低溫對(duì)不同水分條件下煤的堅(jiān)固性系數(shù)影響研究

閆 靜，孫 臣

(1.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； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出是煤礦瓦斯災(zāi)害中的一種極其復(fù)雜的動(dòng)力災(zāi)害，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在煤與瓦斯突出機(jī)理研究中成果豐碩，從研究結(jié)果來(lái)看，煤體自身強(qiáng)度是煤與瓦斯突出的關(guān)鍵影響因素之一[1-5]。所以，提高煤體力學(xué)強(qiáng)度是有效防治煤與瓦斯突出的重要途徑。謝雄剛等[6]研究了凍結(jié)溫度下突出煤樣的力學(xué)性質(zhì)，結(jié)果表明隨著凍結(jié)溫度的降低，成型煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量都明顯增大。董若蔚[7]開(kāi)展了液氮凍結(jié)狀態(tài)下煤體力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究，采用單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂實(shí)驗(yàn)測(cè)量了液氮凍結(jié)狀態(tài)下煤體的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液氮凍結(jié)對(duì)煤體的力學(xué)性質(zhì)有顯著的提升作用。張辛亥等[8]進(jìn)行了凍結(jié)溫度(-60～20 ℃)條件下煤巖樣的單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明煤巖體的單軸抗壓強(qiáng)度隨著溫度降低有增加趨勢(shì)。以上學(xué)者研究表明，通過(guò)降低煤層溫度從而提高煤體力學(xué)強(qiáng)度是一種行之有效的方法。

煤的堅(jiān)固性系數(shù)是煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定的重要參數(shù)之一[9-10]，也是鑒定參數(shù)中能夠反映煤體力學(xué)強(qiáng)度的唯一參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，煤的堅(jiān)固性系數(shù)越小，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性越高。影響煤的堅(jiān)固性系數(shù)的因素有：煤的變質(zhì)程度、水分、灰分、溫度等[11-12]。李鐵磊等[13]研究發(fā)現(xiàn)煤的堅(jiān)固性系數(shù)隨著水分(7%以下)的增加呈線性增大。吳愛(ài)軍等[14]研究了-20～-50 ℃條件下煤的堅(jiān)固性系數(shù)，結(jié)果表明，煤的堅(jiān)固性系數(shù)隨溫度升高而減低且近似呈線性關(guān)系。

本文通過(guò)水分控制裝置及溫度控制裝置測(cè)試了低溫(0 ℃以下)條件下不同水分(10%以下)的煤的堅(jiān)固性系數(shù)，以研究低溫及水分共同作用下煤的堅(jiān)固性系數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法及裝置

1.1 煤樣制備

實(shí)驗(yàn)煤樣取自貴州省織金縣城關(guān)鎮(zhèn)興發(fā)煤礦M27煤層及貴州省習(xí)水縣木擔(dān)壩煤礦C8煤層。興發(fā)煤礦M27煤層、木擔(dān)壩煤礦C8煤層均為突出煤層。分別將2種煤樣原始煤塊進(jìn)行粉碎，篩取1～3 mm煤樣，充分混合，稱(chēng)取10 kg備用；采用落錘法對(duì)以上兩種煤樣進(jìn)行煤的堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤樣堅(jiān)固性系數(shù)Tab.1 Consistent coefficient of coal sample

1.2 煤樣水分控制

對(duì)已制備的1～3 mm的興發(fā)煤礦和木擔(dān)壩煤礦煤樣分別進(jìn)行整體干燥后，稱(chēng)取一定質(zhì)量m0的煤樣，通過(guò)如圖1所示的煤樣加濕處理裝置對(duì)煤樣進(jìn)行加水。加熱器對(duì)蒸餾瓶中的水進(jìn)行加熱，使得蒸餾出的水分與煤樣混合從而獲取水分飽和的煤樣，隨后對(duì)煤樣進(jìn)行不同程度的干燥，并稱(chēng)量煤樣質(zhì)量mu，以此方法獲取含有設(shè)定水分的煤樣，從而達(dá)到水分控制的目的。

圖1 煤樣加濕處理裝置Fig.1 Coal sample humidification device

煤樣最終水分w計(jì)算公式為：

(1)

實(shí)驗(yàn)中，將興發(fā)煤礦及木擔(dān)壩煤礦煤樣水分控制在0%、2%、6%、10%。實(shí)驗(yàn)所用煤樣水分與水分控制指標(biāo)誤差均在5%以?xún)?nèi)。

1.3 低溫控制及f值測(cè)定

低溫環(huán)境堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)試裝置由落錘法裝置及包裹在其外側(cè)的溫度控制系統(tǒng)組成，低溫環(huán)境堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)試裝置如圖2所示。

圖2 低溫環(huán)境堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)試裝置Fig.2 Test device for low temperature environment consistent coefficient

溫度控制系統(tǒng)中包括溫度控制器、冷凍腔和冷凍液循環(huán)泵，落錘法外側(cè)循環(huán)層，冷凍液為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)防凍液(冰點(diǎn)-45 ℃)。使用溫度控制器設(shè)置溫度；冷凍腔使冷凍液處于恒溫(設(shè)定溫度)；冷凍液循環(huán)泵使冷凍腔內(nèi)冷凍液經(jīng)進(jìn)液口流入落錘法裝置，外側(cè)循環(huán)層經(jīng)出液口流入冷凍腔。溫度控制系統(tǒng)可使落錘法裝置處于-40 ℃至室溫的環(huán)境中。將煤樣至于落錘桶內(nèi)一定時(shí)間使用溫度計(jì)測(cè)定煤樣溫度，當(dāng)煤樣溫度與冷凍液溫度一致時(shí)開(kāi)始測(cè)定煤的堅(jiān)固性系數(shù)。本文研究中所設(shè)置的循環(huán)液溫度為-40、-30、-20、-10、0 ℃，在各溫度條件下分別對(duì)水分為0%、2%、6%、10%的興發(fā)煤礦煤樣及木擔(dān)壩煤礦煤樣進(jìn)行煤的堅(jiān)固性系數(shù)測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果描述

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制相同溫度條件下煤的堅(jiān)固性系數(shù)與煤的水分關(guān)系，如圖3所示。由圖3可得，相同溫度條件下，興發(fā)煤礦煤樣與木擔(dān)壩煤礦煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)隨煤樣水分的變化趨勢(shì)基本相同；當(dāng)煤樣水分較低時(shí)(<2%)，煤堅(jiān)固性系數(shù)隨煤樣水分的變化趨勢(shì)不明顯；當(dāng)煤樣水分>2%時(shí)，煤堅(jiān)固性系數(shù)隨煤樣水分的增加而明顯增大，并呈線性關(guān)系，擬合可得其符合呈線性關(guān)系，回歸方程見(jiàn)表2。

圖3 煤的堅(jiān)固性系數(shù)與煤的水分關(guān)系Fig.3 Relationship between consistent coefficient and moisture content of coal

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制相同水分條件下煤的堅(jiān)固性系數(shù)與溫度關(guān)系，如圖4所示。

表2 煤堅(jiān)固性系數(shù)與水分的擬合關(guān)系式Tab.2 Fitting relationship between coal consistent coefficient and moisture

圖4 煤的堅(jiān)固性系數(shù)與煤的溫度關(guān)系Fig.4 Relationship between consistent coefficient and temperature of coal

由圖4可得，相同水分條件下，興發(fā)煤礦煤樣與木擔(dān)壩煤礦煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)基本相同；當(dāng)煤樣水分較低時(shí)(<2%)，低溫對(duì)煤的堅(jiān)固性系數(shù)影響較?。划?dāng)煤樣水分>2%時(shí)，煤的堅(jiān)固性系數(shù)隨溫度的降低而明顯增大，并呈線性關(guān)系，對(duì)煤樣水分為6%、10%時(shí)煤堅(jiān)固性系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系進(jìn)行擬合，可得其符合呈線性關(guān)系，回歸方程見(jiàn)表3。

表3 煤堅(jiān)固性系數(shù)與溫度的擬合關(guān)系式Tab.3 Fitting relationship between coal consistent coefficient and temperature

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制煤的堅(jiān)固性系數(shù)與溫度、水分的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 煤的堅(jiān)固性系數(shù)與溫度和水分的關(guān)系Fig.5 Relationship between consistent coefficient of coal and temperature and moisture

由圖5可得，隨著溫度的升高以及煤樣水分的降低，煤的堅(jiān)固性系數(shù)呈減小趨勢(shì)；隨著溫度的降低以及煤樣水分的升高，煤的堅(jiān)固性系數(shù)呈增大趨勢(shì)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)含水煤樣處于低溫環(huán)境時(shí)，煤體內(nèi)部的孔隙或裂隙內(nèi)的水分由于低溫作用被凍結(jié)為冰，由于受到冰的膠結(jié)作用，煤顆粒的堅(jiān)固性系數(shù)增大。當(dāng)煤樣水分>2%時(shí)，進(jìn)入煤樣內(nèi)部的水分較多，分布于煤體的大孔隙、中孔及小、微孔隙中。在不同低溫條件下，煤體內(nèi)存在的未凍水量不同[15]，在凍結(jié)時(shí)大孔隙內(nèi)的水先開(kāi)始相變?yōu)楸缓笫侵锌?，最后是小、微孔隙。溫度越低，煤體內(nèi)存在的冰越多，未凍水越少，冰的膠結(jié)作用越強(qiáng)，煤的堅(jiān)固性系數(shù)越大。

相同低溫條件下，當(dāng)煤樣水分較低時(shí)(<2%)，煤堅(jiān)固性系數(shù)隨煤樣水分的變化趨勢(shì)不明顯，是由于進(jìn)入煤體內(nèi)部的水分較少，冰的膠結(jié)作用不明顯。當(dāng)煤樣水分較低時(shí)(<2%)，低溫對(duì)煤體的堅(jiān)固性系數(shù)影響較小。由圖3可知，興發(fā)煤礦煤樣水分為6%、10%時(shí)，在-40 ℃溫度下堅(jiān)固性系數(shù)分別為2.940 6、4.305 7；相比室溫25 ℃、水分1.49%條件下的堅(jiān)固性系數(shù)1.64分別提高了79.3%、162.5%。木擔(dān)壩煤礦煤樣水分為6%、10%時(shí)，在-40 ℃溫度下其堅(jiān)固性系數(shù)分別為1.469 7、2.207 3；相比室溫25 ℃，水分2.08%條件下的堅(jiān)固性系數(shù)0.68分別提高了116.1%、224.6%。由以上分析可得對(duì)煤體注水并降溫可以有效增大煤的堅(jiān)固性系數(shù)，從而能夠提高煤體的力學(xué)強(qiáng)度。

3 結(jié)論與展望

(1)當(dāng)煤樣水分較低時(shí)(<2%)，由于進(jìn)入煤體內(nèi)部的水分較少，冰的膠結(jié)作用弱，煤堅(jiān)固性系數(shù)隨煤樣水分的變化趨勢(shì)不明顯；當(dāng)煤樣水分>2%時(shí)，煤體內(nèi)部的孔隙或裂隙內(nèi)的水分由于低溫作用被凍結(jié)為冰，由于受到冰的膠結(jié)作用，煤堅(jiān)固性系數(shù)隨煤樣水分的增加而明顯增大，并呈線性關(guān)系。

(2)當(dāng)煤樣水分>2%時(shí)，隨著溫度的降低，煤體中的未凍水量逐漸減少，冰的膠結(jié)作用逐漸增大，煤的堅(jiān)固性系數(shù)隨溫度的降低而明顯增大，并呈線性關(guān)系。不同煤樣隨著溫度的降低以及煤樣水分的升高，煤的堅(jiān)固性系數(shù)都呈增大趨勢(shì)。

(3)采用煤層注水并冷凍的方法可以提高煤體的抗壓強(qiáng)度，降低煤與瓦斯突出發(fā)生危險(xiǎn)性。