含瓦斯煤相似材料的配比和制備*

楊理強，王 永，周言安，涂 輝，周小雨，韓云春

(1.平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司，安徽 淮南 232001；2.煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，安徽 淮南 232001；3.深部煤炭開采與環境保護國家重點試驗室，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤與瓦斯突出是煤礦安全生產的主要問題，相似模擬試驗是研究煤與瓦斯突出的有效手段[1-3]，而相似材料是決定煤與瓦斯突出相似模擬試驗成功與否的關鍵因素[4]。含瓦斯煤相似材料如何選取、配比和制作對研究煤與瓦斯突出具有重要影響。

1 含瓦斯煤相似材料制備

1.1 含瓦斯煤相似材料選擇

根據相似理論，首先考慮相似材料的容重與原煤容重的相似性，可簡化模型與實際工程物理參數之間的換算，并且可以更好地體現自重應力場的影響，因此選擇材料時傾向于選擇與原煤重度相當的材料，并且煤具有吸附解吸瓦斯的特殊性質，因此選用一定粒度的煤粉作為基本骨料[5]。其次，選擇粘結劑時，需考慮在保證型煤強度的同時，不影響相似材料的吸附性能[6]。將腐植酸鈉作為膠結劑，由于是從風化煤中萃取而來，是一種水溶性的粘結劑，對煤具有較好的親和力，能很好地濕潤煤的表面，甚至能滲入煤的微孔結構中。成型時，在外壓力的作用下，這種粘結劑能將煤粒很好地粘結在一起，使煤球具有一定的初強度。干燥時，隨著型煤水分的蒸發，腐植酸鈉溶液不斷濃縮，最后收縮固化，使煤粒相結合的分子間力得以加強，從而將煤緊緊地粘結在一起，并且在高溫環境中不會產生爆裂、塌陷等狀況，是一種理想的膠結劑，該膠結劑對型煤強度起總體控制作用[7]。

1.2 相似材料制備工藝

基本參數：為配制方便，煤粉粒度分布選用固定比例[8-9]。采用水作為膠結劑溶劑時，水分蒸發緩慢，考慮到干燥的原因，成型水分選用固定比例即8%。煤粉粒度分布見表1。原煤取自朱集礦1122(1)采煤工作面11-2煤，標高-957.27 m。為測試型煤強度，制作多個試件，尺寸為50 mm×100 mm。

表1 煤粉粒徑分布

配制過程：將煤粉粉碎并用標準篩網篩取，按預定粒度分布混合均勻；嚴格按照比例稱取骨料和膠結劑，按比例量取水；將膠結劑溶于水，溶解充分后倒入骨料攪拌；將攪拌好的相似材料裝入模具按預定壓力壓實。穩壓十分鐘；脫模，貼標簽，養護。

2 參數測試

2.1 基本物理參數測試

試件密度容重：重點考察容重γ、孔隙率φ和吸附解析曲線3個類型參數。材料干燥后先稱量試件質量，測量直徑和高度，計算出體積和容重γ。不同成型壓力下試件容重見表2。

煤的孔隙率：①溶劑量即用水量占8%的煤粉質量，在成型壓力較大的情況下，材料相對密實，不利于試件干燥。室溫下不同成型壓力試件干燥曲線表明，前3 d試件干燥速度較快，之后逐漸變慢。不同成型壓力制作的試件干燥時間不同，成型壓力越大，試件干燥越緩慢，這是由于成型壓力越大導致試件更加密實的緣故。所有試件都能在7 d內完全干燥。試驗還表明，高溫烘烤雖可使試件快速干燥，但強度較自然干燥明顯偏大，過程不可控。②煤的孔隙率可以通過實測煤的真密度和視密度來確定，不同單位煤的孔隙率與煤的真密度、視密度存在數學關系[4]。試件真密度通過5E全自動工業分析儀測試，依據國標GB/T 212—2008《煤的工業分析方法》、GB/T 217—2008《煤的真相對密度測定方法》。通過公式即可計算相似材料的孔隙率，見表3。

吸附解吸性能：試驗采用高壓容量法測定樣品的吸附解吸性質[10]，如圖1所示。工業分析與吸附解析測試結果表明，相似材料煤樣水分為4.52%，略高于原煤煤樣水分4.09%。相似材料煤樣的灰分為15.52%與原煤煤樣的灰分15.36%十分接近，相似材料煤樣的揮發分為31.24%與原煤揮發分31.17%十分接近。

圖1 30 ℃吸附等溫線

2.2 基本力學參數測試

力學參數測試包括測定材料的單軸抗壓強度σc、彈性模量E、泊松比μ、單軸抗拉強度σt、粘聚力c和內摩擦角φ。單軸抗壓強度σc、彈性模量E和泊松比μ測試。試驗在WDW-500微機控制電子萬能試驗機上進行。

單軸壓縮試驗結果表明，相似材料穩定性很好，相同配比的3個試件單軸抗壓強度非常接近(圖2)。相似材料的抗壓強度可調節的范圍很大，不同配比的強度變化范圍可達0.2～3.2 MPa，可用來模擬不同強度的原煤。

圖2 同種配比3個試件應力應變曲線擬合

單軸抗拉強度σt測試。由于相似材料強度較低，故采用巴西劈裂試驗間接的測試相似材料的抗拉強度。采用直徑50 mm，高度40 mm的圓形試件和特制的試驗模具進行測試；內摩擦角φ和粘聚力c測試。采用ZJ-4A型應變控制式直剪儀對相似材料的抗剪強度指標內聚力c和內摩擦角φ進行測試。原煤和部分配比試件的抗壓強度、抗拉強度、內聚力、內摩擦角的值見表4。

表4 部分試件參數表

2.3 相似材料配比結果

根據煤與瓦斯突出模擬試驗對相似材料物理力學性質指標的要求，通過研制成果選定了試驗所用的材料配比，見表5和表6。由配比試驗可以得出，以腐植酸鈉溶液作為新型型煤膠結劑具有型煤抗壓強度高不影響材料吸附性質等多種優點。新材料的抗壓強度為0.5～3.0 MPa，并且強度調節方便，可以覆蓋不同強度的煤體。材料吸附性不受膠結劑的影響，與原煤吸附性基本一致。

表5 含瓦斯煤試件相似材料配比

表6 含瓦斯煤試件相似材料物理參數

3 結語

經過試件材料的物理力學和吸附-解析性能測試，考察其與突出煤層的相似性。根據測試結果，可以確定含瓦斯煤相似材料的配方和強度范圍，并得出了以腐植酸鈉溶液作為含瓦斯煤膠結劑的型煤配置制備工藝。