含瓦斯煤相似材料的配比和制备*

杨理强，王 永，周言安，涂 辉，周小雨，韩云春

(1.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司，安徽 淮南 232001；2.煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，安徽 淮南 232001；3.深部煤炭开采与环境保护国家重点试验室，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤与瓦斯突出是煤矿安全生产的主要问题，相似模拟试验是研究煤与瓦斯突出的有效手段[1-3]，而相似材料是决定煤与瓦斯突出相似模拟试验成功与否的关键因素[4]。含瓦斯煤相似材料如何选取、配比和制作对研究煤与瓦斯突出具有重要影响。

1 含瓦斯煤相似材料制备

1.1 含瓦斯煤相似材料选择

根据相似理论，首先考虑相似材料的容重与原煤容重的相似性，可简化模型与实际工程物理参数之间的换算，并且可以更好地体现自重应力场的影响，因此选择材料时倾向于选择与原煤重度相当的材料，并且煤具有吸附解吸瓦斯的特殊性质，因此选用一定粒度的煤粉作为基本骨料[5]。其次，选择粘结剂时，需考虑在保证型煤强度的同时，不影响相似材料的吸附性能[6]。将腐植酸钠作为胶结剂，由于是从风化煤中萃取而来，是一种水溶性的粘结剂，对煤具有较好的亲和力，能很好地湿润煤的表面，甚至能渗入煤的微孔结构中。成型时，在外压力的作用下，这种粘结剂能将煤粒很好地粘结在一起，使煤球具有一定的初强度。干燥时，随着型煤水分的蒸发，腐植酸钠溶液不断浓缩，最后收缩固化，使煤粒相结合的分子间力得以加强，从而将煤紧紧地粘结在一起，并且在高温环境中不会产生爆裂、塌陷等状况，是一种理想的胶结剂，该胶结剂对型煤强度起总体控制作用[7]。

1.2 相似材料制备工艺

基本参数：为配制方便，煤粉粒度分布选用固定比例[8-9]。采用水作为胶结剂溶剂时，水分蒸发缓慢，考虑到干燥的原因，成型水分选用固定比例即8%。煤粉粒度分布见表1。原煤取自朱集矿1122(1)采煤工作面11-2煤，标高-957.27 m。为测试型煤强度，制作多个试件，尺寸为50 mm×100 mm。

表1 煤粉粒径分布

配制过程：将煤粉粉碎并用标准筛网筛取，按预定粒度分布混合均匀；严格按照比例称取骨料和胶结剂，按比例量取水；将胶结剂溶于水，溶解充分后倒入骨料搅拌；将搅拌好的相似材料装入模具按预定压力压实。稳压十分钟；脱模，贴标签，养护。

2 参数测试

2.1 基本物理参数测试

试件密度容重：重点考察容重γ、孔隙率φ和吸附解析曲线3个类型参数。材料干燥后先称量试件质量，测量直径和高度，计算出体积和容重γ。不同成型压力下试件容重见表2。

煤的孔隙率：①溶剂量即用水量占8%的煤粉质量，在成型压力较大的情况下，材料相对密实，不利于试件干燥。室温下不同成型压力试件干燥曲线表明，前3 d试件干燥速度较快，之后逐渐变慢。不同成型压力制作的试件干燥时间不同，成型压力越大，试件干燥越缓慢，这是由于成型压力越大导致试件更加密实的缘故。所有试件都能在7 d内完全干燥。试验还表明，高温烘烤虽可使试件快速干燥，但强度较自然干燥明显偏大，过程不可控。②煤的孔隙率可以通过实测煤的真密度和视密度来确定，不同单位煤的孔隙率与煤的真密度、视密度存在数学关系[4]。试件真密度通过5E全自动工业分析仪测试，依据国标GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》、GB/T 217—2008《煤的真相对密度测定方法》。通过公式即可计算相似材料的孔隙率，见表3。

吸附解吸性能：试验采用高压容量法测定样品的吸附解吸性质[10]，如图1所示。工业分析与吸附解析测试结果表明，相似材料煤样水分为4.52%，略高于原煤煤样水分4.09%。相似材料煤样的灰分为15.52%与原煤煤样的灰分15.36%十分接近，相似材料煤样的挥发分为31.24%与原煤挥发分31.17%十分接近。

图1 30 ℃吸附等温线

2.2 基本力学参数测试

力学参数测试包括测定材料的单轴抗压强度σc、弹性模量E、泊松比μ、单轴抗拉强度σt、粘聚力c和内摩擦角φ。单轴抗压强度σc、弹性模量E和泊松比μ测试。试验在WDW-500微机控制电子万能试验机上进行。

单轴压缩试验结果表明，相似材料稳定性很好，相同配比的3个试件单轴抗压强度非常接近(图2)。相似材料的抗压强度可调节的范围很大，不同配比的强度变化范围可达0.2～3.2 MPa，可用来模拟不同强度的原煤。

图2 同种配比3个试件应力应变曲线拟合

单轴抗拉强度σt测试。由于相似材料强度较低，故采用巴西劈裂试验间接的测试相似材料的抗拉强度。采用直径50 mm，高度40 mm的圆形试件和特制的试验模具进行测试；内摩擦角φ和粘聚力c测试。采用ZJ-4A型应变控制式直剪仪对相似材料的抗剪强度指标内聚力c和内摩擦角φ进行测试。原煤和部分配比试件的抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角的值见表4。

表4 部分试件参数表

2.3 相似材料配比结果

根据煤与瓦斯突出模拟试验对相似材料物理力学性质指标的要求，通过研制成果选定了试验所用的材料配比，见表5和表6。由配比试验可以得出，以腐植酸钠溶液作为新型型煤胶结剂具有型煤抗压强度高不影响材料吸附性质等多种优点。新材料的抗压强度为0.5～3.0 MPa，并且强度调节方便，可以覆盖不同强度的煤体。材料吸附性不受胶结剂的影响，与原煤吸附性基本一致。

表5 含瓦斯煤试件相似材料配比

表6 含瓦斯煤试件相似材料物理参数

3 结语

经过试件材料的物理力学和吸附-解析性能测试，考察其与突出煤层的相似性。根据测试结果，可以确定含瓦斯煤相似材料的配方和强度范围，并得出了以腐植酸钠溶液作为含瓦斯煤胶结剂的型煤配置制备工艺。