不同含水率煤体的物理力学性质试验研究①

邱吉龙

(宝鸡秦源煤业有限公司，陕西宝鸡 721202)

0 引言

我国的煤炭赋存地质条件，煤矿事故在世界上最为严重，其事故死亡人数占整个工业死亡人数的60%，百万吨死亡率是美国的160倍，印度的10倍。在众多的煤矿事故中，瓦斯事故危害最大。煤层注水是进行煤矿瓦斯灾害预防与治理的技术之一，虽然几十年来一直在应用，但由于长期以来瓦斯灾害发生机理，特别是煤与瓦斯突出机理研究上没有重大突破，造成对煤层注水防治瓦斯机理认识存在较大分歧。目前对煤层注水防治瓦斯突出有利的认识主要体现在三个方面［1－2］:一是注水后改变了煤的物理力学性质，消除了开采过程中煤体弹性能的突然释放;二是煤体吸水后降低煤层瓦斯吸附含量;三是煤体吸水后放散初速度变小;其中注水后煤体物理力学性质的改变对突出的影响最大。因此，研究不同含水率煤体的物理力学性质，对提高煤层注水防治瓦斯突出机理认识，规范煤层注水工艺技术，指导煤矿瓦斯防治工作具有重要意义。

1 试验装置

根据试验需要，自行研制并加工了注水加压模拟实验装置，可以完成煤样不同压力下的注水试验。装置主要由承压筒、加压泵、水槽、高压管线、高压球阀等组成，试验装置原理见图1。试验承压筒为圆筒形，设计耐压12 MPa，内置网状隔板，以保证煤样能够放置其中时周边皆能受压湿润。加压泵为手动试压泵，可达压力20 MPa。将加工处理好的煤样逐个放入注水加压实验装置的承压缸中，即可进行注水加压渗流实验。

2 试验过程

实验煤样取自宝鸡戚家坡煤矿，共3组煤样，并对每组煤样进行称重，精确到0.1 g;然后将煤样放入100°～105°的恒温箱中干燥六小时以上，干燥后冷却至室温;再对干燥后的各个试样称重精确到0.1 g。

然后按以下过程进行不同注水试验:

1)记录干燥后的试验煤样初始质量，将其按一定顺序排列在承压筒内网状隔板上，封闭封头，拧紧所有螺栓;

2)进水时，关闭排水孔，打开排气孔，液体由进水孔进入承压筒，当承压筒内充满液体时，关闭进水孔;如为常压注水试验这时可调整排气孔使承压筒内水压为零;如需加压注水试验，则可使用手动加压泵加压至试验要求压力时，关闭加压孔，即可使煤样在试验压力下吸水;如试验添加表面活性剂，可将注入水改为添加表面活性剂后的溶液。

3)注水达到设定时间后，即可进行排水取煤样。这时打开排气孔和排水孔，承压筒内水即可自由流入至水槽中。

4)将注水后的煤样放置于真空干燥箱干燥后称重，即可按式(1)计算煤样的含水率。

式中:

w0——煤样的含水率;

m0——烘干前煤块试样质量或浸水后试样，g;

md——烘干后试样质量，g。

图1 试验装置原理图

3 不同含水率煤体物理力学性质试验结果分析

3.1 煤体含水率与注水方式关系

选取三组煤样分别进行了自然常压、加压(3 MPa)、添加表面活性剂加压(3 MPa)条件下煤样含水率的测定试验，结果如图2所示。

图2 三种条件下煤样含水率与浸水时间关系

由图2可以看出，加压和添加表面活性剂加压注水，煤样增湿速度较快，吸水量也较大，增湿速度和吸水量都比常压注水实验要高。本次3MPa压力下纯水与添加表面活性剂注水实验，在注水的前两天煤体吸水率相差不大，但两天以后，添加表面活性剂注水实验煤样吸水量增多，含水率逐渐超过加压注纯水，说明添加表面活性剂湿润煤体的效果比较低压力下的注水效果好。

另外还有一个明显的现象是:添加表面活性剂注水实验中，煤样达到最低饱和含水率的时间要短，4天即达到最低饱和含水率，而常压实验和加压实验都需要6天。因此添加表面活性剂可实现短期内快速注水，可在短时间内改变煤体的含水率。

3.2 煤体含水率与抗压强度、弹性模数、塑性指数关系

选取两组煤样进行不同含水率的煤体物理力学性质试验，煤体含水率与抗压强度关系见图3，煤体单轴抗压强度随着含水率的增加而减小，当煤样达到饱和含水率时单轴抗压强度趋于稳定。煤体弹性模数随着煤体含水率的增加也呈现出减小趋势(图4)，而塑性指数则随着煤体含水率的增大而增大(图5)。

图3 煤样含水率与抗压强度关系

图4 煤样含水率与弹性模数关系

图5 煤样含水率与塑性指数关系

图6 煤样含水率与应力应变关系

煤体含水率与煤体物理力学性质的关系与国内外学者的研究结果相同［3－4］，即煤体中水分的增加可以降低煤体的抗压强度和弹性，使煤体塑性增加。煤体这种物理力学性质的改变，对于防治煤与瓦斯突出极为有利。由普遍接受的煤与瓦斯突出的综合假说可知:突出是由煤的物理力学性质、地应力和瓦斯压力综合作用的结果，其突出有准备、发生和发展过程。在突出的准备阶段，基本动力是煤体的弹性潜能释放所转化而来的动能，使煤体受到破坏，该能量的释放随煤体弹性的增大而增大，而且其释放方式也随煤体的物理力学性质不同而不同。当煤体是脆性破坏时，该能量的释放是快速和突然的;当煤体是塑性变坏时，其能量释放则相对较缓慢平缓。

3.3 煤体含水率与应力－应变关系

选择两组煤样，以浸水和不浸水作对比，进行煤体含水率与应力－应变关系试验研究，结果如图6。从图中可以看出，与不浸水的干煤样相比，含水后的煤体其应力－应变曲线相对变得平缓，煤体应力减小，应变增大，即在同一应力情况下，煤体应变增大，表明煤体塑性增大、脆性减小，煤样最终将发生塑性破坏，其突然失稳破坏的可能性减小。

煤体含水后这种力学性质的改变，使得煤层发生突出的危险性降低。注水后的煤体强度降低，塑性增大，易于破裂，从而能够使采掘工作面前方破裂带长度增加。这样，工作面前方相当一部分瓦斯在暴露前，早已通过破裂带向工作面空间缓慢释放，卸压带长度增宽，使含有高压瓦斯的煤体远离工作面，从而减小了突出危险性。

4 添加表面活性剂注水改变煤体力学性质机理

煤体裂隙和孔隙系统在注水压力、毛细管作用力和分子作用力的共同作用下吸附水分，压力水在煤体中的流动过程也是改变煤体力学性质的过程。煤层注水时，水首先是进入连通的大孔中，然后再渗入小孔、微孔。若煤不能被水湿润，则水不能在煤体裂隙、孔隙内表铺展，则与孔隙、裂隙内壁接触的仍然是煤体中原有的气体，当水的饱和度很大时，水仍然会成为连续相并发生流动。但这种流动由于气体是湿润相并被吸附在裂隙、孔隙内表面上形成一层可能是单分子或多分子的薄膜形成的空间流动。气体形成的薄膜隔断了煤与水的接触，使水无法与煤体发生任何的物理与化学作用，从而也不能改变煤体的力学性质。

当水能够被煤体湿润时，水分子与煤分子的距离相近到一定程度后，水分子就会被煤体裂隙、孔隙表面的剩余吸引力所吸引，将被拉向煤壁内。当此吸引力大于水分子之间的Van der Waals力时，水分子就会挤进煤体表面及其附近的煤分子之间。煤分子受到水分子的浸入后，使煤分子之间的联系减弱，煤分子之间的距离增大发生膨胀，导致水分子不断挤进煤分子间。如果煤体裂隙、孔隙表面挤入水分子后，表面还有剩余吸引力，则表面外部水分子将不断挤入，并逐渐将水分挤入煤体深部，使煤体膨胀层加厚、膨胀量增加，直至剩余吸引力为零，这时煤体即达到饱和吸水状态［5－6］。

添加表面活性剂注水，一方面改变水的湿润性，使水能够在煤体裂隙、孔隙表面铺展，从而产生水分子与煤分子之间的吸引，使水分子在煤体表面剩余吸引力的作用下不断进入煤体内部;另一方面，中高压注水将会使煤体原有裂隙得到扩展或产生新的裂隙，从而使表面活性剂溶液不断能够接触铺展在新的裂隙表面，进一步增加煤体的吸水能力。

煤体中挤入水分子后，煤分子被水所包围，则水分子之间、水分子和煤分子之间、煤分子之间的Van der Waals力将发生改变。Van der Waals力产生的分子之间作用的势能与分子质心之间距离的六次方成反比。因此，距离越大，Van der Waals力产生的分子作用势能越小，则分子间相到吸引力大大减小。煤体注水后，煤分子之间挤入了水分子，使原有煤分子之间的距离增大，当增大的距离为煤表面吸附水层两倍厚度时，煤分子之间的Van der Waals引力将大大减小［7］。另外，煤分子之间充满水分子形成水膜，对煤体起到润滑剂的作用，使煤体弱面的上下分层相对位移更容易，可缩性和流动性更强，其结果是煤体疏松、弹性减小、塑性增加。

5 结论

1)自行研制并加工了注水加压模拟实验装置，进行了常压自然、加压、添加表面活性剂加压注水试验。添加表面活性剂加压注水，煤样达到最低饱和含水率的时间最短，液体在煤体孔隙内是外压、毛细管力、湿润作用、气体压力(如瓦斯)等综合作用下的压力渗流运动。

2)煤体单轴抗压强度随着含水率的增加而减小，当煤样达到饱和含水率时单轴抗压强度趋于稳定;煤体弹性模数随着煤体含水率的增加也呈现出减小趋势，而塑性指数则随着煤体含水率的增大而增大。煤体含水率增大后弹性减小，塑性增大，减少了突出准备阶段所需的弹性潜能，能量相对较缓慢平缓，对防治突出有利。

3)煤体含水后其应力－应变曲线相对变得平缓，煤体应力减小，应变增大，使工作面前方卸压带长度增宽，煤体突然失稳破坏的可能性减小，减小了突出危险性。

4)添加表面活性剂增加水的湿润性，使水分子在煤体表面剩余吸引力的作用下不断进入煤体内部，使煤分子之间的作用力减弱，宏观上使煤体变得松散软化，煤体强度降低。另外，煤分子之间充满水分子形成水膜，对煤体起到润滑剂的作用，使煤体弱面的上下分层相对位移更容易，可缩性和流动性更强。

［1］ 周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存及流动规律［M］.北京:煤炭工业出版社，1998

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［3］ 刘忠峰，康天合，鲁伟，等.煤层注水对煤体力学特性影响的试验［J］.煤炭科学技术，2010，38(1):17－19

［4］ 张小东，王利丽，张子戌.山西古交矿区马兰煤矿肥煤注水后煤体吸附膨胀行为［J］.煤炭学报，2009，34(10):1310－1315

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［7］ 聂百胜，王恩元，何学秋，等.煤吸附水的微观机理［J］.中国矿业大学学报，2004，32(4): 379－383