型煤制備中成型壓力和保壓時間優(yōu)選的實驗研究

高 霞， 李春雨， 張保勇

(1.黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

工程實踐和理論表明，煤體力學(xué)性質(zhì)的測試對于煤礦井下煤柱合理設(shè)計和巷道安全支護(hù)[1]、煤與瓦斯突出防治以及采動影響下煤層瓦斯抽放具有重要意義[2]。原煤和型煤是進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)測試的基礎(chǔ)，然而大部分煤層裂隙結(jié)構(gòu)、層理和節(jié)理發(fā)育明顯，造成鉆取原煤的成功率降低，阻礙了實驗室的相關(guān)研究[3]。已有研究表明，利用型煤代替原煤進(jìn)行實驗所得滲流特性、變形特性和抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律是一致的，雖然在數(shù)值大小上存在一定的差異[4]。在型煤制備中，成型壓力和保壓時間是影響其成型的重要因素。

目前，已有部分學(xué)者開展了型煤制備過程中成型壓力和保壓時間的確定工作。楊鳳玲等[5]分析了原料粒度(0.45～3.00 mm)組成和成型壓力等因素對型煤成型的影響，揭示了原料粒度組成和成型壓力對型煤強(qiáng)度的影響規(guī)律，結(jié)果表明：隨著0.5 mm以下粉煤的增加，型煤強(qiáng)度有增加趨勢，成型過程中最佳成型壓力為25 MPa。張文彬等[6]探究不同煤粉粒徑(0～0.5 mm)比例、腐植酸鈉膠結(jié)劑摻入量、成型壓力和保壓時間4種因素相互作用下對型煤力學(xué)參數(shù)的作用規(guī)律，結(jié)果表明，型煤的抗壓強(qiáng)度受成型壓力與粒徑比例的影響較大，彈性模量受成型壓力的影響較為明顯。郭懷廣等[7]以陽泉礦區(qū)3#煤層作為實驗室研究對象，型煤粒度為0.5～3.0 mm，實驗?zāi)M了不同加壓條件下煤體抗壓強(qiáng)度的變化情況，型煤的成型壓力確定為31和51 MPa，結(jié)果表明，隨著成型壓力的增大，煤樣單軸抗壓強(qiáng)度不斷減小。田斌等[8]研究發(fā)現(xiàn)，型煤粒度為0.425～2.800 mm，成型壓力為5.5～19.5 MPa時，對大顆粒粉煤成型冷壓強(qiáng)度、熱壓強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性影響較大，對小顆粒粉煤成型冷壓強(qiáng)度、熱壓強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性影響較小。鄧加耀等[9]針對山西大同新榮的煙煤，型煤粒度為0.5～1.0 mm，進(jìn)行了勻速加壓實驗，研究表明：成型壓力越高，型煤的強(qiáng)度越好，但大于30 MPa后，型煤強(qiáng)度不會明顯增加；張金山等[10]對型煤進(jìn)行了正交實驗，型煤粒度為0.6～3.0 mm，發(fā)現(xiàn)成型壓力在30 MPa以上，型煤強(qiáng)度增加很緩慢，而且會帶來脫模困難等問題。趙洪寶等[11]以軟分層煤粉制作的型煤為研究對象，對含瓦斯煤進(jìn)行了單軸壓縮實驗，成型壓力和保壓時間分別是100 MPa和20 min，型煤粒度為0.25～0.42 mm，實驗發(fā)現(xiàn)含瓦斯煤的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線線性階段明顯，特別是線彈性階段和脆性破壞階段的出現(xiàn)。王凱等[12]在利用型煤進(jìn)行單軸壓縮力學(xué)性質(zhì)實驗研究時，其成型壓力和保壓時間確定為100 MPa和3 h，型煤粒度為0.178～0.250 mm。王剛等[13]在利用型煤進(jìn)行變軸壓三軸加載實驗研究時，型煤的成型壓力和保壓時間確定為50 MPa和20 min，型煤粒度為0.425～2.800 mm。許江等[14]以重慶松藻煤礦K2煤層的型煤試件為研究對象，型煤的成型壓力和保壓時間分別是100 MPa和20 min，型煤粒度為0.2～0.3 mm，進(jìn)行了有關(guān)含瓦斯煤力學(xué)特性與滲透特性實驗研究；趙洪寶等[15]以型煤為研究對象，成型壓力和保壓時間分別是100 MPa和20 min，型煤粒度為0.42～0.84 mm，進(jìn)行了含瓦斯煤三軸壓縮實驗。

從目前的研究現(xiàn)狀來看，對型煤成型壓力和保壓時間的研究相對較少，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，型煤制作過程中成型壓力和保壓時間在5.5～100 MPa、20～180 min內(nèi)，煤粉粒徑一般小于3 mm。筆者通過開展成型壓力p和保壓時間t共同作用下對雙鴨山七星煤礦制作的型煤(0.18～0.25 mm)單軸壓縮實驗，重點分析其對型煤強(qiáng)度和變形特性的影響，初步優(yōu)選型煤制備中的成型壓力和保壓時間。

1 實驗系統(tǒng)

文中單軸壓縮實驗由瓦斯固化與力學(xué)性質(zhì)測試一體化裝置開展(圖1)。從圖1中可以看出，該套實驗系統(tǒng)主要由軸壓與圍壓控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)和恒溫箱等組成。軸壓量程為0～60 kN，圍壓量程為0～100 MPa，軸向、徑向監(jiān)測量程分別為0～20 mm、0～10 mm，最大供氣壓力15 MPa，裝置可以滿足實驗要求。

圖1 煤體力學(xué)性質(zhì)測試一體化裝置

2 實驗內(nèi)容與步驟

2.1 試樣制備

實驗中所用煤樣來自雙鴨山礦業(yè)公司七星煤礦。制作型煤時嚴(yán)格按照“煤與巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法”，把采回的原煤粉碎篩分出大小為0.18～0.25 mm(40～60目)的顆粒，取一定量干燥煤粉與定量純水?dāng)嚢杈鶆?，?50、75、100 MPa)作用力下保壓(0.5、1.0、3.0 h)壓制而成。型煤試樣規(guī)格為直徑50 mm，高度100 mm。

2.2 實驗步驟與方案

(1)將試樣安裝到三軸壓力室透氣鋼板上使其與上、下壓頭對齊，套上熱縮管，用熱風(fēng)機(jī)加熱使熱縮管收縮緊貼試樣及上下壓頭，并用扎帶分別將熱縮管的上下兩端與上下壓頭箍緊，試樣密封完成后，安裝軸向引伸計和徑向引伸計，并將其移至三軸壓力室固定；

(2)實驗時首先對煤樣略加軸壓，來保證煤樣頂端壓頭同壓力機(jī)壓頭對準(zhǔn)并緊密結(jié)合；

(3)待試樣與實驗機(jī)完全接觸后，采用位移控制方式進(jìn)行加載，加載速率為0.01 mm/s，直到試樣破壞，實驗結(jié)束；

(4)更換試樣，進(jìn)行下一組實驗。

為了優(yōu)選型煤制備過程中的成型壓力與保壓時間，該實驗對制備好的型煤進(jìn)行不同條件下的單軸壓縮實驗。此次實驗分為3組(成型壓力為50、75、100 MPa)，每組包含3種不同保壓時間(0.5、1.0、3.0 h)煤樣，共進(jìn)行9次單軸壓縮實驗。具體實驗方案如表1所示。

表1 型煤煤樣基本參數(shù)

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變與體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線

圖2為不同成型壓力和保壓時間下煤樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(ε1為軸向應(yīng)變，ε3為徑向應(yīng)變)。圖3為不同成型壓力和保壓時間下煤樣單軸壓縮軸向應(yīng)變-體積應(yīng)變曲線。

圖2 不同成型壓力與保壓時間下煤樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖2可以看出，在50 MPa成型壓力下，煤樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈應(yīng)變硬化型，而在75和100 MPa下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈應(yīng)變軟化型。各狀態(tài)試樣在單軸加載條件下應(yīng)力-應(yīng)變可大致分為彈性、屈服和破壞3個階段。曲線的峰前彈性階段較長，屈服階段較短，但彈性段光滑度較差，隨著成型壓力的增大，峰值后應(yīng)力跌落的趨勢越明顯，相比于成型壓力為50 MPa的煤樣，成型壓力為75和100 MPa的煤樣其破壞階段較明顯，表明隨著成型壓力增大，試樣從延性到脆性過渡，但脆性并不明顯。

圖3 不同成型壓力與保壓時間下煤樣單軸壓縮軸向應(yīng)變-體積應(yīng)變曲線

根據(jù)圖2中煤體單軸壓縮實驗結(jié)果，曲線軸向應(yīng)力-徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變相比，峰前連續(xù)、光滑性更好，且?guī)缀蹙鶠榫€彈性。對于曲線峰后變化，徑向應(yīng)變的變化趨勢與軸向基本相同。3種成型壓力下的應(yīng)力-徑向應(yīng)變曲線重合度較高。相比于成型壓力為75和100 MPa的煤樣，成型壓力為50 MPa的煤樣，在保壓時間為0.5 h情況下的徑向應(yīng)變較大。其中，煤體單軸壓縮體積應(yīng)變εV=ε1+2ε3。

從圖3中可以看出，煤體單軸壓縮體積應(yīng)變曲線總體趨勢基本一致，可以大致分為2個階段，即體積壓縮階段和擴(kuò)容階段。其中體積壓縮階段大部分對應(yīng)試樣軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性加載段，且體積變形階段增加較快，體積應(yīng)變曲線由壓縮階段至擴(kuò)容階段變化較為明顯，但不能說明煤體容易發(fā)生擴(kuò)容[16]。當(dāng)成型壓力為50 MPa時，3種保壓時間的體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線相比之下接近重合，說明在該成型壓力下保壓時間對體積應(yīng)變影響較小。相比于成型壓力為75和100 MPa，成型壓力為50 MPa的煤樣在保壓時間為1 h時的擴(kuò)容點體積應(yīng)變最大。而當(dāng)成型壓力為100 MPa、保壓時間為3 h時，煤樣擴(kuò)容點處的體積應(yīng)變明顯較小。

3.2 峰值強(qiáng)度與彈性模量

圖4a為煤樣單軸抗壓強(qiáng)度隨保壓時間和成型壓力變化關(guān)系。由圖4a可以看出，相對于成型壓力為100 MPa，成型壓力為50和75 MPa時煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度相對較低。當(dāng)保壓時間為0.5 h，成型壓力為50、75 和100 MPa時，煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度分別為0.276、0.645和0.703 MPa，隨著成型壓力增加，煤樣單軸抗壓強(qiáng)度增大幅度分別約為133.70%和8.99%，而當(dāng)保壓時間為1和3 h 時，煤樣單軸抗壓強(qiáng)度增大幅度分別為5.14%～9.93%和8.87%～9.04%?？梢钥闯?，當(dāng)保壓時間為0.5 h時，成型壓力大小對煤樣單軸抗壓強(qiáng)度大小的影響顯著。當(dāng)成型壓力一定(50 MPa)，保壓時間為0.5、1.0、3.0 h時，煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度隨保壓時間的增大而增大。成型壓力為50 MPa、保壓時間為0.5 h時，煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度為0.276 MPa，當(dāng)保壓時間1 h時相應(yīng)增加到0.584 MPa，較0.5 h時增加了111.59%，保壓時間進(jìn)一步提高至3 h時，單軸抗壓強(qiáng)度增至0.620 MPa，較1 h時增加了6.16%?？梢钥闯?，當(dāng)成型壓力為50 MPa時，保壓時間1 h是門檻值，1 h后單軸抗壓強(qiáng)度幾乎不再增加。而當(dāng)成型壓力為75和100 MPa，煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度隨保壓時間的增大呈先減小后增大規(guī)律。煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度分別先由0.645降至0.614 MPa，0.703降至0.675 MPa，分別下降了4.81%和3.98%，再分別由0.614增至0.675、0.675增至0.736 MPa，增長的幅度分別為9.93%和9.04%。由此可以看出，當(dāng)成型壓力為75和100 MPa時，保壓時間對煤樣單軸抗壓強(qiáng)度大小的影響較小，而成型壓力為50 MPa時，煤樣單軸抗壓強(qiáng)度變化較大，這可能是因為在煤樣制作過程中，成型壓力越大，煤樣中裂隙較少、裂縫張開度越小，煤的結(jié)構(gòu)元素間聯(lián)系越強(qiáng)，單軸抗壓強(qiáng)度也就越大[7]。

圖4 不同保壓時間下煤樣單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量隨成型壓力的變化關(guān)系

根據(jù)單軸壓縮實驗應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線，對不同狀態(tài)下煤樣的彈性模量進(jìn)行計算，彈性模量為軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線的近似直線段斜率，文中取應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線近似直線段(20%～70%峰值強(qiáng)度)斜率，計算公式如下：

E=σ1/ε1，

式中：E——彈性模量,MPa；

σ1、ε1——某應(yīng)力狀態(tài)下的軸向應(yīng)力及軸向應(yīng)變。

圖4b為不同保壓時間下煤樣的彈性模量隨成型壓力的變化關(guān)系。由圖4b可見：彈性模量均隨成型壓力和保壓時間的增大而增大。當(dāng)保壓時間為0.5、1.0、3.0 h，成型壓力從50增至100 MPa，煤樣的彈性模量分別從3.54增加到8.44 MPa，5.97增加到9.66 MPa，7.11增加到10.95 MPa，分別增長了54.30%～54.52%、8.21%～49.54%、20.21%～ 28.12%?？梢钥闯?，相比于保壓時間為1和3 h，保壓時間為0.5 h時，成型壓力的大小對煤樣彈性模量的影響較大。成型壓力為50、75和100 MPa狀態(tài)下，保壓時間從0.5增至3 h，煤樣彈性模量分別從3.54增加到7.11 MPa、5.47增加到9.11 MPa、8.44增加到10.95 MPa，分別增長了19.10%～68.64%、18.10%～41.01%、13.35%～ 14.35%。由此可以看出，隨著成型壓力的增大，煤樣彈性模量逐漸增大，且隨著保壓時間的增大，單軸壓縮煤樣彈性模量的增長幅度范圍在逐漸減小。煤樣彈性模量隨成型壓力的增大而增大，主要原因可能是因為隨著成型壓力的增大，改變了煤體原有的性質(zhì)，試樣的黏聚力增大，從宏觀來看，則表現(xiàn)為煤體抵抗變形的能力增強(qiáng)[17]。

通過成型壓力和保壓時間對煤樣的力學(xué)特性影響研究，可以看出：當(dāng)成型壓力為100 MPa時，煤樣彈性模量較成型壓力為50和75 MPa時煤樣彈性模量有較大幅度的增加，且成型壓力為100 MPa時，保壓時間為0.5和3 h的煤樣單軸抗壓強(qiáng)度大小基本相同，因此保壓時間為0.5 h即可以滿足實驗?zāi)康?，進(jìn)而節(jié)約了實驗所用的時間。因此在該次實驗中，最佳成型壓力可定義為100 MPa，最佳保壓時間為0.5 h。

3.3 煤樣破壞模式

圖5為不同成型壓力和保壓時間煤樣宏觀破壞形態(tài)圖和素描圖，圖中粗實線代表張開角度較大的主裂紋。其中，圖5a～i實驗條件分別為50 MPa、0.5 h，50 MPa、1.0 h，50 MPa、3.0 h，75 MPa、0.5 h，75 MPa、1.0 h，75 MPa、3.0 h，100 MPa、0.5 h，100 MPa、1.0 h，100 MPa、3.0 h。

圖5 不同成型壓力與保壓時間煤樣宏觀破壞形態(tài)

由圖5可以看出，單軸壓縮作用下，總體而言煤樣破壞程度較小，在破壞形式上，圖5a～5i的破壞形式以劈裂形式破壞為主，煤樣破壞伴隨著較少的宏觀裂紋產(chǎn)生，這些裂紋傾斜的方向幾乎沿軸向存在。總體而言，保壓時間和成型壓力對破壞模式和破壞角的影響較小，破壞角分布在75°～88°。

4 結(jié) 論

(1)各狀態(tài)煤樣在單軸加載條件下應(yīng)力-應(yīng)變可大致分為彈性、屈服和破壞3個階段，在50 MPa下，煤樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈應(yīng)變硬化型，而在75和100 MPa下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈應(yīng)變軟化型，成型壓力為75 MPa時，3種保壓時間的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線相比之下一致性最好。

(2)當(dāng)成型壓力為100 MPa時，煤樣的彈性模量較成型壓力為50和75 MPa時的煤樣彈性模量有較大幅度的增加，且成型壓力為100 MPa時，保壓時間為0.5 h，和保壓時間為3 h的煤樣單軸抗壓強(qiáng)度大小基本相同，因此最佳成型壓力確定為100 MPa，最佳保壓時間為0.5 h。

(3)煤樣破壞形式以劈裂形式破壞為主，保壓時間和成型壓力對破壞模式和破壞角的影響較小，破壞角分布在75°～88°。