水分對(duì)突出煤相似材料力學(xué)特性及瓦斯解吸性能的影響

高華禮，孫海濤，戴林超，何明川，朱墨然

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出災(zāi)害是影響我國煤炭資源開采的主要難題，但其發(fā)生機(jī)制十分復(fù)雜，目前還沒有對(duì)煤與瓦斯突出機(jī)制和規(guī)律的科學(xué)解釋[1]。煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)是一種研究煤與瓦斯突出的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律的有效方法，而相似材料是進(jìn)行煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)的重要因素，決定著模擬實(shí)驗(yàn)的還原相似性[2]。

在煤體相似材料的研制方面：Young B[3]、Kaliyan Nalladurai[4]等通過對(duì)相似材料強(qiáng)度的試驗(yàn)研究與總結(jié)，指出影響相似材料強(qiáng)度的因素有原料組成、含水率、顆粒大小、成型溫度、黏結(jié)劑、成型壓力等；田斌[5]、蘇小鵬[6]等研究了煤粉粒徑對(duì)相似材料強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的粒度配比情況是小粒徑煤粉能完全充填大粒徑煤粉之間的孔隙；許江等[7]以水泥為黏結(jié)劑研究了不同黏結(jié)劑質(zhì)量占比條件下相似材料的力學(xué)及滲透性特征，指出黏結(jié)劑質(zhì)量配比為煤粉∶水泥∶水=0.8∶0.2∶0.1的型煤在力學(xué)和滲透特征方面與原煤最為接近；王漢鵬等[8]選擇腐殖酸為黏結(jié)劑制成的相似材料在吸附性方面與原煤一致，但強(qiáng)度較低。而水作為突出煤相似材料成型的必要條件，能與黏結(jié)劑發(fā)生水化反應(yīng)，選用不同黏結(jié)劑制作突出煤相似材料的需水量不同。基于上述分析，筆者在不同含水率及成型壓力條件下制作突出煤相似材料，探究以水泥作為黏結(jié)劑時(shí)，水分對(duì)其力學(xué)性能和瓦斯解吸性能的影響規(guī)律。

1 突出煤相似材料研制

1.1 原料的選擇

在煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)中，相似材料在滿足物理力學(xué)特性相似的同時(shí)，還要滿足吸附、解吸特性。本次實(shí)驗(yàn)采用的原料為黏結(jié)劑、骨料、水。有研究表明：用單純煤粉壓制成的型煤強(qiáng)度極低，為配制出強(qiáng)度較高且調(diào)節(jié)范圍較大的型煤，必須添加黏結(jié)劑。常用的黏結(jié)劑有腐殖酸鈉、石膏及水泥等[9]。腐殖酸鈉是煤的提取物，本身具有吸附特性，但配制出的型煤強(qiáng)度偏低；石膏對(duì)型煤強(qiáng)度的影響幅度較小；水泥對(duì)型煤強(qiáng)度的影響較大，能以較小添加比例獲得較大的型煤強(qiáng)度，且對(duì)瓦斯放散初速度方面的影響較小[10]。

突出模擬實(shí)驗(yàn)相似材料一般選用煤粉作為骨料，煤粉與原煤的物理性質(zhì)及吸附、解吸性能接近，能保證相似材料與原煤的相似性[11]。煤粉粒徑對(duì)型煤力學(xué)特性影響較大，為克服配制的型煤強(qiáng)度低這一問題并實(shí)現(xiàn)配制方便，篩分出粒徑小于0.18 mm和0.18～0.25 mm的煤粉，按質(zhì)量比1∶1均勻混合 2種粒徑煤粉。煤粉取自渝陽煤礦M8煤層，水泥選用市場上購買的P·O52.5普通硅酸鹽水泥，水選用自來水。

1.2 試件的制備

為配制出強(qiáng)度較高且與原煤有較高相似度的突出煤相似材料，煤粉與水泥采用固定比例，即煤粉與水泥質(zhì)量比為8∶2。相似材料的含水率設(shè)計(jì)5個(gè)水平：12%、14%、16%、18%、20%；成型壓力設(shè)計(jì)4個(gè)水平：10、15、20、25 MPa。每個(gè)水平2個(gè)試件，共16個(gè)試件。各試件的配比方案與成型壓力如表1所示。

表1 各試件的配比方案及成型壓力

將煤樣破碎后篩分出不同粒徑的煤粉，將相應(yīng)的煤粉和黏結(jié)劑均勻混合后加入不同質(zhì)量的水并攪拌均勻，然后向相似材料壓制模具中裝入適量攪拌均勻的煤粉、水泥、水混合物。采用TAW-2000微型控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，以500 N/s的加載速率加載到成型壓力后保壓15 min，最后脫模、貼標(biāo)簽并自然養(yǎng)護(hù)15 d后放入烘干箱烘干6 h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將烘干的試件稱重后，利用TAW-2000微型控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)測試型煤試件的單軸抗壓強(qiáng)度，加載方式采用位移控制，加載速率為0.48 mm/min，直到試件破壞。典型試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 典型試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線

測試出的各試件物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 各試件物理力學(xué)參數(shù)

2.1 突出煤相似材料單軸抗壓強(qiáng)度特性分析

水泥與煤粉加水拌和后，硅酸鹽水泥與一部分水接觸發(fā)生水解和水化作用、離子交換和團(tuán)?；饔?以及硬凝反應(yīng)，且水泥的水化硬化是一個(gè)較長時(shí)期不斷進(jìn)行的過程，所以制作的相似材料的強(qiáng)度在15 d內(nèi)變化會(huì)較大。另一部分水以自由狀態(tài)存于煤體孔隙、裂隙中[12]。

由表2可知，在本次實(shí)驗(yàn)的相似材料配制過程中通過改變含水率和成型壓力使型煤強(qiáng)度在5.13～8.99 MPa內(nèi)波動(dòng)。每組求其平均值得到突出煤相似材料單軸抗壓強(qiáng)度與含水率之間的關(guān)系如圖2所示，以及突出煤相似材料單軸抗壓強(qiáng)度與成型壓力之間的關(guān)系如圖3所示。

圖2 單軸抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系

圖3 單軸抗壓強(qiáng)度與成型壓力的關(guān)系

從圖2中可以看出：含水率在12%～16%時(shí)，材料的單軸抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加而增大；當(dāng)含水率超過16%時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度反而隨含水率的增加而減小。這是由于在突出型煤壓制過程中相似材料的含水率超過16%后，水會(huì)沿著磨具底部的縫隙和上部的壁間間隙溢出，且水分溢出量會(huì)隨著水分比例的增加而增加。水、水泥、煤粉已混合均勻，水的溢出會(huì)帶著水泥和煤粉流失，水泥的流失導(dǎo)致了突出型煤強(qiáng)度降低。水的溢出量越大，突出型煤強(qiáng)度越低。

由表1與圖3可知，在含水率為20%時(shí)，材料的單軸抗壓強(qiáng)度隨成型壓力的增大而增大。這是由于成型壓力決定了整個(gè)試件的壓實(shí)程度，成型壓力越大突出型煤的密實(shí)度越高。含水率20%的型煤壓制過程中，通過裝入磨具煤粉質(zhì)量與脫模后質(zhì)量之差，發(fā)現(xiàn)水分的溢出量隨成型壓力的增大而增大，說明成型壓力對(duì)突出型煤的脫模時(shí)含水率有影響。成型壓力越小，型煤成型后含水率越大，型煤烘干后的孔隙率越大，導(dǎo)致了型煤單軸抗壓強(qiáng)度越低。

2.2 突出煤相似材料吸附解吸特征分析

水分子在煤體內(nèi)存在2種形式：水分子以分子層的形式吸附在煤的孔隙內(nèi)，這些水分子層與煤的表面緊密聯(lián)系；水分子以自由狀態(tài)存在于煤體孔隙、裂隙中[13]。水分子進(jìn)入煤體孔、裂隙后，存在4種分布狀態(tài)[14-15]，如圖4所示。狀態(tài)a為少量水進(jìn)入煤體，此時(shí)水分子對(duì)孔壁的吸附能力大于甲烷，部分甲烷吸附位被水分子代替，減小了孔徑和裂隙尺寸，減少了瓦斯運(yùn)移通道；狀態(tài)b為隨著水分增加，甲烷吸附位進(jìn)一步被水分子占據(jù)，在孔、裂隙表面形成一層單分子的水分子吸附薄膜；狀態(tài)c為水分進(jìn)一步增加，完全充滿孔隙容積，與孔隙內(nèi)甲烷形成一個(gè)凹形接觸面，進(jìn)而對(duì)甲烷產(chǎn)生毛細(xì)壓力p1，孔、裂隙內(nèi)封堵的甲烷形成的孔隙壓力p2與p1和外界的p3達(dá)到一種動(dòng)態(tài)的平衡，即p2=p1+p3；狀態(tài)d為當(dāng)外界的壓力p3突然降低，壓力平衡狀態(tài)發(fā)生改變，p2>p1，甲烷開始解吸，此時(shí)水分子的封堵作用會(huì)降低甲烷解吸強(qiáng)度。

1—煤；2—吸附狀態(tài)水；3—自由狀態(tài)水；

采用WFC-2型瓦斯放散初速度指標(biāo)自動(dòng)測定儀測定不同含水率相似材料的CO2、CH4放散初速度，測定結(jié)果見圖5。對(duì)不同含水率條件下制作出的型煤，其CO2、CH4放散初速度隨著含水率的增加而減小。這是由于水對(duì)孔壁的吸附能力大于甲烷，隨著含水率的增加，水分子占用了大量的孔壁的吸附表面積，且水分子充滿相似材料的孔、裂隙，減小了裂隙尺寸，使CO2、CH4的運(yùn)移通道減小，降低了其放散初速度。相同條件下相似材料對(duì)CO2的吸附能力大于CH4，與原煤的性質(zhì)一致。

圖5 放散初速度變化曲線

3 結(jié)論

1)在成型壓力25 MPa、黏結(jié)劑為相同質(zhì)量水泥時(shí)，隨著相似材料含水率的增加，配制出的型煤單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，含水率在16%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值。含水率超過16%時(shí)，在型煤壓制過程中，多余水分的溢出帶著水泥和煤粉的流失，導(dǎo)致了突出型煤強(qiáng)度的降低。

2)相似材料的含水率在20%時(shí)，成型壓力通過改變突出煤相似材料的密實(shí)度及成型后含水率，影響了烘干后相似材料的單軸抗壓強(qiáng)度。成型壓力越大，突出煤相似材料成型后密實(shí)度越大、含水率越低，單軸抗壓強(qiáng)度越大。

3)水分子主要作用于煤體微小孔、裂隙，引起“水鎖效應(yīng)”，降低相似材料的吸附解吸強(qiáng)度；CO2、CH4放散初速度隨含水率的增加而減小，且相同配比下突出煤相似材料對(duì)CO2的吸附能力大于CH4。