Experimental study on reducing outburst proneness of coal seam via alkaline solution

XIA Da-ping1,2,3,GUO Hong-yu1,2,3,LUO Yuan2,MA Jun-qiang2,CHEN Shan-lai2,WANG Zhen2

(1.Key Laboratory of Safety and High-Efficiency Coal Mining,Ministry of Education(Anhui University of Science and Technology),Huainan 232001,China; 2.School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;3.Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region,Henan Province,Jiaozuo 454003,China)

Abstract:Raw coal samples selected from Qianqiu Mine and those of treated coal samples soaked respectively in clean water and alkaline solution were investigated using RMT-150B rock test system.In the test,the elastic energy index, impact energy index,dynamic destruction time and uniaxial compression strength were analyzed on their variation tendencies.According to a series of comprehensive analysis,raw coal samples and water-soaked ones were determined as strong impact-performance and weak impact-performance respectively,while the alkaline-soaked ones had no impactperformance due to a drastic decrease of mechanical strength along with an evident trend of turning plasticity from brittleness.Based on the tests of proximate analysis,contact angle and soaking time to mechanical strength ratio,the concentration and dosage of alkaline solution etc,the prospect of alkaline solutions applied to collieries was considered in that the physical-chemical coupling effect of water infusion added with a small amount of alkaline solutions into midlow rank coal seams will effectively prevent rock burst and dust generation.

Key words:burst proneness;chemical reaction;alkaline solution;mechanical strength;contact angle;mid-low rank coal

通訊作者:郭紅玉(1978—),男,河南遂平人,副教授,博士。E-mail:ghy1026@126.com

作者簡介:夏大平(1983—),女,安徽潁上人,實驗師,博士研究生。Tel:0391-3987927,E-mail:xiadp22@ hpu.edu.cn。

基金項目:國家自然科學基金資助項目(41472127,41502158);山西省煤層氣聯合研究基金資助項目(2013012004)

收稿日期:2014-10-20

中圖分類號:TD324

文獻標志碼:A

文章編號:0253-9993(2015)08-1768-06