低溫對不同水分條件下煤的堅固性系數影響研究

閆 靜，孫 臣

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出是煤礦瓦斯災害中的一種極其復雜的動力災害，國內外學者在煤與瓦斯突出機理研究中成果豐碩，從研究結果來看，煤體自身強度是煤與瓦斯突出的關鍵影響因素之一[1-5]。所以，提高煤體力學強度是有效防治煤與瓦斯突出的重要途徑。謝雄剛等[6]研究了凍結溫度下突出煤樣的力學性質，結果表明隨著凍結溫度的降低，成型煤樣的單軸抗壓強度和彈性模量都明顯增大。董若蔚[7]開展了液氮凍結狀態下煤體力學特性實驗研究，采用單軸壓縮試驗和巴西劈裂實驗測量了液氮凍結狀態下煤體的抗壓強度、彈性模量和抗拉強度。實驗結果表明，液氮凍結對煤體的力學性質有顯著的提升作用。張辛亥等[8]進行了凍結溫度(-60～20 ℃)條件下煤巖樣的單軸壓縮試驗，結果表明煤巖體的單軸抗壓強度隨著溫度降低有增加趨勢。以上學者研究表明，通過降低煤層溫度從而提高煤體力學強度是一種行之有效的方法。

煤的堅固性系數是煤與瓦斯突出危險性鑒定的重要參數之一[9-10]，也是鑒定參數中能夠反映煤體力學強度的唯一參數。一般來說，煤的堅固性系數越小，煤與瓦斯突出危險性越高。影響煤的堅固性系數的因素有：煤的變質程度、水分、灰分、溫度等[11-12]。李鐵磊等[13]研究發現煤的堅固性系數隨著水分(7%以下)的增加呈線性增大。吳愛軍等[14]研究了-20～-50 ℃條件下煤的堅固性系數，結果表明，煤的堅固性系數隨溫度升高而減低且近似呈線性關系。

本文通過水分控制裝置及溫度控制裝置測試了低溫(0 ℃以下)條件下不同水分(10%以下)的煤的堅固性系數，以研究低溫及水分共同作用下煤的堅固性系數。

1 實驗方法及裝置

1.1 煤樣制備

實驗煤樣取自貴州省織金縣城關鎮興發煤礦M27煤層及貴州省習水縣木擔壩煤礦C8煤層。興發煤礦M27煤層、木擔壩煤礦C8煤層均為突出煤層。分別將2種煤樣原始煤塊進行粉碎，篩取1～3 mm煤樣，充分混合，稱取10 kg備用；采用落錘法對以上兩種煤樣進行煤的堅固性系數測試，測試結果見表1。

表1 煤樣堅固性系數Tab.1 Consistent coefficient of coal sample

1.2 煤樣水分控制

對已制備的1～3 mm的興發煤礦和木擔壩煤礦煤樣分別進行整體干燥后，稱取一定質量m0的煤樣，通過如圖1所示的煤樣加濕處理裝置對煤樣進行加水。加熱器對蒸餾瓶中的水進行加熱，使得蒸餾出的水分與煤樣混合從而獲取水分飽和的煤樣，隨后對煤樣進行不同程度的干燥，并稱量煤樣質量mu，以此方法獲取含有設定水分的煤樣，從而達到水分控制的目的。

圖1 煤樣加濕處理裝置Fig.1 Coal sample humidification device

煤樣最終水分w計算公式為：

(1)

實驗中，將興發煤礦及木擔壩煤礦煤樣水分控制在0%、2%、6%、10%。實驗所用煤樣水分與水分控制指標誤差均在5%以內。

1.3 低溫控制及f值測定

低溫環境堅固性系數測試裝置由落錘法裝置及包裹在其外側的溫度控制系統組成，低溫環境堅固性系數測試裝置如圖2所示。

圖2 低溫環境堅固性系數測試裝置Fig.2 Test device for low temperature environment consistent coefficient

溫度控制系統中包括溫度控制器、冷凍腔和冷凍液循環泵，落錘法外側循環層，冷凍液為汽車發動機防凍液(冰點-45 ℃)。使用溫度控制器設置溫度；冷凍腔使冷凍液處于恒溫(設定溫度)；冷凍液循環泵使冷凍腔內冷凍液經進液口流入落錘法裝置，外側循環層經出液口流入冷凍腔。溫度控制系統可使落錘法裝置處于-40 ℃至室溫的環境中。將煤樣至于落錘桶內一定時間使用溫度計測定煤樣溫度，當煤樣溫度與冷凍液溫度一致時開始測定煤的堅固性系數。本文研究中所設置的循環液溫度為-40、-30、-20、-10、0 ℃，在各溫度條件下分別對水分為0%、2%、6%、10%的興發煤礦煤樣及木擔壩煤礦煤樣進行煤的堅固性系數測定。

2 實驗結果及分析

2.1 實驗結果描述

根據實驗結果繪制相同溫度條件下煤的堅固性系數與煤的水分關系，如圖3所示。由圖3可得，相同溫度條件下，興發煤礦煤樣與木擔壩煤礦煤樣的堅固性系數隨煤樣水分的變化趨勢基本相同；當煤樣水分較低時(<2%)，煤堅固性系數隨煤樣水分的變化趨勢不明顯；當煤樣水分>2%時，煤堅固性系數隨煤樣水分的增加而明顯增大，并呈線性關系，擬合可得其符合呈線性關系，回歸方程見表2。

圖3 煤的堅固性系數與煤的水分關系Fig.3 Relationship between consistent coefficient and moisture content of coal

根據實驗結果繪制相同水分條件下煤的堅固性系數與溫度關系，如圖4所示。

表2 煤堅固性系數與水分的擬合關系式Tab.2 Fitting relationship between coal consistent coefficient and moisture

圖4 煤的堅固性系數與煤的溫度關系Fig.4 Relationship between consistent coefficient and temperature of coal

由圖4可得，相同水分條件下，興發煤礦煤樣與木擔壩煤礦煤樣的堅固性系數隨溫度的變化趨勢基本相同；當煤樣水分較低時(<2%)，低溫對煤的堅固性系數影響較小；當煤樣水分>2%時，煤的堅固性系數隨溫度的降低而明顯增大，并呈線性關系，對煤樣水分為6%、10%時煤堅固性系數隨溫度的變化關系進行擬合，可得其符合呈線性關系，回歸方程見表3。

表3 煤堅固性系數與溫度的擬合關系式Tab.3 Fitting relationship between coal consistent coefficient and temperature

根據實驗結果繪制煤的堅固性系數與溫度、水分的關系，如圖5所示。

圖5 煤的堅固性系數與溫度和水分的關系Fig.5 Relationship between consistent coefficient of coal and temperature and moisture

由圖5可得，隨著溫度的升高以及煤樣水分的降低，煤的堅固性系數呈減小趨勢；隨著溫度的降低以及煤樣水分的升高，煤的堅固性系數呈增大趨勢。

2.2 實驗結果分析

當含水煤樣處于低溫環境時，煤體內部的孔隙或裂隙內的水分由于低溫作用被凍結為冰，由于受到冰的膠結作用，煤顆粒的堅固性系數增大。當煤樣水分>2%時，進入煤樣內部的水分較多，分布于煤體的大孔隙、中孔及小、微孔隙中。在不同低溫條件下，煤體內存在的未凍水量不同[15]，在凍結時大孔隙內的水先開始相變為冰，然后是中孔，最后是小、微孔隙。溫度越低，煤體內存在的冰越多，未凍水越少，冰的膠結作用越強，煤的堅固性系數越大。

相同低溫條件下，當煤樣水分較低時(<2%)，煤堅固性系數隨煤樣水分的變化趨勢不明顯，是由于進入煤體內部的水分較少，冰的膠結作用不明顯。當煤樣水分較低時(<2%)，低溫對煤體的堅固性系數影響較小。由圖3可知，興發煤礦煤樣水分為6%、10%時，在-40 ℃溫度下堅固性系數分別為2.940 6、4.305 7；相比室溫25 ℃、水分1.49%條件下的堅固性系數1.64分別提高了79.3%、162.5%。木擔壩煤礦煤樣水分為6%、10%時，在-40 ℃溫度下其堅固性系數分別為1.469 7、2.207 3；相比室溫25 ℃，水分2.08%條件下的堅固性系數0.68分別提高了116.1%、224.6%。由以上分析可得對煤體注水并降溫可以有效增大煤的堅固性系數，從而能夠提高煤體的力學強度。

3 結論與展望

(1)當煤樣水分較低時(<2%)，由于進入煤體內部的水分較少，冰的膠結作用弱，煤堅固性系數隨煤樣水分的變化趨勢不明顯；當煤樣水分>2%時，煤體內部的孔隙或裂隙內的水分由于低溫作用被凍結為冰，由于受到冰的膠結作用，煤堅固性系數隨煤樣水分的增加而明顯增大，并呈線性關系。

(2)當煤樣水分>2%時，隨著溫度的降低，煤體中的未凍水量逐漸減少，冰的膠結作用逐漸增大，煤的堅固性系數隨溫度的降低而明顯增大，并呈線性關系。不同煤樣隨著溫度的降低以及煤樣水分的升高，煤的堅固性系數都呈增大趨勢。

(3)采用煤層注水并冷凍的方法可以提高煤體的抗壓強度，降低煤與瓦斯突出發生危險性。