水分对突出煤相似材料力学特性及瓦斯解吸性能的影响

高华礼，孙海涛，戴林超，何明川，朱墨然

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；3.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

煤与瓦斯突出灾害是影响我国煤炭资源开采的主要难题，但其发生机制十分复杂，目前还没有对煤与瓦斯突出机制和规律的科学解释[1]。煤与瓦斯突出模拟实验是一种研究煤与瓦斯突出的发生、发展规律的有效方法，而相似材料是进行煤与瓦斯突出模拟实验的重要因素，决定着模拟实验的还原相似性[2]。

在煤体相似材料的研制方面：Young B[3]、Kaliyan Nalladurai[4]等通过对相似材料强度的试验研究与总结，指出影响相似材料强度的因素有原料组成、含水率、颗粒大小、成型温度、黏结剂、成型压力等；田斌[5]、苏小鹏[6]等研究了煤粉粒径对相似材料强度的影响，发现最优的粒度配比情况是小粒径煤粉能完全充填大粒径煤粉之间的孔隙；许江等[7]以水泥为黏结剂研究了不同黏结剂质量占比条件下相似材料的力学及渗透性特征，指出黏结剂质量配比为煤粉∶水泥∶水=0.8∶0.2∶0.1的型煤在力学和渗透特征方面与原煤最为接近；王汉鹏等[8]选择腐殖酸为黏结剂制成的相似材料在吸附性方面与原煤一致，但强度较低。而水作为突出煤相似材料成型的必要条件，能与黏结剂发生水化反应，选用不同黏结剂制作突出煤相似材料的需水量不同。基于上述分析，笔者在不同含水率及成型压力条件下制作突出煤相似材料，探究以水泥作为黏结剂时，水分对其力学性能和瓦斯解吸性能的影响规律。

1 突出煤相似材料研制

1.1 原料的选择

在煤与瓦斯突出模拟实验中，相似材料在满足物理力学特性相似的同时，还要满足吸附、解吸特性。本次实验采用的原料为黏结剂、骨料、水。有研究表明：用单纯煤粉压制成的型煤强度极低，为配制出强度较高且调节范围较大的型煤，必须添加黏结剂。常用的黏结剂有腐殖酸钠、石膏及水泥等[9]。腐殖酸钠是煤的提取物，本身具有吸附特性，但配制出的型煤强度偏低；石膏对型煤强度的影响幅度较小；水泥对型煤强度的影响较大，能以较小添加比例获得较大的型煤强度，且对瓦斯放散初速度方面的影响较小[10]。

突出模拟实验相似材料一般选用煤粉作为骨料，煤粉与原煤的物理性质及吸附、解吸性能接近，能保证相似材料与原煤的相似性[11]。煤粉粒径对型煤力学特性影响较大，为克服配制的型煤强度低这一问题并实现配制方便，筛分出粒径小于0.18 mm和0.18～0.25 mm的煤粉，按质量比1∶1均匀混合 2种粒径煤粉。煤粉取自渝阳煤矿M8煤层，水泥选用市场上购买的P·O52.5普通硅酸盐水泥，水选用自来水。

1.2 试件的制备

为配制出强度较高且与原煤有较高相似度的突出煤相似材料，煤粉与水泥采用固定比例，即煤粉与水泥质量比为8∶2。相似材料的含水率设计5个水平：12%、14%、16%、18%、20%；成型压力设计4个水平：10、15、20、25 MPa。每个水平2个试件，共16个试件。各试件的配比方案与成型压力如表1所示。

表1 各试件的配比方案及成型压力

将煤样破碎后筛分出不同粒径的煤粉，将相应的煤粉和黏结剂均匀混合后加入不同质量的水并搅拌均匀，然后向相似材料压制模具中装入适量搅拌均匀的煤粉、水泥、水混合物。采用TAW-2000微型控制电液伺服岩石三轴试验机，以500 N/s的加载速率加载到成型压力后保压15 min，最后脱模、贴标签并自然养护15 d后放入烘干箱烘干6 h。

2 实验结果及分析

将烘干的试件称重后，利用TAW-2000微型控制电液伺服岩石三轴试验机测试型煤试件的单轴抗压强度，加载方式采用位移控制，加载速率为0.48 mm/min，直到试件破坏。典型试件的应力应变曲线如图1所示。

图1 典型试件的应力应变曲线

测试出的各试件物理力学参数见表2。

表2 各试件物理力学参数

2.1 突出煤相似材料单轴抗压强度特性分析

水泥与煤粉加水拌和后，硅酸盐水泥与一部分水接触发生水解和水化作用、离子交换和团粒化作用,以及硬凝反应，且水泥的水化硬化是一个较长时期不断进行的过程，所以制作的相似材料的强度在15 d内变化会较大。另一部分水以自由状态存于煤体孔隙、裂隙中[12]。

由表2可知，在本次实验的相似材料配制过程中通过改变含水率和成型压力使型煤强度在5.13～8.99 MPa内波动。每组求其平均值得到突出煤相似材料单轴抗压强度与含水率之间的关系如图2所示，以及突出煤相似材料单轴抗压强度与成型压力之间的关系如图3所示。

图2 单轴抗压强度与含水率的关系

图3 单轴抗压强度与成型压力的关系

从图2中可以看出：含水率在12%～16%时，材料的单轴抗压强度随含水率的增加而增大；当含水率超过16%时，单轴抗压强度反而随含水率的增加而减小。这是由于在突出型煤压制过程中相似材料的含水率超过16%后，水会沿着磨具底部的缝隙和上部的壁间间隙溢出，且水分溢出量会随着水分比例的增加而增加。水、水泥、煤粉已混合均匀，水的溢出会带着水泥和煤粉流失，水泥的流失导致了突出型煤强度降低。水的溢出量越大，突出型煤强度越低。

由表1与图3可知，在含水率为20%时，材料的单轴抗压强度随成型压力的增大而增大。这是由于成型压力决定了整个试件的压实程度，成型压力越大突出型煤的密实度越高。含水率20%的型煤压制过程中，通过装入磨具煤粉质量与脱模后质量之差，发现水分的溢出量随成型压力的增大而增大，说明成型压力对突出型煤的脱模时含水率有影响。成型压力越小，型煤成型后含水率越大，型煤烘干后的孔隙率越大，导致了型煤单轴抗压强度越低。

2.2 突出煤相似材料吸附解吸特征分析

水分子在煤体内存在2种形式：水分子以分子层的形式吸附在煤的孔隙内，这些水分子层与煤的表面紧密联系；水分子以自由状态存在于煤体孔隙、裂隙中[13]。水分子进入煤体孔、裂隙后，存在4种分布状态[14-15]，如图4所示。状态a为少量水进入煤体，此时水分子对孔壁的吸附能力大于甲烷，部分甲烷吸附位被水分子代替，减小了孔径和裂隙尺寸，减少了瓦斯运移通道；状态b为随着水分增加，甲烷吸附位进一步被水分子占据，在孔、裂隙表面形成一层单分子的水分子吸附薄膜；状态c为水分进一步增加，完全充满孔隙容积，与孔隙内甲烷形成一个凹形接触面，进而对甲烷产生毛细压力p1，孔、裂隙内封堵的甲烷形成的孔隙压力p2与p1和外界的p3达到一种动态的平衡，即p2=p1+p3；状态d为当外界的压力p3突然降低，压力平衡状态发生改变，p2>p1，甲烷开始解吸，此时水分子的封堵作用会降低甲烷解吸强度。

1—煤；2—吸附状态水；3—自由状态水；

采用WFC-2型瓦斯放散初速度指标自动测定仪测定不同含水率相似材料的CO2、CH4放散初速度，测定结果见图5。对不同含水率条件下制作出的型煤，其CO2、CH4放散初速度随着含水率的增加而减小。这是由于水对孔壁的吸附能力大于甲烷，随着含水率的增加，水分子占用了大量的孔壁的吸附表面积，且水分子充满相似材料的孔、裂隙，减小了裂隙尺寸，使CO2、CH4的运移通道减小，降低了其放散初速度。相同条件下相似材料对CO2的吸附能力大于CH4，与原煤的性质一致。

图5 放散初速度变化曲线

3 结论

1)在成型压力25 MPa、黏结剂为相同质量水泥时，随着相似材料含水率的增加，配制出的型煤单轴抗压强度呈现出先增大后减小的趋势，含水率在16%时强度达到最大值。含水率超过16%时，在型煤压制过程中，多余水分的溢出带着水泥和煤粉的流失，导致了突出型煤强度的降低。

2)相似材料的含水率在20%时，成型压力通过改变突出煤相似材料的密实度及成型后含水率，影响了烘干后相似材料的单轴抗压强度。成型压力越大，突出煤相似材料成型后密实度越大、含水率越低，单轴抗压强度越大。

3)水分子主要作用于煤体微小孔、裂隙，引起“水锁效应”，降低相似材料的吸附解吸强度；CO2、CH4放散初速度随含水率的增加而减小，且相同配比下突出煤相似材料对CO2的吸附能力大于CH4。