不同含水率煤體的物理力學(xué)性質(zhì)試驗研究①

邱吉龍

(寶雞秦源煤業(yè)有限公司，陜西寶雞 721202)

0 引言

我國的煤炭賦存地質(zhì)條件，煤礦事故在世界上最為嚴(yán)重，其事故死亡人數(shù)占整個工業(yè)死亡人數(shù)的60%，百萬噸死亡率是美國的160倍，印度的10倍。在眾多的煤礦事故中，瓦斯事故危害最大。煤層注水是進(jìn)行煤礦瓦斯災(zāi)害預(yù)防與治理的技術(shù)之一，雖然幾十年來一直在應(yīng)用，但由于長期以來瓦斯災(zāi)害發(fā)生機(jī)理，特別是煤與瓦斯突出機(jī)理研究上沒有重大突破，造成對煤層注水防治瓦斯機(jī)理認(rèn)識存在較大分歧。目前對煤層注水防治瓦斯突出有利的認(rèn)識主要體現(xiàn)在三個方面［1－2］:一是注水后改變了煤的物理力學(xué)性質(zhì)，消除了開采過程中煤體彈性能的突然釋放;二是煤體吸水后降低煤層瓦斯吸附含量;三是煤體吸水后放散初速度變小;其中注水后煤體物理力學(xué)性質(zhì)的改變對突出的影響最大。因此，研究不同含水率煤體的物理力學(xué)性質(zhì)，對提高煤層注水防治瓦斯突出機(jī)理認(rèn)識，規(guī)范煤層注水工藝技術(shù)，指導(dǎo)煤礦瓦斯防治工作具有重要意義。

1 試驗裝置

根據(jù)試驗需要，自行研制并加工了注水加壓模擬實驗裝置，可以完成煤樣不同壓力下的注水試驗。裝置主要由承壓筒、加壓泵、水槽、高壓管線、高壓球閥等組成，試驗裝置原理見圖1。試驗承壓筒為圓筒形，設(shè)計耐壓12 MPa，內(nèi)置網(wǎng)狀隔板，以保證煤樣能夠放置其中時周邊皆能受壓濕潤。加壓泵為手動試壓泵，可達(dá)壓力20 MPa。將加工處理好的煤樣逐個放入注水加壓實驗裝置的承壓缸中，即可進(jìn)行注水加壓滲流實驗。

2 試驗過程

實驗煤樣取自寶雞戚家坡煤礦，共3組煤樣，并對每組煤樣進(jìn)行稱重，精確到0.1 g;然后將煤樣放入100°～105°的恒溫箱中干燥六小時以上，干燥后冷卻至室溫;再對干燥后的各個試樣稱重精確到0.1 g。

然后按以下過程進(jìn)行不同注水試驗:

1)記錄干燥后的試驗煤樣初始質(zhì)量，將其按一定順序排列在承壓筒內(nèi)網(wǎng)狀隔板上，封閉封頭，擰緊所有螺栓;

2)進(jìn)水時，關(guān)閉排水孔，打開排氣孔，液體由進(jìn)水孔進(jìn)入承壓筒，當(dāng)承壓筒內(nèi)充滿液體時，關(guān)閉進(jìn)水孔;如為常壓注水試驗這時可調(diào)整排氣孔使承壓筒內(nèi)水壓為零;如需加壓注水試驗，則可使用手動加壓泵加壓至試驗要求壓力時，關(guān)閉加壓孔，即可使煤樣在試驗壓力下吸水;如試驗添加表面活性劑，可將注入水改為添加表面活性劑后的溶液。

3)注水達(dá)到設(shè)定時間后，即可進(jìn)行排水取煤樣。這時打開排氣孔和排水孔，承壓筒內(nèi)水即可自由流入至水槽中。

4)將注水后的煤樣放置于真空干燥箱干燥后稱重，即可按式(1)計算煤樣的含水率。

式中:

w0——煤樣的含水率;

m0——烘干前煤塊試樣質(zhì)量或浸水后試樣，g;

md——烘干后試樣質(zhì)量，g。

圖1 試驗裝置原理圖

3 不同含水率煤體物理力學(xué)性質(zhì)試驗結(jié)果分析

3.1 煤體含水率與注水方式關(guān)系

選取三組煤樣分別進(jìn)行了自然常壓、加壓(3 MPa)、添加表面活性劑加壓(3 MPa)條件下煤樣含水率的測定試驗，結(jié)果如圖2所示。

圖2 三種條件下煤樣含水率與浸水時間關(guān)系

由圖2可以看出，加壓和添加表面活性劑加壓注水，煤樣增濕速度較快，吸水量也較大，增濕速度和吸水量都比常壓注水實驗要高。本次3MPa壓力下純水與添加表面活性劑注水實驗，在注水的前兩天煤體吸水率相差不大，但兩天以后，添加表面活性劑注水實驗煤樣吸水量增多，含水率逐漸超過加壓注純水，說明添加表面活性劑濕潤煤體的效果比較低壓力下的注水效果好。

另外還有一個明顯的現(xiàn)象是:添加表面活性劑注水實驗中，煤樣達(dá)到最低飽和含水率的時間要短，4天即達(dá)到最低飽和含水率，而常壓實驗和加壓實驗都需要6天。因此添加表面活性劑可實現(xiàn)短期內(nèi)快速注水，可在短時間內(nèi)改變煤體的含水率。

3.2 煤體含水率與抗壓強(qiáng)度、彈性模數(shù)、塑性指數(shù)關(guān)系

選取兩組煤樣進(jìn)行不同含水率的煤體物理力學(xué)性質(zhì)試驗，煤體含水率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系見圖3，煤體單軸抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增加而減小，當(dāng)煤樣達(dá)到飽和含水率時單軸抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。煤體彈性模數(shù)隨著煤體含水率的增加也呈現(xiàn)出減小趨勢(圖4)，而塑性指數(shù)則隨著煤體含水率的增大而增大(圖5)。

圖3 煤樣含水率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

圖4 煤樣含水率與彈性模數(shù)關(guān)系

圖5 煤樣含水率與塑性指數(shù)關(guān)系

圖6 煤樣含水率與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

煤體含水率與煤體物理力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系與國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果相同［3－4］，即煤體中水分的增加可以降低煤體的抗壓強(qiáng)度和彈性，使煤體塑性增加。煤體這種物理力學(xué)性質(zhì)的改變，對于防治煤與瓦斯突出極為有利。由普遍接受的煤與瓦斯突出的綜合假說可知:突出是由煤的物理力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力和瓦斯壓力綜合作用的結(jié)果，其突出有準(zhǔn)備、發(fā)生和發(fā)展過程。在突出的準(zhǔn)備階段，基本動力是煤體的彈性潛能釋放所轉(zhuǎn)化而來的動能，使煤體受到破壞，該能量的釋放隨煤體彈性的增大而增大，而且其釋放方式也隨煤體的物理力學(xué)性質(zhì)不同而不同。當(dāng)煤體是脆性破壞時，該能量的釋放是快速和突然的;當(dāng)煤體是塑性變壞時，其能量釋放則相對較緩慢平緩。

3.3 煤體含水率與應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系

選擇兩組煤樣，以浸水和不浸水作對比，進(jìn)行煤體含水率與應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系試驗研究，結(jié)果如圖6。從圖中可以看出，與不浸水的干煤樣相比，含水后的煤體其應(yīng)力－應(yīng)變曲線相對變得平緩，煤體應(yīng)力減小，應(yīng)變增大，即在同一應(yīng)力情況下，煤體應(yīng)變增大，表明煤體塑性增大、脆性減小，煤樣最終將發(fā)生塑性破壞，其突然失穩(wěn)破壞的可能性減小。

煤體含水后這種力學(xué)性質(zhì)的改變，使得煤層發(fā)生突出的危險性降低。注水后的煤體強(qiáng)度降低，塑性增大，易于破裂，從而能夠使采掘工作面前方破裂帶長度增加。這樣，工作面前方相當(dāng)一部分瓦斯在暴露前，早已通過破裂帶向工作面空間緩慢釋放，卸壓帶長度增寬，使含有高壓瓦斯的煤體遠(yuǎn)離工作面，從而減小了突出危險性。

4 添加表面活性劑注水改變煤體力學(xué)性質(zhì)機(jī)理

煤體裂隙和孔隙系統(tǒng)在注水壓力、毛細(xì)管作用力和分子作用力的共同作用下吸附水分，壓力水在煤體中的流動過程也是改變煤體力學(xué)性質(zhì)的過程。煤層注水時，水首先是進(jìn)入連通的大孔中，然后再滲入小孔、微孔。若煤不能被水濕潤，則水不能在煤體裂隙、孔隙內(nèi)表鋪展，則與孔隙、裂隙內(nèi)壁接觸的仍然是煤體中原有的氣體，當(dāng)水的飽和度很大時，水仍然會成為連續(xù)相并發(fā)生流動。但這種流動由于氣體是濕潤相并被吸附在裂隙、孔隙內(nèi)表面上形成一層可能是單分子或多分子的薄膜形成的空間流動。氣體形成的薄膜隔斷了煤與水的接觸，使水無法與煤體發(fā)生任何的物理與化學(xué)作用，從而也不能改變煤體的力學(xué)性質(zhì)。

當(dāng)水能夠被煤體濕潤時，水分子與煤分子的距離相近到一定程度后，水分子就會被煤體裂隙、孔隙表面的剩余吸引力所吸引，將被拉向煤壁內(nèi)。當(dāng)此吸引力大于水分子之間的Van der Waals力時，水分子就會擠進(jìn)煤體表面及其附近的煤分子之間。煤分子受到水分子的浸入后，使煤分子之間的聯(lián)系減弱，煤分子之間的距離增大發(fā)生膨脹，導(dǎo)致水分子不斷擠進(jìn)煤分子間。如果煤體裂隙、孔隙表面擠入水分子后，表面還有剩余吸引力，則表面外部水分子將不斷擠入，并逐漸將水分?jǐn)D入煤體深部，使煤體膨脹層加厚、膨脹量增加，直至剩余吸引力為零，這時煤體即達(dá)到飽和吸水狀態(tài)［5－6］。

添加表面活性劑注水，一方面改變水的濕潤性，使水能夠在煤體裂隙、孔隙表面鋪展，從而產(chǎn)生水分子與煤分子之間的吸引，使水分子在煤體表面剩余吸引力的作用下不斷進(jìn)入煤體內(nèi)部;另一方面，中高壓注水將會使煤體原有裂隙得到擴(kuò)展或產(chǎn)生新的裂隙，從而使表面活性劑溶液不斷能夠接觸鋪展在新的裂隙表面，進(jìn)一步增加煤體的吸水能力。

煤體中擠入水分子后，煤分子被水所包圍，則水分子之間、水分子和煤分子之間、煤分子之間的Van der Waals力將發(fā)生改變。Van der Waals力產(chǎn)生的分子之間作用的勢能與分子質(zhì)心之間距離的六次方成反比。因此，距離越大，Van der Waals力產(chǎn)生的分子作用勢能越小，則分子間相到吸引力大大減小。煤體注水后，煤分子之間擠入了水分子，使原有煤分子之間的距離增大，當(dāng)增大的距離為煤表面吸附水層兩倍厚度時，煤分子之間的Van der Waals引力將大大減?。?］。另外，煤分子之間充滿水分子形成水膜，對煤體起到潤滑劑的作用，使煤體弱面的上下分層相對位移更容易，可縮性和流動性更強(qiáng)，其結(jié)果是煤體疏松、彈性減小、塑性增加。

5 結(jié)論

1)自行研制并加工了注水加壓模擬實驗裝置，進(jìn)行了常壓自然、加壓、添加表面活性劑加壓注水試驗。添加表面活性劑加壓注水，煤樣達(dá)到最低飽和含水率的時間最短，液體在煤體孔隙內(nèi)是外壓、毛細(xì)管力、濕潤作用、氣體壓力(如瓦斯)等綜合作用下的壓力滲流運動。

2)煤體單軸抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增加而減小，當(dāng)煤樣達(dá)到飽和含水率時單軸抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定;煤體彈性模數(shù)隨著煤體含水率的增加也呈現(xiàn)出減小趨勢，而塑性指數(shù)則隨著煤體含水率的增大而增大。煤體含水率增大后彈性減小，塑性增大，減少了突出準(zhǔn)備階段所需的彈性潛能，能量相對較緩慢平緩，對防治突出有利。

3)煤體含水后其應(yīng)力－應(yīng)變曲線相對變得平緩，煤體應(yīng)力減小，應(yīng)變增大，使工作面前方卸壓帶長度增寬，煤體突然失穩(wěn)破壞的可能性減小，減小了突出危險性。

4)添加表面活性劑增加水的濕潤性，使水分子在煤體表面剩余吸引力的作用下不斷進(jìn)入煤體內(nèi)部，使煤分子之間的作用力減弱，宏觀上使煤體變得松散軟化，煤體強(qiáng)度降低。另外，煤分子之間充滿水分子形成水膜，對煤體起到潤滑劑的作用，使煤體弱面的上下分層相對位移更容易，可縮性和流動性更強(qiáng)。

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