突出型煤配比及力學特性實驗研究

戴林超

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出相似模擬實驗是研究煤與瓦斯突出機理的有效手段之一[1]。目前多采用型煤代替原煤進行相似模擬實驗，為了保證高相似還原突出現(xiàn)象，就必須保證型煤與原煤在物理力學性能各方面保持一致[2]。因此，深入研究突出型煤配比及制作工藝，對于突出相似材料的研究具有重要現(xiàn)實意義。

型煤是以骨料、黏結劑和水為原料，混合后在一定成型壓力下壓制成具有一定強度、尺寸及形狀各異的煤成品。原料的種類、比例和成型條件對型煤的致密程度、性能穩(wěn)定性有著重要影響，也是型煤力學特性的主要影響因素[3]。近年來，國內學者對型煤力學特性進行了大量實驗研究。尹光志[4]、蔡成功[5]等通過原煤和型煤的單軸抗壓強度實驗，得出原煤與型煤在變形特性和抗壓強度方面的變化規(guī)律是相同的，可用型煤替代原煤進行力學特征的一般性規(guī)律探討；鄧加耀[6]、張淑同[7]、楊宏民[8]等研究指出，原料組成、粒徑配比、含水率、黏結劑及成型工藝是影響型煤強度的主要因素；李寶富等[9]利用正交配比試驗研究了如何用碳酸鈣、石膏、河砂配制滿足煤巖體力學性質的低強度相似材料；康向濤[10]、楊洪增[11]等研究發(fā)現(xiàn)，以煤粉、河砂、石膏、水泥為原料制備的相似材料與原煤的應力應變變化規(guī)律較為接近。研究表明：在一定的冷壓成型條件下，型煤的力學特性與骨料粒徑、黏結劑比例、水分高低和成型條件等存在較大關聯(lián)[9,12-13]。因此，筆者以煤粉、黏結劑和水為原料，研究型煤骨料、黏結劑種類、成型壓力對型煤力學特性的影響，通過正交試驗分析型煤強度的變化，為突出相似材料的配比及制作提供參考依據(jù)。

1 型煤材料及成型壓力對其力學特性的影響

1.1 骨料選擇

骨料是型煤制作過程中的主體原料，其物理力學特性和粒徑參數(shù)對型煤的力學特性影響較大。由于煤粉和原煤具有相近的性質，能保證型煤和原煤的相似性，所以型煤的骨料選用煤粉。

煤粉粒徑合理搭配使用能有效充填骨料間的間隙，孫朋[14]研究表明，粒徑小于0.18 mm和0.18～0.38 mm 兩種煤粉按1∶1混合使用時，能有效充填骨料間的間隙。因此，選用渝陽煤礦M8煤層煤粉作為骨料，其中粒徑小于0.18 mm和0.18～0.38 mm兩種煤粉質量比為1∶1。

1.2 黏結劑種類對型煤單軸抗壓強度的影響

目前常用的黏結劑主要有水泥、石膏、腐植酸鈉等[15]。為探討不同黏結劑對型煤強度的影響，分別選擇PI42.5高強度硅酸鹽水泥、石膏、腐植酸鈉作為黏結劑，在成型壓力20 MPa下壓制型煤，并進行強度測試。不同黏結劑及其添加比例對型煤強度的影響如表1和圖1所示。

表1 不同黏結劑及其添加比例對型煤強度的影響

圖1 黏結劑種類及其添加比例對型煤強度的影響

由圖1可知，在水分一定的情況下，型煤的單軸抗壓強度隨著黏結劑質量分數(shù)的增大而增大，兩者呈現(xiàn)較好的線性關系；水泥作為黏結劑時其單軸抗壓強度明顯大于其他黏結劑型煤的強度。因此，為了制作較高強度的型煤，選擇水泥作為黏結劑。

1.3 成型壓力對型煤單軸抗壓強度的影響

成型壓力是型煤在壓制過程中施加的軸向應力，在不同成型壓力下型煤的密實度和力學特性也不同[16]。當黏結劑(PI42.5高強度硅酸鹽水泥)質量分數(shù)為9%、水分為15%時，在成型壓力為10、15、20、25 MPa下分別壓制型煤并進行強度測試，結果如圖2所示。

圖2 成型壓力對型煤強度的影響

由圖2可知，在黏結劑和水的質量分數(shù)一定的情況下，型煤單軸抗壓強度隨著成型壓力的增大而增大，增長速率在20 MPa前較大，20 MPa后逐漸趨于平緩。因此，成型壓力選擇20 MPa較為合適。

2 型煤正交試驗設計及配比測試

選取煤粉為骨料，以PI42.5高強度硅酸鹽水泥為黏結劑。通過控制骨料、黏結劑和水的比例，使型煤力學特性存在差異。因此，以煤粉與水泥質量比、水灰比(質量比，下同)作為正交試驗的2個因素，具體試驗設計配比方案如表2所示。根據(jù)表2中配比方案，在成型壓力20 MPa下制作型煤試件，型煤試件如圖3所示。采用TAW-2000型三軸試驗機進行試件強度測試，測試結果見表2。

表2 正交試驗配比方案及測試結果

圖3 型煤試件

3 煤粉與水泥質量比和水灰比對型煤強度的影響

3.1 型煤單軸抗壓強度的影響因素分析

根據(jù)表2數(shù)據(jù)得到水灰比為0.4條件下煤粉與水泥質量比對型煤單軸抗壓強度的影響，如圖4所示。煤粉與水泥質量比為7∶1條件下水灰比對型煤單軸抗壓強度的影響，如圖5所示。

圖4 水灰比為0.4條件下煤粉與水泥質量比對型煤單軸抗壓強度的影響

圖5 煤粉與水泥質量比為7∶1條件下水灰比對型煤單軸抗壓強度的影響

由圖4、圖5可知，型煤的單軸抗壓強度與煤粉與水泥質量比、水灰比呈線性關系。在水灰比一定的情況下，型煤抗壓強度隨著煤粉與水泥質量比的增大而減小，煤粉與水泥質量比越大，黏結劑質量分數(shù)越小，型煤單軸抗壓強度也越??；在煤粉與水泥質量比一定的前提下，型煤抗壓強度隨著水灰比的增大而增大。水灰比增大，即型煤配比中水的質量分數(shù)增大，更多的水泥能與水發(fā)生水化反應，使水泥能充分發(fā)揮其黏結性能。

3.2 型煤彈性模量的影響因素分析

根據(jù)表2數(shù)據(jù)得到水灰比為0.4條件下煤粉與水泥質量比對型煤彈性模量的影響，如圖6所示。煤粉與水泥質量比為7∶1條件下水灰比對型煤彈性模量的影響，如圖7所示。

圖6 水灰比為0.4條件下煤粉與水泥質量比對型煤彈性模量的影響

圖7 煤粉與水泥質量比為7∶1條件下水灰比對型煤彈性模量的影響

由圖6、圖7可知，型煤彈性模量與水灰比、煤粉與水泥質量比也呈線性關系。在水灰比一定的情況下，型煤彈性模量隨著煤粉與水泥質量比的增大而減??；在煤粉與水泥質量比一定的前提下，型煤彈性模量隨著水灰比的增大而增大。

3.3 回歸擬合分析

設煤粉與水泥質量比為X1、水灰比為X2、單軸抗壓強度為Y1、彈性模量為Y2，基于MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進行多元線性回歸分析，得到回歸方程如下：

Y1=-1.407X1+0.625X2+12.676

(1)

Y2=-134.45X1+51.075X2+1 153.77

(2)

式中：X1為煤粉與水泥質量比，X1∈[5,8]；X2為水灰比，X2∈[0.4,2.0]；Y1為型煤單軸抗壓強度，MPa；Y2為型煤彈性模量，MPa。

根據(jù)式(1)、式(2)進行實驗數(shù)據(jù)擬合相對誤差分析，計算結果如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)擬合相對誤差計算結果

由表3可知，型煤單軸抗壓強度的最大相對誤差為2.81%，彈性模量的最大相對誤差為4.87%，兩者均小于5%，表明擬合回歸方程較為準確。

通過式(1)、式(2)可以在已知煤粉與水泥質量比、水灰比的情況下，計算得到所配制型煤的單軸抗壓強度和彈性模量。但在實際應用中，需根據(jù)型煤的力學特征參數(shù)確定其配比，對式(1)、式(2)進行參數(shù)變換，得到關系式如下：

X1=4.193 7Y1-0.051 4Y2+11.963 6

(3)

X2=11.048 8Y1-0.115 6Y2+6.650 9

(4)

通過式(3)、式(4)，根據(jù)型煤需要的單軸抗壓強度和彈性模量等物理力學參數(shù)，計算出型煤的煤粉與水泥質量比、水灰比，從而確定最終的型煤配比方案。

4 結論

1)在水分和成型壓力一定的情況下，型煤的單軸抗壓強度與黏結劑質量分數(shù)呈線性關系，且水泥作為黏結劑的型煤單軸抗壓強度明顯高于其他黏結劑型煤的單軸抗壓強度。

2)在水和黏結劑質量分數(shù)一定的情況下，型煤單軸抗壓強度隨成型壓力的增大而增大，且在 20 MPa 前增長速率較大，20 MPa后逐漸趨于平緩。

3)型煤單軸抗壓強度和彈性模量與水灰比、煤粉與水泥質量比存在線性關系，且型煤的單軸抗壓強度和彈性模量隨著水灰比的增大而增大，隨著煤粉與水泥質量比的增大而減小。基于實驗數(shù)據(jù)得到型煤強度與型煤配比的關系，構建了型煤配比與強度關系的多元線性回歸數(shù)學模型。

4)下一步將主要結合突出模擬實驗對得到的突出煤相似材料配比及工藝進行應用和驗證。