突出煤相似材料綜述及展望

朱墨然，熊云威，戴林超2，，趙 博

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；4.重慶大學 資源及環境工程學院，重慶 400030）

煤與瓦斯突出是由地應力、瓦斯、煤的物理力學性質等綜合作用的結果[1]，國內外學者對煤與瓦斯突出的機理進行了大量的研究，其中煤與瓦斯突出相似模擬實驗是一種有效的研究方法。目前煤與瓦斯突出模擬實驗大多采用型煤代替原煤進行，因為具有突出危險性的煤通常比較破碎且強度較低，難以制成滿足實驗要求的試件。但型煤在力學特性、吸附解吸特性和滲透特性等方面與原煤存在較大差異，主要體現在型煤相比于原煤具有低強度、低彈性模量和高滲透性的特點[2]。為了更加真實的還原煤與瓦斯突出現象，國內外學者對相似材料做了大量探索和研究，為制作相似材料提供了豐富的參考資料。為此概括了近年來突出煤相似材料制作的研究進展，對相似材料性能影響較大的因素進行了梳理，并對其發展方向進行了展望。

1 國內外研究現狀

國內外學者對突出煤相似材料進行了大量的試驗研究，日本學者氏平增之[3]利用CO2的結晶冰、松香、水泥及粉煤制作相似材料并進行了突出模擬試驗，由于松香等原料無吸附特性，制成的材料在吸附解吸性能方面與原煤差距較大。B.C.Young[4]等人研究了影響型煤強度的主要因素，指出粒徑配比、粒徑大小以及成型工藝是影響型煤強度的主要因素。Nalladurai Kaliyan[5]等人總結了影響型煤強度的因素，包括原料組成、含水率、顆粒大小、成型溫度、黏結劑、成型壓力等。張建國[6]用型煤與原煤進行突出模擬試驗，型煤試驗發生突出時形成了突出孔洞、煤樣破壞程度高、突出陣面推進速度快這3個特征與現場煤層發生的突出過程完全相似。

此外眾多學者在相似材料的力學特性，吸附解吸特性以及滲透性3方面都進行了深入的研究。運用正交試驗等方法得出了多因素影響下對材料性能的影響規律，優化了相似材料的成型工藝，為突出煤相似材料的制作提供了重要參考。

1）在材料的力學強度方面，尹光志[7]等對比了含瓦斯原煤和型煤2種煤樣變形特性與抗壓強度，結果表明原煤與型煤在變形特性和抗壓強度方面的變化規律是一樣的，用型煤替代原煤進行力學性質的一般性規律探討是可行的。蔡成功[8]、鄧全封[9]試驗表明相似材料的強度隨成型壓力的增大而增大，成型壓力小于15 MPa時材料強度增加的梯度大，成型壓力較高時強度增加的梯度顯著減小。孫朋[10]從原材料的選取、制樣工藝及外界環境3個方面對相似材料的力學性能進行了較為全面的研究，并指出腐植酸鈉濃度、粉煤級配、成型壓力、堆漚熟化、分層壓制是影響相似材料單軸抗壓強度的主要因素。康向濤[11]發現以煤粉、沙子、石膏、水泥為原料制備的相似材料與原煤的應力應變曲線變化規律接近。

2）在材料的滲透性方面，高魁[12]等對比了原煤與型煤的滲透率，發現二者滲透率隨圍壓和瓦斯壓力改變的變化規律是一致的，實驗室用型煤替代原煤進行滲透性試驗是可行的。許江[2]、林海飛[13]、何生全[14]等人研究了型煤的滲透率，發現滲透率與黏結劑比例呈負指數關系，通過控制黏結劑的添加量能使型煤的滲透率與原煤接近。林海飛[13]通過正交試驗發現沖擊次數和膠砂比對材料的滲透率影響最大，沖擊次數越多材料越密實，膠含量越多材料中孔隙越少，氣體運移通道減少，材料滲透率越低。

3）在材料的吸附解吸性能方面，王漢鵬[15]以腐植酸鈉為黏結劑，試驗表明當添加20%濃度的腐植酸時，材料的吸附等溫線與原煤基本一致，并認為腐植酸鈉是一種較好的黏結劑。張淑同[16]發現在相似材料中加入活性炭能提高材料吸附解吸能力，相似材料在添加了水泥、沙子等非吸附材料后，吸附CO2的能力和原煤吸附CH4的能力保持基本一致。

2 突出煤相似材料性能的影響因素

在相似材料制作過程中許多因素都可能對材料的性能產生影響，其中主要影響因素可分為3大類：原材料、制作工藝和環境因素。具體包含以下幾個方面：黏結劑、煤粉的種類、煤粉的粒徑、煤粉的級配、成型水分、成型壓力和其它因素。

1）黏結劑對材料性能的影響。黏結劑是決定相似材料性能的重要原料，對材料的強度、吸附解吸性能、滲透性能等都有顯著影響，常用黏結劑的分類及特點見表1。許江[2]選用水泥為黏結劑制作型煤，發現材料的強度在一定范圍內隨著黏結劑比例的增大而增大，滲透率隨著黏結劑添加量的增大而減小。何生全[14]以腐植酸為黏結劑制作相似材料時發現材料的瓦斯吸附量隨著腐植酸比例增大而增大。不同的黏結劑性質差異較大，其中水泥和腐植酸被廣泛采用，因為水泥具有較高的強度，能使材料強度具有較大的可調范圍，而腐植酸是從煤中提取的，吸附解吸性能較好，在制作低強度相似材料時經常使用。

表1 黏結劑分類及特點

2）煤粉的種類對材料性能的影響。煤粉的種類主要影響試件的吸附解吸性能。因為不同的煤具有不同的孔隙結構，如高階煤比低階煤具有更多的微孔比例即比表面積較大，使得其對氣體的吸附能力更強。鄭貴強[17]研究發現，高階煤以微孔為主，擴散和吸附所需的平衡時間長，中階煤和低階煤以中孔為主，且煤階越高吸附瓦斯能力越強。在制作相似材料時應盡量選擇具有較強吸附解吸性能的高變質程度煤，能使相似材料在摻雜黏結劑、水等無吸附性的原料后仍能保持較好的吸附解吸性能。

3）煤粉的粒徑對材料性能的影響。煤粉粒徑對相似材料強度和吸附解吸性能有影響。煤粉粒徑的大小主要影響比表面積，粒徑越小材料比表面積越大，對瓦斯的吸附性能越強。許江[18]將不同粒徑煤粉在4 MPa壓力下壓制成型，發現煤粉粒徑越小材料強度越高且吸附特性越好。此外小粒徑煤粉比大粒徑煤粉具有更好的均一度和規則度，在成型過程中更容易被壓密實而具有更高的強度。陳鵬[19]通過實驗發現在無黏結劑情況下煤粉粒徑越小試件強度越大。吳鑫[20]采用不同粒徑的煤粉在4 MPa壓力下制作型煤并測試單軸抗壓強度，發現粗、中、細3種粒徑組成的型煤中細粒徑型煤強度最大。制作相似材料時煤粉粒徑一般取0.2~1 mm，該粒徑區間制作的相似材料較為密實、強度較高且表面較平整光滑，過大的粒徑會使材料表面粗糙且強度降低。

4）煤粉級配對材料性能的影響。不同煤粉粒徑的搭配對試件性能也有影響。在相似材料制作過程中，不同粒徑的煤粉在材料中的作用不同，粗粒級煤粉起骨架作用，細粒級煤粒能有效充填空隙。若粗粒級煤粒過多則煤粒間隙不能得到有效充填，材料在壓力作用下間隙容易擴張，形成斷裂面使材料強度降低；若細粒級煤粒過多，會造成比表面積過大，在黏結劑一定的情況下會使黏結劑不能均勻有效的和煤粉結合，將使材料強度降低[21]。蘇小鵬[22]試驗表明：粗粒徑0.45 mm煤粉與細粒徑0.15 mm煤粉各占50%時材料的強度最大，材料的滲透率隨細粒徑煤粉含量的增加而降低。制作相似材料時煤粉級配通常是粗粒徑與細粒徑煤粉1∶1混合，能使材料有效充填密實、強度更大。

5）成型水分對材料性能的影響。水分對相似材料強度、滲透率和吸附解吸能力都有較大影響。若以水泥為黏結劑，在水泥含量不變的情況下，材料強度隨水分含量的增加而增大，當水分達到水泥最小需水量后材料的強度保持不變。研究發現[23-25]：水分能與煤體內瓦斯發生微觀相互作用，改變瓦斯的吸附解吸特性，因為煤中有許多極性官能團，這些官能團是親水的，水分會優先于氣體占據這些極性官能團位點，同時水分會減小了煤體的孔徑，阻礙了瓦斯的運移通道，降低瓦斯在煤中的擴散能力。不同的原料或黏結劑組成，在制作相似材料時的需水量不同，常見的以水泥為黏結劑時，添加水分質量占固體原料質量的比例大約為10%~15%時能使材料強度達到最大。

6）成型壓力對材料性能的影響。成型壓力對相似材料強度和滲透率影響較大。相似材料壓制過程中，隨著壓力的不斷增大，物料顆粒間的空隙被逐漸壓縮體積減小。合適的成型壓力能使相似材料強度最大，成型壓力過小則不能有效密實物料；壓力過大則可能使原料從模具中擠出破壞模具，材料的性能也不可控制。王衛東[26]試驗表明型煤的機械強度隨成型壓力的增大而增大。目前大型煤與瓦斯突出模擬實驗系統能實現的最大加載壓力為25 MPa，制作相似材料時成型壓力一般控制在25 MPa內。

7）其它因素。材料制作過程中物料的攪拌時間、保壓時間、養護時間、溫度等都會影響材料的性能。攪拌時間越長能使物料之間充分混合均勻，時間一般為5 min[27]。保壓時間越長材料的強度越大，保壓時間超過15 min后強度幾乎不變；分層壓制能更好的壓實模具中部的物料，比一次壓制成型具有更高的強度；壓制好的相似材料需要時間使物料間進行充分反應，養護時間越長試件強度越高，養護15 d之后強度幾乎不變[10]。

3 主要研究成果及存在問題

3.1 主要研究成果

經過國內外大量學者的努力，相似材料的制作取得了豐富的成果，材料的性能參數可調整范圍越來越大，同時在力學性能、吸附解吸性能以及滲透性能3個方面中分別實現了越來越接近于原煤，得出了各因素對相似材料性能的影響規律。主要成果體現在以下幾個方面：

1）掌握了常用原材料組分對相似材料性能的影響規律。其中黏結劑比例對相似材料的性能影響較大，試件強度隨黏結劑比例的增加而增大。在煤粉級配方面，大小顆粒以適當比例混合時能使材料更加密實，強度更大。此外添加活性炭能有效提高相似材料的吸附解吸性能。

3.2 APP和Aβ APP是Ⅰ型膜蛋白，它可以被β-和γ-分泌酶依次切割而產生Aβ(AD老年斑的主要成分)。APP基因中有超過30個突變與家族性早發AD相關[10]。早期研究表明AD神經突內有自噬體聚集，且這些自噬體中存在APP、Aβ、CTF和BACE，所以自噬被認為是導致Aβ產生的原因[7,11]。但是，進一步研究自噬本身及其與AD的關系后發現，APP、Aβ、CTF和BACE其實是自噬的底物[12]。雷帕霉素、牛蒡甙元、卡馬西平等藥物能活化自噬從而降解Aβ和其他致病性蛋白來預防AD[13]，這些證據也支持了上述觀點。

2）得出了成型工藝與參數對相似材料性能的影響規律。成型壓力越大，材料越密實強度越高，滲透性越低。通過分層壓制能有效壓實模具中部的煤粉，使試件強度更高。保壓時間越長，材料的強度越大。養護時間越長黏結劑與原料間的反應越充分，材料強度越大。

3）建立了材料強度與各影響因素之間的配比模型，前人通過不同的原料配比試驗分析總結出了不同的試驗配比模型。

3.2 存在問題

目前相似材料的研究從原材料的選取到制作工藝等方面都取得了長足的進步，但尚存在一些不足：

1）相似材料與原煤性能差異較大。目前的研究大多數僅針對單一性能指標進行，未綜合考慮相似材料在力學性能、吸附解吸性能和滲透性能3方面與原煤之間相似程度的問題。

2）原材料及工藝等未標準化。不同的原材料規格、制作工藝、模具類型及養護條件對相似材料性能的影響偏差較大。

3）相似材料相似度的評價方法有待建立。相似材料與原煤各性能參數的差異造成突出模擬實驗現象的不同，建立二者之間的聯系以及如何評價相似材料的性能具有重大意義。

4 發展方向及建議

相似材料作為煤與瓦斯突出模擬實驗中必不可少的一部分，應盡量使相似材料各方面的性能與目標原煤的性能相同。而要使相似材料各個參數與原煤完全相同非常困難，這就需要協調相似材料各性能參數，同時建立相似材料的定量評價方法，把相似材料的研究不斷完善。今后的研究工作應著力于以下幾個方面：

1）全面考察相似材料的力學性能、吸附解吸性能以及滲透性能，因為煤與瓦斯突出是1個氣固耦合的過程。采用正交試驗等方法探究多因素綜合作用下對材料多個性能參數的影響規律。

2）對原材料和制作工藝等進行標準化，對原材料規格、模具類型、制作步驟、養護條件等進行統一，以減小相似材料的性能誤差，建立統一的相似材料配比模型。

3）建立相似材料的定量評價方法。通過比較相似材料與原煤的各項性能參數，分別進行突出模擬實驗，對實驗數據進行分析，建立二者之間的聯系，并找出合適的評價方法對相似材料進行評價。

5 結語

相似材料作為煤與瓦斯突出模擬實驗的重要組成部分，對研究煤與瓦斯突出機理具有重要作用。目前已經得出了原材料、制作工藝和環境因素對相似材料性能的影響規律，建立了單一性能參數的相似材料配比方案。由于煤與瓦斯突出是一個固氣耦合過程，需要相似材料在力學性能、吸附解吸性能和滲透性能3方面與原煤相似，同時建立相似材料與原煤進行突出模擬實驗時二者實驗結果之間的聯系，為進一步研究煤與瓦斯突出機理奠定基礎。