可溶有機(jī)質(zhì)對肥煤孔隙結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)的影響

陳 立，翟韞哲，陳曉琳

（河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

煤體的變形和破壞不但是造成煤與瓦斯突出的重要影響因素，還會產(chǎn)生大量煤塵，這些都與煤體的力學(xué)特性有著緊密聯(lián)系。煤中不僅含有大分子的固體骨架，還含有以游離態(tài)、吸附態(tài)及共溶態(tài)3 種形式存在于煤體孔隙及大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中可以被有機(jī)溶劑溶解的可溶有機(jī)質(zhì)[1-3]。通常煤中可溶有機(jī)質(zhì)的含量與煤化程度成反比，其含量通常占煤中含量在20%左右，部分煤中含量會達(dá)到30%[4]，這說明可溶有機(jī)質(zhì)是煤中非常重要的一部分[5]，存在會影響煤的結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)，會對煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。

此次實(shí)驗(yàn)選取變質(zhì)程度中等的肥煤作為實(shí)驗(yàn)煤樣，采用乙酸乙酯有機(jī)溶劑對煤樣進(jìn)行萃取，利用比表面積及孔徑分析儀及伺服壓力機(jī)對萃取前后煤樣開展實(shí)驗(yàn)研究，分析和研究可溶有機(jī)質(zhì)對孔隙特性及力學(xué)特性的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)樣品準(zhǔn)備與方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)所使用的煤樣是來自峰峰礦區(qū)的肥煤，工業(yè)分析見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析Table 1 Industrial analysis of coal samples

將原煤制成120~140 目粒徑范圍的煤樣，因?yàn)樵摿絽^(qū)間的萃取效果更佳[6]，選取相對安全的乙酸乙酯作為萃取劑[7]。在室溫條件下，稱取50 g煤粉，用300 mL 乙酸乙酯混合在500 mL 燒杯內(nèi)，使用DF-101s 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器充分?jǐn)嚢?0 h，待到靜置沉淀分層后，將燒杯上層萃取后的產(chǎn)物（乙酸乙酯提取液） 抽濾出去，留下萃取后煤樣進(jìn)行24 h 真空干燥處理。

1.2 孔隙及比表面積實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)開始前，先將原煤樣和浸泡后的抽提殘煤在50℃的真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行12 h 的干燥[8]。將待測煤樣分組后，使用北京貝士德公司生產(chǎn)的BSD-PS/2 型比表面積及孔徑分析儀，采用低溫氮?dú)馕椒▽Ψ拭哼M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該儀器共有2 個樣品預(yù)處理脫氣站，2 個樣品分析站，每組實(shí)驗(yàn)將同一煤種的萃取前后煤樣分別加入進(jìn)行檢測，每種樣品共進(jìn)行3 次實(shí)驗(yàn)，取平均值。

1.3 單軸壓力實(shí)驗(yàn)

選取與之前相同粒徑區(qū)間煤樣，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境里分成原煤與殘煤，通過型煤模具制成統(tǒng)一φ50 mm×100 mm 型煤，將制好的型煤置入干燥箱中烘干水分留取備用。使用長春科新YA-600 電液伺服萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，采用間接測定法對各組原煤煤樣以及萃取后煤樣的力學(xué)特性進(jìn)行測定，然后使用場發(fā)射掃描電鏡-能譜儀對萃取前后煤體表面的變化進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論與分析

2.1 煤樣質(zhì)量變化及萃取率計(jì)算

萃取率是表示的是萃取實(shí)驗(yàn)過程中可溶有機(jī)質(zhì)被萃取效果的參數(shù)，計(jì)算見式（1）。

式中：E 為乙酸乙酯萃取率，%；m1為原煤煤樣質(zhì)量，g；m2為萃取后抽提殘煤的質(zhì)量，g；Aad為原煤煤樣的分析基灰分產(chǎn)率，%；Mad為原煤煤樣的分析基水分產(chǎn)率，%。

萃取前后重量變化及萃取率結(jié)果見表2，說明乙酸乙酯對肥煤中的可溶有機(jī)質(zhì)有著較高的萃取效果。

表2 萃取前后重量變化Table 2 Weight changes before and after extraction

2.2 萃取前后煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律

通過實(shí)驗(yàn)，得到萃取前后煤樣的比表面積、孔體積和平均孔徑的變化見表3。

表3 萃取前后煤的孔隙參數(shù)Table 3 Pore parameters of coal before and after extraction

由表3 可知，肥煤經(jīng)過乙酸乙酯萃取后平均孔徑增大，孔體積和比表面積均有減小，這說明經(jīng)過乙酸乙酯萃取后，孔隙中游離于附著的可溶有機(jī)質(zhì)被大量移除，疏通了煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 萃取前后煤體內(nèi)部孔隙變化Fig.1 Changes of internal pores in coal before and after extraction

由圖2 可知，實(shí)驗(yàn)煤樣以1.5~5.3 nm 的孔數(shù)為主，經(jīng)過乙酸乙酯萃取后，0~35 nm 的孔數(shù)均有增加，1.5~5.3 nm 的孔洞增加的更為顯著，說明針對此次實(shí)驗(yàn)煤樣，在這個孔徑區(qū)間存在較多可以被乙酸乙酯溶解的有機(jī)質(zhì)，且萃取后對中孔也有增加作用，進(jìn)一步說明可溶有機(jī)質(zhì)對煤的孔隙結(jié)構(gòu)有重要影響。

圖2 孔體積分布圖Fig.2 Distribution of pore volume

2.3 萃取前后力學(xué)特性變化規(guī)律

萃取前后煤樣的單軸壓力壓縮—應(yīng)變曲線，如圖3 所示。

圖3 單軸壓力壓縮—應(yīng)變曲線Fig.3 Uniaxial compression-strain curve

由圖3 可知，經(jīng)過乙酸乙酯萃取后的抽提殘煤型煤試件的抗壓強(qiáng)度高于原煤試件，抗壓強(qiáng)度由2.615 MPa 增加到3.994 MPa，增長了53%。說明移除了可溶有機(jī)質(zhì)的抽提殘煤抗壓能力相較原煤試件有所提高，萃取后煤樣的強(qiáng)度大于萃取前煤樣的強(qiáng)度。這是因?yàn)樵旱目紫督Y(jié)構(gòu)遭到破壞，原本附著的可溶有機(jī)質(zhì)被大量移除，大量孔道被疏通，原有的締合力遭到了破壞，煤基質(zhì)趨向簡單化和均相化，降低了各個顆粒之間的空隙。

對萃取前后的煤樣表面進(jìn)行掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，結(jié)果分別如圖4 所示。

由圖4 可知，萃取后煤樣的表面較原煤表面粗糙，說明此處的可溶有機(jī)質(zhì)被移除后，僅留下煤的大分子骨架，各個單煤顆粒分子間表面的摩擦力增加，造成了煤體的蠕變能力下降，從而擁有更強(qiáng)的應(yīng)變力，不容易發(fā)生形變或破壞。

圖4 原煤和抽提殘煤的微觀掃描電鏡圖Fig 4 Micro-SEM images of raw coal and extracted residual coal

3 結(jié) 論

（1） 實(shí)驗(yàn)前后煤樣質(zhì)量減少了3.0%，說明乙酸乙酯對本實(shí)驗(yàn)煤樣有著較好的萃取效果。

（2） 乙酸乙酯萃取對實(shí)驗(yàn)煤樣各個孔徑均有影響，其中1.5~5.3 nm 的孔洞增加較為明顯。

（3） 抽提殘煤型煤試件的抗壓強(qiáng)度較原煤提高了53%，可溶有機(jī)質(zhì)被溶解后會使煤顆粒表面更加粗糙，摩擦力增大。