提高松软煤层强度的胶体材料的试验优选研究∗

庞立宁李春睿

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013; 2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京市朝阳区,100013)

提高松软煤层强度的胶体材料的试验优选研究∗

庞立宁1,2李春睿1,2

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013; 2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京市朝阳区,100013)

针对防止软煤壁片帮的水泥与化学浆液材料的缺点,介绍了对5种具有粘结性能的胶体材料羧甲基纤维素、羟丙甲基纤维素、聚合物纳米胶粉、聚乙烯醇、可再分散乳胶粉进行粘度测试以及提高散煤强度的对比试验,得出了5种粘结材料浓度-粘度变化规律,认为聚合物纳米胶粉能更好地提高散煤强度.将聚合物纳米胶粉配置成不同浓度的胶体溶液,进行渗透性试验,得出了不同浓度的该胶体溶液在0.5 MPa压力下、在不同粒径散煤中渗透扩散不同距离所需的时间.

松软煤体 煤壁片帮 固结胶体 粘度 散煤强度 渗透性

对于煤体较松软、煤层强度低的采煤工作面,煤壁片帮是制约其高产高效生产的一个因素.针对煤壁片帮问题,除了提高支架初撑力、增大护帮面积和优化采煤工艺等改善煤体受力状态的措施之外,注浆加固煤体提高其自身强度也是一种常用手段,另外对于一些极松软煤层工作面,也有通过煤层注水防片帮的.目前应用较多的注浆材料是水泥和化学浆液,而水泥颗粒直径较大,注入细微裂隙较困难,又因化学浆液通常具有毒性,容易对人体和环境造成伤害,而且价格昂贵,因此,寻求一种新的能够提高松软煤体强度同时具有较好可注性的材料尤为必要.本文正是基于此目的,以提高散煤强度为准则,对于部分能够提高松软煤体强度的胶体材料进行了试验优选.

1 胶体材料介绍

本文研究试验的胶体是一种胶状物体(例如胶水),具有一定的粘结性能.在优选试验中,选用了5种胶体材料羧甲基纤维素、羟丙甲基纤维素、聚合物纳米胶粉、聚乙烯醇、可再分散乳胶粉.这5种材料均为白色或类白色粉末,无毒无害,并可以溶于水形成具有一定粘结性能的透明胶体溶液.羧甲基纤维素胶体溶液具有增稠、成膜、粘结等性能;羟丙甲基纤维素胶体溶液在建筑行业中作水泥砂浆保水剂,在陶瓷行业用作黏合剂,在医疗行业用作片剂黏合剂;聚合物纳米胶粉溶液可替代聚乙烯醇107系列胶、改性淀粉胶、改性纤维素、熟胶粉及各种聚合物粘结剂等,可用于水泥砂浆、粘结瓷砖,具有极强的保水性、增粘性和牢固性;聚乙烯醇溶液可用于制造聚乙烯醇缩醛、乳化剂、纸张涂层、黏合剂、胶水等;可再分散乳胶粉溶液具有突出粘结强度,可改善砂浆的粘附性粘合性、抗折强度.

2 胶体粘度测试

不同的胶体有其不同粘度-浓度规律,而不同粘度的胶体在煤体中渗透性能及其对煤体强度的提高情况也是不同的,因此掌握不同胶体的粘度-浓度规律就显得尤为必要.进行胶体溶液的粘度测定试验,掌握不同胶体的粘度-浓度规律是后续不同胶体对煤体的粘结性强度、不同胶体在煤体中的渗透性能以及现场试验等的基础.

采用旋转式粘度计(NDJ-5S型数字显示旋转粘度计)对5种胶体材料的粘度进行了测试,得出了这5种胶体材料各自的粘度-浓度规律并绘制成曲线,如图1所示.

图1 5种胶体粘度-浓度规律曲线

由图1(a)可知,羧甲基纤维素胶体溶液的浓度低于1.5%时,其粘度的变化率随着浓度的变化较小,当其浓度为1.5%～2.5%时,其粘度的变化率随浓度的变化较大;由图1(b)可知,羟丙甲基纤维素胶体溶液的粘度随着浓度的增大而增大,但没有明显的变化规律;由图1(c)可知,聚合物纳米胶粉胶体溶液的粘度与浓度呈线性关系;由图1(d)可知,聚乙烯醇胶体溶液的粘度与浓度也呈线性关系,其粘度变化率随浓度的变化较其他胶体材料较小;由图1(e)可知,可再分散乳胶粉胶体溶液的浓度低于5%时,其粘度变化率随浓度的变化较小,当其浓度超过5%时,其粘度变化率随浓度的变化较大.根据不同胶体材料的粘度-浓度变化规律,可以得出其满足可注性条件下的浓度上限.

3 胶体提高散煤强度的对比测试

为选出能够更好提高煤体强度而且粘度合适的胶体材料,试验了5种胶体材料对散煤的粘结性能,试验测量了等浓度和等粘度两种条件下5种胶体材料对提高散煤强度的大小.试验步骤:

(1)按等浓度的原则,将5种胶体材料分别溶于水制成浓度均为2%的胶体溶液;另按等粘度原则,将5种胶体材料分别溶于水制成粘度均为340里泊的胶体溶液,共10种;

(2)用破碎机将煤块进行破碎,并用筛子筛出3～4 mm和1～2 mm两种粒径的煤粒,并将这两种粒径的煤粒分配成体积相同的A散煤(粒径为3～4 mm)、B散煤(2/5体积的粒径为3～4 mm和3/5体积粒径为1～2 mm)和C散煤(粒径为1～2 mm);

(3)将制备好的10种胶体溶液分别与A散煤、B散煤和C散煤搅拌混合,混合时,胶体溶液量为散煤重量的15%,将加入胶体材料混合好的30种散煤置于直径为50 mm、高100 mm标准试样模具之中,用压力试验机向模具中的松散煤粒施加5 MPa压力将其压实,并不断向模具中添加混入胶体的散煤,保证最终压实高度为100 mm;

(4)压实之后的散煤模具放置干燥箱2 d,然后拆模,并将试样顶底两面磨平,制成直径为50 mm、高100 mm的圆柱体煤样;

(5)用压力试验机测量拆模之后的标准散煤试样的单轴抗压强度,测量结果见表1和表2.

表1 等浓度条件下不同胶体提高散煤强度结果

表2 等粘度条件下不同胶体提高散煤强度结果

按照等浓度、等粘度不同标准分析30种加入粘结材料的散煤试样的粘结性强度后发现:

(1)对于任何一种给定的胶体材料、给定的煤粒试样,胶体溶液的浓度越高即其粘度越大,在干燥之后的情况下,其对煤粒的粘结性强度也越高;

(2)对于任何一种胶体材料,在给定的胶体溶液浓度即粘度情况下,煤粒的粒径越小,则胶体溶液对其的粘结性强度越强;

(3)在等浓度条件下,5种粘结材料对于同种煤粒试样的粘结性强度由高到低依次为聚合物纳米胶粉、羟丙甲基纤维素、羧甲基纤维素、可再分散乳胶粉、聚乙烯醇;即对于煤粒的粘结性强度与胶体材料的种类、性能有关,并非某种胶体材料的粘度越强,其对煤粒的粘结性强度越大;

(4)在等粘度条件下,5种粘结材料对于同种煤粒试样的粘结性强度由高到低依次为聚合物纳米胶粉、可再分散乳胶粉、羟丙甲基纤维素、聚乙烯醇、羧甲基纤维素;即等粘度的胶体溶液对于煤粒的粘结性强度未必相同,它与材料的种类、性质有关.

综合分析得出聚合物纳米胶粉胶体材料相比较于其他4种胶体材料对煤体具有更好的粘结性能.

4 聚合物纳米胶粉胶体溶液的渗透性测试

通过不同胶体材料配置成的胶体溶液的强度测试,得出聚合物纳米胶粉胶体溶液对散煤的粘结强度胜于其它4种材料,聚合物纳米胶粉胶体溶液是否能够用于实际现场,还需对其渗透性能进行测试.渗透性能的测试分为实验室试验和现场试验两部分,本文只介绍实验室关于聚合物纳米胶粉胶体溶液在不同粒径散煤渗透介质中的渗透性能.

渗透性试验中主要的试验装置有手动泵、受注模型、压力表、油管等,试验中的受注模型由若干节长度为0.5 m、内径为50 mm的钢筒组成,末端开直径5 mm的孔.试验步骤如下:

(1)将两个钢筒(两个钢筒一个可以进液,另一个可以出液)连接起来,再将手动泵用胶管与钢筒连接组成一套完整的渗透性试验装置;

(2)将混合好的煤粒试样A散煤、B散煤和C散煤分别放入2节钢筒中并凿实,将手动泵体内装胶体溶液的空间清洗干净并干燥,然后倒入一定量的胶体溶液,盖好后盖密封好,并施加一定的压力,持续注意压力表上的压力,调整手动力度使得压力维持在1 MPa左右;

(3)记录从开始施加压力到末端钢管的小孔开始流出液体的时间间隔;

表3 不同浓度聚合物纳米胶粉胶体溶液渗透性结果

(4)将煤粒试样从钢筒内倒出,清洗手动泵、钢筒,增加钢筒节数(3节、4节)即改变渗透距离,重复上述步骤,完成试验.

依照上述步骤测定不同浓度的聚合物纳米胶粉胶体溶液在装有不同粒径散煤的受注模型中渗透1 m、1.5 m、2 m距离所需要的时间,试验结果见表3.

通过对聚合物纳米胶粉与水混合组成的不同粘度的胶体溶液在不同渗透介质中渗透不同的距离所需的时间的分析,得到结果.

(1)在渗透距离相等的条件下,组成渗透介质的煤粒粒径越小,胶体溶液所需要的渗透时间越长;

(2)胶体溶液经过煤粒介质的时间与介质的长度成正比,但不是一次性关系;随着煤粒渗透介质加长,同样的渗透介质增加量需要更长的渗透时间增加量,即边界渗透时间增加量随着渗透介质长度的增加而增加.

5 现场应用效果

将实验室试验筛选出来的聚合物纳米胶粉在孟家窑煤矿11205工作面进行了现场试验,发现注胶后工作面煤体内聚力由5.4 MPa提升至8.5 MPa,工作面煤壁片帮次数明显减少.

6 结论

(1)不同胶体的粘度-浓度变化规律是不同的,聚合物纳米胶粉和聚乙烯醇胶体溶液的粘度基本与浓度呈线性关系.

(2)在同等粘度(340里泊)、同等浓度(2%)两种条件下,聚合物纳米胶粉胶体溶液比羧甲基纤维素、羟丙甲基纤维素、聚乙烯醇、可再分散乳胶粉胶体溶液对散煤的粘结强度更高,可使粒径在1～2 mm的散煤聚合体单轴抗压强度达到1.36 MPa.

(3)随着浓度的增加聚合物纳米胶粉胶体溶液的渗透时间变大,渗透性降低;随着注胶距离的增加,渗透时间的增加量也逐渐增大.

(4)孟家窑煤矿现场注胶实践证明,胶体材料在一定程度上能够减少工作面煤壁片帮.

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Experimental study on colloidal materials optimization for increasing the intensity of soft seam

Pang Lining1,2,Li Chunrui1,2
(1.Department of Mining and Designing,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd., Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Mining and Designing Branch,China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

Aiming at the shortcoming of cement and chemical grout materials applied to rib spalling prevention,viscosity tests of 5 kinds of bonded colloidal materials were introduced,including carboxy methylcellulose,hydroxypropyl methylcellulose,polymer nano-rubber powder, polyvinylalcohol and redispersible latex powder,and contrast tests for increasing the intensity of bulk coals were also introduced,which found out the concentration-viscosity change law of all the materials and showed that the polymer nano-rubber powder could preferably increase the intensity of bulk coals.Using colloidal solutions of polymer nano-rubber powder with different concentrations,the results of permeability tests obtained the different time required by that the colloidal solution with different concentrations permeated different distances in bulk coals with different particle size under the pressure of 0.5 MPa.

soft coal,rib spalling,consolidation colloid,viscosity,intensity of bulk coal, permeability

TD353

A

庞立宁(1990-),男,河北临城人,硕士,现从事矿山压力与控制方面研究。

(责任编辑 张毅玲)

国家自然科学基金青年科学基金项目(51504136),国家自然科学基金(51304118),天地科技股份有限公司开采设计事业部青年创新基金(KJ-2014-TDKC-11)