提高松軟煤層強(qiáng)度的膠體材料的試驗(yàn)優(yōu)選研究?

龐立寧李春睿

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)

提高松軟煤層強(qiáng)度的膠體材料的試驗(yàn)優(yōu)選研究?

龐立寧1,2李春睿1,2

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)

針對(duì)防止軟煤壁片幫的水泥與化學(xué)漿液材料的缺點(diǎn),介紹了對(duì)5種具有粘結(jié)性能的膠體材料羧甲基纖維素、羥丙甲基纖維素、聚合物納米膠粉、聚乙烯醇、可再分散乳膠粉進(jìn)行粘度測(cè)試以及提高散煤強(qiáng)度的對(duì)比試驗(yàn),得出了5種粘結(jié)材料濃度-粘度變化規(guī)律,認(rèn)為聚合物納米膠粉能更好地提高散煤強(qiáng)度.將聚合物納米膠粉配置成不同濃度的膠體溶液,進(jìn)行滲透性試驗(yàn),得出了不同濃度的該膠體溶液在0.5 MPa壓力下、在不同粒徑散煤中滲透擴(kuò)散不同距離所需的時(shí)間.

松軟煤體 煤壁片幫 固結(jié)膠體 粘度 散煤強(qiáng)度 滲透性

對(duì)于煤體較松軟、煤層強(qiáng)度低的采煤工作面,煤壁片幫是制約其高產(chǎn)高效生產(chǎn)的一個(gè)因素.針對(duì)煤壁片幫問(wèn)題,除了提高支架初撐力、增大護(hù)幫面積和優(yōu)化采煤工藝等改善煤體受力狀態(tài)的措施之外,注漿加固煤體提高其自身強(qiáng)度也是一種常用手段,另外對(duì)于一些極松軟煤層工作面,也有通過(guò)煤層注水防片幫的.目前應(yīng)用較多的注漿材料是水泥和化學(xué)漿液,而水泥顆粒直徑較大,注入細(xì)微裂隙較困難,又因化學(xué)漿液通常具有毒性,容易對(duì)人體和環(huán)境造成傷害,而且價(jià)格昂貴,因此,尋求一種新的能夠提高松軟煤體強(qiáng)度同時(shí)具有較好可注性的材料尤為必要.本文正是基于此目的,以提高散煤強(qiáng)度為準(zhǔn)則,對(duì)于部分能夠提高松軟煤體強(qiáng)度的膠體材料進(jìn)行了試驗(yàn)優(yōu)選.

1 膠體材料介紹

本文研究試驗(yàn)的膠體是一種膠狀物體(例如膠水),具有一定的粘結(jié)性能.在優(yōu)選試驗(yàn)中,選用了5種膠體材料羧甲基纖維素、羥丙甲基纖維素、聚合物納米膠粉、聚乙烯醇、可再分散乳膠粉.這5種材料均為白色或類白色粉末,無(wú)毒無(wú)害,并可以溶于水形成具有一定粘結(jié)性能的透明膠體溶液.羧甲基纖維素膠體溶液具有增稠、成膜、粘結(jié)等性能;羥丙甲基纖維素膠體溶液在建筑行業(yè)中作水泥砂漿保水劑,在陶瓷行業(yè)用作黏合劑,在醫(yī)療行業(yè)用作片劑黏合劑;聚合物納米膠粉溶液可替代聚乙烯醇107系列膠、改性淀粉膠、改性纖維素、熟膠粉及各種聚合物粘結(jié)劑等,可用于水泥砂漿、粘結(jié)瓷磚,具有極強(qiáng)的保水性、增粘性和牢固性;聚乙烯醇溶液可用于制造聚乙烯醇縮醛、乳化劑、紙張涂層、黏合劑、膠水等;可再分散乳膠粉溶液具有突出粘結(jié)強(qiáng)度,可改善砂漿的粘附性粘合性、抗折強(qiáng)度.

2 膠體粘度測(cè)試

不同的膠體有其不同粘度-濃度規(guī)律,而不同粘度的膠體在煤體中滲透性能及其對(duì)煤體強(qiáng)度的提高情況也是不同的,因此掌握不同膠體的粘度-濃度規(guī)律就顯得尤為必要.進(jìn)行膠體溶液的粘度測(cè)定試驗(yàn),掌握不同膠體的粘度-濃度規(guī)律是后續(xù)不同膠體對(duì)煤體的粘結(jié)性強(qiáng)度、不同膠體在煤體中的滲透性能以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等的基礎(chǔ).

采用旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)(NDJ-5S型數(shù)字顯示旋轉(zhuǎn)粘度計(jì))對(duì)5種膠體材料的粘度進(jìn)行了測(cè)試,得出了這5種膠體材料各自的粘度-濃度規(guī)律并繪制成曲線,如圖1所示.

圖1 5種膠體粘度-濃度規(guī)律曲線

由圖1(a)可知,羧甲基纖維素膠體溶液的濃度低于1.5%時(shí),其粘度的變化率隨著濃度的變化較小,當(dāng)其濃度為1.5%～2.5%時(shí),其粘度的變化率隨濃度的變化較大;由圖1(b)可知,羥丙甲基纖維素膠體溶液的粘度隨著濃度的增大而增大,但沒有明顯的變化規(guī)律;由圖1(c)可知,聚合物納米膠粉膠體溶液的粘度與濃度呈線性關(guān)系;由圖1(d)可知,聚乙烯醇膠體溶液的粘度與濃度也呈線性關(guān)系,其粘度變化率隨濃度的變化較其他膠體材料較小;由圖1(e)可知,可再分散乳膠粉膠體溶液的濃度低于5%時(shí),其粘度變化率隨濃度的變化較小,當(dāng)其濃度超過(guò)5%時(shí),其粘度變化率隨濃度的變化較大.根據(jù)不同膠體材料的粘度-濃度變化規(guī)律,可以得出其滿足可注性條件下的濃度上限.

3 膠體提高散煤強(qiáng)度的對(duì)比測(cè)試

為選出能夠更好提高煤體強(qiáng)度而且粘度合適的膠體材料,試驗(yàn)了5種膠體材料對(duì)散煤的粘結(jié)性能,試驗(yàn)測(cè)量了等濃度和等粘度兩種條件下5種膠體材料對(duì)提高散煤強(qiáng)度的大小.試驗(yàn)步驟:

(1)按等濃度的原則,將5種膠體材料分別溶于水制成濃度均為2%的膠體溶液;另按等粘度原則,將5種膠體材料分別溶于水制成粘度均為340里泊的膠體溶液,共10種;

(2)用破碎機(jī)將煤塊進(jìn)行破碎,并用篩子篩出3～4 mm和1～2 mm兩種粒徑的煤粒,并將這兩種粒徑的煤粒分配成體積相同的A散煤(粒徑為3～4 mm)、B散煤(2/5體積的粒徑為3～4 mm和3/5體積粒徑為1～2 mm)和C散煤(粒徑為1～2 mm);

(3)將制備好的10種膠體溶液分別與A散煤、B散煤和C散煤攪拌混合,混合時(shí),膠體溶液量為散煤重量的15%,將加入膠體材料混合好的30種散煤置于直徑為50 mm、高100 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣模具之中,用壓力試驗(yàn)機(jī)向模具中的松散煤粒施加5 MPa壓力將其壓實(shí),并不斷向模具中添加混入膠體的散煤,保證最終壓實(shí)高度為100 mm;

(4)壓實(shí)之后的散煤模具放置干燥箱2 d,然后拆模,并將試樣頂?shù)變擅婺テ?制成直徑為50 mm、高100 mm的圓柱體煤樣;

(5)用壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)量拆模之后的標(biāo)準(zhǔn)散煤試樣的單軸抗壓強(qiáng)度,測(cè)量結(jié)果見表1和表2.

表1 等濃度條件下不同膠體提高散煤強(qiáng)度結(jié)果

表2 等粘度條件下不同膠體提高散煤強(qiáng)度結(jié)果

按照等濃度、等粘度不同標(biāo)準(zhǔn)分析30種加入粘結(jié)材料的散煤試樣的粘結(jié)性強(qiáng)度后發(fā)現(xiàn):

(1)對(duì)于任何一種給定的膠體材料、給定的煤粒試樣,膠體溶液的濃度越高即其粘度越大,在干燥之后的情況下,其對(duì)煤粒的粘結(jié)性強(qiáng)度也越高;

(2)對(duì)于任何一種膠體材料,在給定的膠體溶液濃度即粘度情況下,煤粒的粒徑越小,則膠體溶液對(duì)其的粘結(jié)性強(qiáng)度越強(qiáng);

(3)在等濃度條件下,5種粘結(jié)材料對(duì)于同種煤粒試樣的粘結(jié)性強(qiáng)度由高到低依次為聚合物納米膠粉、羥丙甲基纖維素、羧甲基纖維素、可再分散乳膠粉、聚乙烯醇;即對(duì)于煤粒的粘結(jié)性強(qiáng)度與膠體材料的種類、性能有關(guān),并非某種膠體材料的粘度越強(qiáng),其對(duì)煤粒的粘結(jié)性強(qiáng)度越大;

(4)在等粘度條件下,5種粘結(jié)材料對(duì)于同種煤粒試樣的粘結(jié)性強(qiáng)度由高到低依次為聚合物納米膠粉、可再分散乳膠粉、羥丙甲基纖維素、聚乙烯醇、羧甲基纖維素;即等粘度的膠體溶液對(duì)于煤粒的粘結(jié)性強(qiáng)度未必相同,它與材料的種類、性質(zhì)有關(guān).

綜合分析得出聚合物納米膠粉膠體材料相比較于其他4種膠體材料對(duì)煤體具有更好的粘結(jié)性能.

4 聚合物納米膠粉膠體溶液的滲透性測(cè)試

通過(guò)不同膠體材料配置成的膠體溶液的強(qiáng)度測(cè)試,得出聚合物納米膠粉膠體溶液對(duì)散煤的粘結(jié)強(qiáng)度勝于其它4種材料,聚合物納米膠粉膠體溶液是否能夠用于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng),還需對(duì)其滲透性能進(jìn)行測(cè)試.滲透性能的測(cè)試分為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)兩部分,本文只介紹實(shí)驗(yàn)室關(guān)于聚合物納米膠粉膠體溶液在不同粒徑散煤滲透介質(zhì)中的滲透性能.

滲透性試驗(yàn)中主要的試驗(yàn)裝置有手動(dòng)泵、受注模型、壓力表、油管等,試驗(yàn)中的受注模型由若干節(jié)長(zhǎng)度為0.5 m、內(nèi)徑為50 mm的鋼筒組成,末端開直徑5 mm的孔.試驗(yàn)步驟如下:

(1)將兩個(gè)鋼筒(兩個(gè)鋼筒一個(gè)可以進(jìn)液,另一個(gè)可以出液)連接起來(lái),再將手動(dòng)泵用膠管與鋼筒連接組成一套完整的滲透性試驗(yàn)裝置;

(2)將混合好的煤粒試樣A散煤、B散煤和C散煤分別放入2節(jié)鋼筒中并鑿實(shí),將手動(dòng)泵體內(nèi)裝膠體溶液的空間清洗干凈并干燥,然后倒入一定量的膠體溶液,蓋好后蓋密封好,并施加一定的壓力,持續(xù)注意壓力表上的壓力,調(diào)整手動(dòng)力度使得壓力維持在1 MPa左右;

(3)記錄從開始施加壓力到末端鋼管的小孔開始流出液體的時(shí)間間隔;

表3 不同濃度聚合物納米膠粉膠體溶液滲透性結(jié)果

(4)將煤粒試樣從鋼筒內(nèi)倒出,清洗手動(dòng)泵、鋼筒,增加鋼筒節(jié)數(shù)(3節(jié)、4節(jié))即改變滲透距離,重復(fù)上述步驟,完成試驗(yàn).

依照上述步驟測(cè)定不同濃度的聚合物納米膠粉膠體溶液在裝有不同粒徑散煤的受注模型中滲透1 m、1.5 m、2 m距離所需要的時(shí)間,試驗(yàn)結(jié)果見表3.

通過(guò)對(duì)聚合物納米膠粉與水混合組成的不同粘度的膠體溶液在不同滲透介質(zhì)中滲透不同的距離所需的時(shí)間的分析,得到結(jié)果.

(1)在滲透距離相等的條件下,組成滲透介質(zhì)的煤粒粒徑越小,膠體溶液所需要的滲透時(shí)間越長(zhǎng);

(2)膠體溶液經(jīng)過(guò)煤粒介質(zhì)的時(shí)間與介質(zhì)的長(zhǎng)度成正比,但不是一次性關(guān)系;隨著煤粒滲透介質(zhì)加長(zhǎng),同樣的滲透介質(zhì)增加量需要更長(zhǎng)的滲透時(shí)間增加量,即邊界滲透時(shí)間增加量隨著滲透介質(zhì)長(zhǎng)度的增加而增加.

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

將實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)篩選出來(lái)的聚合物納米膠粉在孟家窯煤礦11205工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)注膠后工作面煤體內(nèi)聚力由5.4 MPa提升至8.5 MPa,工作面煤壁片幫次數(shù)明顯減少.

6 結(jié)論

(1)不同膠體的粘度-濃度變化規(guī)律是不同的,聚合物納米膠粉和聚乙烯醇膠體溶液的粘度基本與濃度呈線性關(guān)系.

(2)在同等粘度(340里泊)、同等濃度(2%)兩種條件下,聚合物納米膠粉膠體溶液比羧甲基纖維素、羥丙甲基纖維素、聚乙烯醇、可再分散乳膠粉膠體溶液對(duì)散煤的粘結(jié)強(qiáng)度更高,可使粒徑在1～2 mm的散煤聚合體單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.36 MPa.

(3)隨著濃度的增加聚合物納米膠粉膠體溶液的滲透時(shí)間變大,滲透性降低;隨著注膠距離的增加,滲透時(shí)間的增加量也逐漸增大.

(4)孟家窯煤礦現(xiàn)場(chǎng)注膠實(shí)踐證明,膠體材料在一定程度上能夠減少工作面煤壁片幫.

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Experimental study on colloidal materials optimization for increasing the intensity of soft seam

Pang Lining1,2,Li Chunrui1,2
(1.Department of Mining and Designing,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd., Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Mining and Designing Branch,China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

Aiming at the shortcoming of cement and chemical grout materials applied to rib spalling prevention,viscosity tests of 5 kinds of bonded colloidal materials were introduced,including carboxy methylcellulose,hydroxypropyl methylcellulose,polymer nano-rubber powder, polyvinylalcohol and redispersible latex powder,and contrast tests for increasing the intensity of bulk coals were also introduced,which found out the concentration-viscosity change law of all the materials and showed that the polymer nano-rubber powder could preferably increase the intensity of bulk coals.Using colloidal solutions of polymer nano-rubber powder with different concentrations,the results of permeability tests obtained the different time required by that the colloidal solution with different concentrations permeated different distances in bulk coals with different particle size under the pressure of 0.5 MPa.

soft coal,rib spalling,consolidation colloid,viscosity,intensity of bulk coal, permeability

TD353

A

龐立寧(1990-),男,河北臨城人,碩士,現(xiàn)從事礦山壓力與控制方面研究。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51504136),國(guó)家自然科學(xué)基金(51304118),天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部青年創(chuàng)新基金(KJ-2014-TDKC-11)