可溶有機質(zhì)對肥煤孔隙結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)的影響

陳 立，翟韞哲，陳曉琳

（河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

煤體的變形和破壞不但是造成煤與瓦斯突出的重要影響因素，還會產(chǎn)生大量煤塵，這些都與煤體的力學(xué)特性有著緊密聯(lián)系。煤中不僅含有大分子的固體骨架，還含有以游離態(tài)、吸附態(tài)及共溶態(tài)3 種形式存在于煤體孔隙及大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中可以被有機溶劑溶解的可溶有機質(zhì)[1-3]。通常煤中可溶有機質(zhì)的含量與煤化程度成反比，其含量通常占煤中含量在20%左右，部分煤中含量會達到30%[4]，這說明可溶有機質(zhì)是煤中非常重要的一部分[5]，存在會影響煤的結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)，會對煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。

此次實驗選取變質(zhì)程度中等的肥煤作為實驗煤樣，采用乙酸乙酯有機溶劑對煤樣進行萃取，利用比表面積及孔徑分析儀及伺服壓力機對萃取前后煤樣開展實驗研究，分析和研究可溶有機質(zhì)對孔隙特性及力學(xué)特性的影響規(guī)律。

1 實驗樣品準備與方案設(shè)計

1.1 實驗樣品準備

實驗所使用的煤樣是來自峰峰礦區(qū)的肥煤，工業(yè)分析見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析Table 1 Industrial analysis of coal samples

將原煤制成120~140 目粒徑范圍的煤樣，因為該粒徑區(qū)間的萃取效果更佳[6]，選取相對安全的乙酸乙酯作為萃取劑[7]。在室溫條件下，稱取50 g煤粉，用300 mL 乙酸乙酯混合在500 mL 燒杯內(nèi)，使用DF-101s 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器充分攪拌30 h，待到靜置沉淀分層后，將燒杯上層萃取后的產(chǎn)物（乙酸乙酯提取液） 抽濾出去，留下萃取后煤樣進行24 h 真空干燥處理。

1.2 孔隙及比表面積實驗

實驗開始前，先將原煤樣和浸泡后的抽提殘煤在50℃的真空干燥箱內(nèi)進行12 h 的干燥[8]。將待測煤樣分組后，使用北京貝士德公司生產(chǎn)的BSD-PS/2 型比表面積及孔徑分析儀，采用低溫氮氣吸附法對肥煤進行實驗，該儀器共有2 個樣品預(yù)處理脫氣站，2 個樣品分析站，每組實驗將同一煤種的萃取前后煤樣分別加入進行檢測，每種樣品共進行3 次實驗，取平均值。

1.3 單軸壓力實驗

選取與之前相同粒徑區(qū)間煤樣，在相同的實驗環(huán)境里分成原煤與殘煤，通過型煤模具制成統(tǒng)一φ50 mm×100 mm 型煤，將制好的型煤置入干燥箱中烘干水分留取備用。使用長春科新YA-600 電液伺服萬能實驗機，采用間接測定法對各組原煤煤樣以及萃取后煤樣的力學(xué)特性進行測定，然后使用場發(fā)射掃描電鏡-能譜儀對萃取前后煤體表面的變化進行分析。

2 實驗結(jié)果討論與分析

2.1 煤樣質(zhì)量變化及萃取率計算

萃取率是表示的是萃取實驗過程中可溶有機質(zhì)被萃取效果的參數(shù)，計算見式（1）。

式中：E 為乙酸乙酯萃取率，%；m1為原煤煤樣質(zhì)量，g；m2為萃取后抽提殘煤的質(zhì)量，g；Aad為原煤煤樣的分析基灰分產(chǎn)率，%；Mad為原煤煤樣的分析基水分產(chǎn)率，%。

萃取前后重量變化及萃取率結(jié)果見表2，說明乙酸乙酯對肥煤中的可溶有機質(zhì)有著較高的萃取效果。

表2 萃取前后重量變化Table 2 Weight changes before and after extraction

2.2 萃取前后煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律

通過實驗，得到萃取前后煤樣的比表面積、孔體積和平均孔徑的變化見表3。

表3 萃取前后煤的孔隙參數(shù)Table 3 Pore parameters of coal before and after extraction

由表3 可知，肥煤經(jīng)過乙酸乙酯萃取后平均孔徑增大，孔體積和比表面積均有減小，這說明經(jīng)過乙酸乙酯萃取后，孔隙中游離于附著的可溶有機質(zhì)被大量移除，疏通了煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 萃取前后煤體內(nèi)部孔隙變化Fig.1 Changes of internal pores in coal before and after extraction

由圖2 可知，實驗煤樣以1.5~5.3 nm 的孔數(shù)為主，經(jīng)過乙酸乙酯萃取后，0~35 nm 的孔數(shù)均有增加，1.5~5.3 nm 的孔洞增加的更為顯著，說明針對此次實驗煤樣，在這個孔徑區(qū)間存在較多可以被乙酸乙酯溶解的有機質(zhì)，且萃取后對中孔也有增加作用，進一步說明可溶有機質(zhì)對煤的孔隙結(jié)構(gòu)有重要影響。

圖2 孔體積分布圖Fig.2 Distribution of pore volume

2.3 萃取前后力學(xué)特性變化規(guī)律

萃取前后煤樣的單軸壓力壓縮—應(yīng)變曲線，如圖3 所示。

圖3 單軸壓力壓縮—應(yīng)變曲線Fig.3 Uniaxial compression-strain curve

由圖3 可知，經(jīng)過乙酸乙酯萃取后的抽提殘煤型煤試件的抗壓強度高于原煤試件，抗壓強度由2.615 MPa 增加到3.994 MPa，增長了53%。說明移除了可溶有機質(zhì)的抽提殘煤抗壓能力相較原煤試件有所提高，萃取后煤樣的強度大于萃取前煤樣的強度。這是因為原煤的孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞，原本附著的可溶有機質(zhì)被大量移除，大量孔道被疏通，原有的締合力遭到了破壞，煤基質(zhì)趨向簡單化和均相化，降低了各個顆粒之間的空隙。

對萃取前后的煤樣表面進行掃描電鏡實驗，結(jié)果分別如圖4 所示。

由圖4 可知，萃取后煤樣的表面較原煤表面粗糙，說明此處的可溶有機質(zhì)被移除后，僅留下煤的大分子骨架，各個單煤顆粒分子間表面的摩擦力增加，造成了煤體的蠕變能力下降，從而擁有更強的應(yīng)變力，不容易發(fā)生形變或破壞。

圖4 原煤和抽提殘煤的微觀掃描電鏡圖Fig 4 Micro-SEM images of raw coal and extracted residual coal

3 結(jié) 論

（1） 實驗前后煤樣質(zhì)量減少了3.0%，說明乙酸乙酯對本實驗煤樣有著較好的萃取效果。

（2） 乙酸乙酯萃取對實驗煤樣各個孔徑均有影響，其中1.5~5.3 nm 的孔洞增加較為明顯。

（3） 抽提殘煤型煤試件的抗壓強度較原煤提高了53%，可溶有機質(zhì)被溶解后會使煤顆粒表面更加粗糙，摩擦力增大。