突出煤相似材料綜述及展望

朱墨然，熊云威，戴林超2，，趙 博

（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(guó)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；4.重慶大學(xué) 資源及環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400030）

煤與瓦斯突出是由地應(yīng)力、瓦斯、煤的物理力學(xué)性質(zhì)等綜合作用的結(jié)果[1]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤與瓦斯突出的機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，其中煤與瓦斯突出相似模擬實(shí)驗(yàn)是一種有效的研究方法。目前煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)大多采用型煤代替原煤進(jìn)行，因?yàn)榫哂型怀鑫ｋU(xiǎn)性的煤通常比較破碎且強(qiáng)度較低，難以制成滿足實(shí)驗(yàn)要求的試件。但型煤在力學(xué)特性、吸附解吸特性和滲透特性等方面與原煤存在較大差異，主要體現(xiàn)在型煤相比于原煤具有低強(qiáng)度、低彈性模量和高滲透性的特點(diǎn)[2]。為了更加真實(shí)的還原煤與瓦斯突出現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)相似材料做了大量探索和研究，為制作相似材料提供了豐富的參考資料。為此概括了近年來(lái)突出煤相似材料制作的研究進(jìn)展，對(duì)相似材料性能影響較大的因素進(jìn)行了梳理，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)突出煤相似材料進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，日本學(xué)者氏平增之[3]利用CO2的結(jié)晶冰、松香、水泥及粉煤制作相似材料并進(jìn)行了突出模擬試驗(yàn)，由于松香等原料無(wú)吸附特性，制成的材料在吸附解吸性能方面與原煤差距較大。B.C.Young[4]等人研究了影響型煤強(qiáng)度的主要因素，指出粒徑配比、粒徑大小以及成型工藝是影響型煤強(qiáng)度的主要因素。Nalladurai Kaliyan[5]等人總結(jié)了影響型煤強(qiáng)度的因素，包括原料組成、含水率、顆粒大小、成型溫度、黏結(jié)劑、成型壓力等。張建國(guó)[6]用型煤與原煤進(jìn)行突出模擬試驗(yàn)，型煤試驗(yàn)發(fā)生突出時(shí)形成了突出孔洞、煤樣破壞程度高、突出陣面推進(jìn)速度快這3個(gè)特征與現(xiàn)場(chǎng)煤層發(fā)生的突出過(guò)程完全相似。

此外眾多學(xué)者在相似材料的力學(xué)特性，吸附解吸特性以及滲透性3方面都進(jìn)行了深入的研究。運(yùn)用正交試驗(yàn)等方法得出了多因素影響下對(duì)材料性能的影響規(guī)律，優(yōu)化了相似材料的成型工藝，為突出煤相似材料的制作提供了重要參考。

1）在材料的力學(xué)強(qiáng)度方面，尹光志[7]等對(duì)比了含瓦斯原煤和型煤2種煤樣變形特性與抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明原煤與型煤在變形特性和抗壓強(qiáng)度方面的變化規(guī)律是一樣的，用型煤替代原煤進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)的一般性規(guī)律探討是可行的。蔡成功[8]、鄧全封[9]試驗(yàn)表明相似材料的強(qiáng)度隨成型壓力的增大而增大，成型壓力小于15 MPa時(shí)材料強(qiáng)度增加的梯度大，成型壓力較高時(shí)強(qiáng)度增加的梯度顯著減小。孫朋[10]從原材料的選取、制樣工藝及外界環(huán)境3個(gè)方面對(duì)相似材料的力學(xué)性能進(jìn)行了較為全面的研究，并指出腐植酸鈉濃度、粉煤級(jí)配、成型壓力、堆漚熟化、分層壓制是影響相似材料單軸抗壓強(qiáng)度的主要因素?？迪驖齕11]發(fā)現(xiàn)以煤粉、沙子、石膏、水泥為原料制備的相似材料與原煤的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律接近。

2）在材料的滲透性方面，高魁[12]等對(duì)比了原煤與型煤的滲透率，發(fā)現(xiàn)二者滲透率隨圍壓和瓦斯壓力改變的變化規(guī)律是一致的，實(shí)驗(yàn)室用型煤替代原煤進(jìn)行滲透性試驗(yàn)是可行的。許江[2]、林海飛[13]、何生全[14]等人研究了型煤的滲透率，發(fā)現(xiàn)滲透率與黏結(jié)劑比例呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，通過(guò)控制黏結(jié)劑的添加量能使型煤的滲透率與原煤接近。林海飛[13]通過(guò)正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沖擊次數(shù)和膠砂比對(duì)材料的滲透率影響最大，沖擊次數(shù)越多材料越密實(shí)，膠含量越多材料中孔隙越少，氣體運(yùn)移通道減少，材料滲透率越低。

3）在材料的吸附解吸性能方面，王漢鵬[15]以腐植酸鈉為黏結(jié)劑，試驗(yàn)表明當(dāng)添加20%濃度的腐植酸時(shí)，材料的吸附等溫線與原煤基本一致，并認(rèn)為腐植酸鈉是一種較好的黏結(jié)劑。張淑同[16]發(fā)現(xiàn)在相似材料中加入活性炭能提高材料吸附解吸能力，相似材料在添加了水泥、沙子等非吸附材料后，吸附CO2的能力和原煤吸附CH4的能力保持基本一致。

2 突出煤相似材料性能的影響因素

在相似材料制作過(guò)程中許多因素都可能對(duì)材料的性能產(chǎn)生影響，其中主要影響因素可分為3大類：原材料、制作工藝和環(huán)境因素。具體包含以下幾個(gè)方面：黏結(jié)劑、煤粉的種類、煤粉的粒徑、煤粉的級(jí)配、成型水分、成型壓力和其它因素。

1）黏結(jié)劑對(duì)材料性能的影響。黏結(jié)劑是決定相似材料性能的重要原料，對(duì)材料的強(qiáng)度、吸附解吸性能、滲透性能等都有顯著影響，常用黏結(jié)劑的分類及特點(diǎn)見(jiàn)表1。許江[2]選用水泥為黏結(jié)劑制作型煤，發(fā)現(xiàn)材料的強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨著黏結(jié)劑比例的增大而增大，滲透率隨著黏結(jié)劑添加量的增大而減小。何生全[14]以腐植酸為黏結(jié)劑制作相似材料時(shí)發(fā)現(xiàn)材料的瓦斯吸附量隨著腐植酸比例增大而增大。不同的黏結(jié)劑性質(zhì)差異較大，其中水泥和腐植酸被廣泛采用，因?yàn)樗嗑哂休^高的強(qiáng)度，能使材料強(qiáng)度具有較大的可調(diào)范圍，而腐植酸是從煤中提取的，吸附解吸性能較好，在制作低強(qiáng)度相似材料時(shí)經(jīng)常使用。

表1 黏結(jié)劑分類及特點(diǎn)

2）煤粉的種類對(duì)材料性能的影響。煤粉的種類主要影響試件的吸附解吸性能。因?yàn)椴煌拿壕哂胁煌目紫督Y(jié)構(gòu)，如高階煤比低階煤具有更多的微孔比例即比表面積較大，使得其對(duì)氣體的吸附能力更強(qiáng)。鄭貴強(qiáng)[17]研究發(fā)現(xiàn)，高階煤以微孔為主，擴(kuò)散和吸附所需的平衡時(shí)間長(zhǎng)，中階煤和低階煤以中孔為主，且煤階越高吸附瓦斯能力越強(qiáng)。在制作相似材料時(shí)應(yīng)盡量選擇具有較強(qiáng)吸附解吸性能的高變質(zhì)程度煤，能使相似材料在摻雜黏結(jié)劑、水等無(wú)吸附性的原料后仍能保持較好的吸附解吸性能。

3）煤粉的粒徑對(duì)材料性能的影響。煤粉粒徑對(duì)相似材料強(qiáng)度和吸附解吸性能有影響。煤粉粒徑的大小主要影響比表面積，粒徑越小材料比表面積越大，對(duì)瓦斯的吸附性能越強(qiáng)。許江[18]將不同粒徑煤粉在4 MPa壓力下壓制成型，發(fā)現(xiàn)煤粉粒徑越小材料強(qiáng)度越高且吸附特性越好。此外小粒徑煤粉比大粒徑煤粉具有更好的均一度和規(guī)則度，在成型過(guò)程中更容易被壓密實(shí)而具有更高的強(qiáng)度。陳鵬[19]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在無(wú)黏結(jié)劑情況下煤粉粒徑越小試件強(qiáng)度越大。吳鑫[20]采用不同粒徑的煤粉在4 MPa壓力下制作型煤并測(cè)試單軸抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)粗、中、細(xì)3種粒徑組成的型煤中細(xì)粒徑型煤強(qiáng)度最大。制作相似材料時(shí)煤粉粒徑一般取0.2~1 mm，該粒徑區(qū)間制作的相似材料較為密實(shí)、強(qiáng)度較高且表面較平整光滑，過(guò)大的粒徑會(huì)使材料表面粗糙且強(qiáng)度降低。

4）煤粉級(jí)配對(duì)材料性能的影響。不同煤粉粒徑的搭配對(duì)試件性能也有影響。在相似材料制作過(guò)程中，不同粒徑的煤粉在材料中的作用不同，粗粒級(jí)煤粉起骨架作用，細(xì)粒級(jí)煤粒能有效充填空隙。若粗粒級(jí)煤粒過(guò)多則煤粒間隙不能得到有效充填，材料在壓力作用下間隙容易擴(kuò)張，形成斷裂面使材料強(qiáng)度降低；若細(xì)粒級(jí)煤粒過(guò)多，會(huì)造成比表面積過(guò)大，在黏結(jié)劑一定的情況下會(huì)使黏結(jié)劑不能均勻有效的和煤粉結(jié)合，將使材料強(qiáng)度降低[21]。蘇小鵬[22]試驗(yàn)表明：粗粒徑0.45 mm煤粉與細(xì)粒徑0.15 mm煤粉各占50%時(shí)材料的強(qiáng)度最大，材料的滲透率隨細(xì)粒徑煤粉含量的增加而降低。制作相似材料時(shí)煤粉級(jí)配通常是粗粒徑與細(xì)粒徑煤粉1∶1混合，能使材料有效充填密實(shí)、強(qiáng)度更大。

5）成型水分對(duì)材料性能的影響。水分對(duì)相似材料強(qiáng)度、滲透率和吸附解吸能力都有較大影響。若以水泥為黏結(jié)劑，在水泥含量不變的情況下，材料強(qiáng)度隨水分含量的增加而增大，當(dāng)水分達(dá)到水泥最小需水量后材料的強(qiáng)度保持不變。研究發(fā)現(xiàn)[23-25]：水分能與煤體內(nèi)瓦斯發(fā)生微觀相互作用，改變瓦斯的吸附解吸特性，因?yàn)槊褐杏性S多極性官能團(tuán)，這些官能團(tuán)是親水的，水分會(huì)優(yōu)先于氣體占據(jù)這些極性官能團(tuán)位點(diǎn)，同時(shí)水分會(huì)減小了煤體的孔徑，阻礙了瓦斯的運(yùn)移通道，降低瓦斯在煤中的擴(kuò)散能力。不同的原料或黏結(jié)劑組成，在制作相似材料時(shí)的需水量不同，常見(jiàn)的以水泥為黏結(jié)劑時(shí)，添加水分質(zhì)量占固體原料質(zhì)量的比例大約為10%~15%時(shí)能使材料強(qiáng)度達(dá)到最大。

6）成型壓力對(duì)材料性能的影響。成型壓力對(duì)相似材料強(qiáng)度和滲透率影響較大。相似材料壓制過(guò)程中，隨著壓力的不斷增大，物料顆粒間的空隙被逐漸壓縮體積減小。合適的成型壓力能使相似材料強(qiáng)度最大，成型壓力過(guò)小則不能有效密實(shí)物料；壓力過(guò)大則可能使原料從模具中擠出破壞模具，材料的性能也不可控制。王衛(wèi)東[26]試驗(yàn)表明型煤的機(jī)械強(qiáng)度隨成型壓力的增大而增大。目前大型煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的最大加載壓力為25 MPa，制作相似材料時(shí)成型壓力一般控制在25 MPa內(nèi)。

7）其它因素。材料制作過(guò)程中物料的攪拌時(shí)間、保壓時(shí)間、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、溫度等都會(huì)影響材料的性能。攪拌時(shí)間越長(zhǎng)能使物料之間充分混合均勻，時(shí)間一般為5 min[27]。保壓時(shí)間越長(zhǎng)材料的強(qiáng)度越大，保壓時(shí)間超過(guò)15 min后強(qiáng)度幾乎不變；分層壓制能更好的壓實(shí)模具中部的物料，比一次壓制成型具有更高的強(qiáng)度；壓制好的相似材料需要時(shí)間使物料間進(jìn)行充分反應(yīng)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)試件強(qiáng)度越高，養(yǎng)護(hù)15 d之后強(qiáng)度幾乎不變[10]。

3 主要研究成果及存在問(wèn)題

3.1 主要研究成果

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者的努力，相似材料的制作取得了豐富的成果，材料的性能參數(shù)可調(diào)整范圍越來(lái)越大，同時(shí)在力學(xué)性能、吸附解吸性能以及滲透性能3個(gè)方面中分別實(shí)現(xiàn)了越來(lái)越接近于原煤，得出了各因素對(duì)相似材料性能的影響規(guī)律。主要成果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）掌握了常用原材料組分對(duì)相似材料性能的影響規(guī)律。其中黏結(jié)劑比例對(duì)相似材料的性能影響較大，試件強(qiáng)度隨黏結(jié)劑比例的增加而增大。在煤粉級(jí)配方面，大小顆粒以適當(dāng)比例混合時(shí)能使材料更加密實(shí)，強(qiáng)度更大。此外添加活性炭能有效提高相似材料的吸附解吸性能。

3.2 APP和Aβ APP是Ⅰ型膜蛋白，它可以被β-和γ-分泌酶依次切割而產(chǎn)生Aβ(AD老年斑的主要成分)。APP基因中有超過(guò)30個(gè)突變與家族性早發(fā)AD相關(guān)[10]。早期研究表明AD神經(jīng)突內(nèi)有自噬體聚集，且這些自噬體中存在APP、Aβ、CTF和BACE，所以自噬被認(rèn)為是導(dǎo)致Aβ產(chǎn)生的原因[7,11]。但是，進(jìn)一步研究自噬本身及其與AD的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)，APP、Aβ、CTF和BACE其實(shí)是自噬的底物[12]。雷帕霉素、牛蒡甙元、卡馬西平等藥物能活化自噬從而降解Aβ和其他致病性蛋白來(lái)預(yù)防AD[13]，這些證據(jù)也支持了上述觀點(diǎn)。

2）得出了成型工藝與參數(shù)對(duì)相似材料性能的影響規(guī)律。成型壓力越大，材料越密實(shí)強(qiáng)度越高，滲透性越低。通過(guò)分層壓制能有效壓實(shí)模具中部的煤粉，使試件強(qiáng)度更高。保壓時(shí)間越長(zhǎng)，材料的強(qiáng)度越大。養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)黏結(jié)劑與原料間的反應(yīng)越充分，材料強(qiáng)度越大。

3）建立了材料強(qiáng)度與各影響因素之間的配比模型，前人通過(guò)不同的原料配比試驗(yàn)分析總結(jié)出了不同的試驗(yàn)配比模型。

3.2 存在問(wèn)題

目前相似材料的研究從原材料的選取到制作工藝等方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但尚存在一些不足：

1）相似材料與原煤性能差異較大。目前的研究大多數(shù)僅針對(duì)單一性能指標(biāo)進(jìn)行，未綜合考慮相似材料在力學(xué)性能、吸附解吸性能和滲透性能3方面與原煤之間相似程度的問(wèn)題。

2）原材料及工藝等未標(biāo)準(zhǔn)化。不同的原材料規(guī)格、制作工藝、模具類型及養(yǎng)護(hù)條件對(duì)相似材料性能的影響偏差較大。

3）相似材料相似度的評(píng)價(jià)方法有待建立。相似材料與原煤各性能參數(shù)的差異造成突出模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的不同，建立二者之間的聯(lián)系以及如何評(píng)價(jià)相似材料的性能具有重大意義。

4 發(fā)展方向及建議

相似材料作為煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)中必不可少的一部分，應(yīng)盡量使相似材料各方面的性能與目標(biāo)原煤的性能相同。而要使相似材料各個(gè)參數(shù)與原煤完全相同非常困難，這就需要協(xié)調(diào)相似材料各性能參數(shù)，同時(shí)建立相似材料的定量評(píng)價(jià)方法，把相似材料的研究不斷完善。今后的研究工作應(yīng)著力于以下幾個(gè)方面：

1）全面考察相似材料的力學(xué)性能、吸附解吸性能以及滲透性能，因?yàn)槊号c瓦斯突出是1個(gè)氣固耦合的過(guò)程。采用正交試驗(yàn)等方法探究多因素綜合作用下對(duì)材料多個(gè)性能參數(shù)的影響規(guī)律。

2）對(duì)原材料和制作工藝等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)原材料規(guī)格、模具類型、制作步驟、養(yǎng)護(hù)條件等進(jìn)行統(tǒng)一，以減小相似材料的性能誤差，建立統(tǒng)一的相似材料配比模型。

3）建立相似材料的定量評(píng)價(jià)方法。通過(guò)比較相似材料與原煤的各項(xiàng)性能參數(shù)，分別進(jìn)行突出模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立二者之間的聯(lián)系，并找出合適的評(píng)價(jià)方法對(duì)相似材料進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5 結(jié)語(yǔ)

相似材料作為煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，對(duì)研究煤與瓦斯突出機(jī)理具有重要作用。目前已經(jīng)得出了原材料、制作工藝和環(huán)境因素對(duì)相似材料性能的影響規(guī)律，建立了單一性能參數(shù)的相似材料配比方案。由于煤與瓦斯突出是一個(gè)固氣耦合過(guò)程，需要相似材料在力學(xué)性能、吸附解吸性能和滲透性能3方面與原煤相似，同時(shí)建立相似材料與原煤進(jìn)行突出模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)二者實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的聯(lián)系，為進(jìn)一步研究煤與瓦斯突出機(jī)理奠定基礎(chǔ)。