突出煤相似材料综述及展望

朱墨然，熊云威，戴林超2，，赵 博

（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；4.重庆大学 资源及环境工程学院，重庆 400030）

煤与瓦斯突出是由地应力、瓦斯、煤的物理力学性质等综合作用的结果[1]，国内外学者对煤与瓦斯突出的机理进行了大量的研究，其中煤与瓦斯突出相似模拟实验是一种有效的研究方法。目前煤与瓦斯突出模拟实验大多采用型煤代替原煤进行，因为具有突出危险性的煤通常比较破碎且强度较低，难以制成满足实验要求的试件。但型煤在力学特性、吸附解吸特性和渗透特性等方面与原煤存在较大差异，主要体现在型煤相比于原煤具有低强度、低弹性模量和高渗透性的特点[2]。为了更加真实的还原煤与瓦斯突出现象，国内外学者对相似材料做了大量探索和研究，为制作相似材料提供了丰富的参考资料。为此概括了近年来突出煤相似材料制作的研究进展，对相似材料性能影响较大的因素进行了梳理，并对其发展方向进行了展望。

1 国内外研究现状

国内外学者对突出煤相似材料进行了大量的试验研究，日本学者氏平增之[3]利用CO2的结晶冰、松香、水泥及粉煤制作相似材料并进行了突出模拟试验，由于松香等原料无吸附特性，制成的材料在吸附解吸性能方面与原煤差距较大。B.C.Young[4]等人研究了影响型煤强度的主要因素，指出粒径配比、粒径大小以及成型工艺是影响型煤强度的主要因素。Nalladurai Kaliyan[5]等人总结了影响型煤强度的因素，包括原料组成、含水率、颗粒大小、成型温度、黏结剂、成型压力等。张建国[6]用型煤与原煤进行突出模拟试验，型煤试验发生突出时形成了突出孔洞、煤样破坏程度高、突出阵面推进速度快这3个特征与现场煤层发生的突出过程完全相似。

此外众多学者在相似材料的力学特性，吸附解吸特性以及渗透性3方面都进行了深入的研究。运用正交试验等方法得出了多因素影响下对材料性能的影响规律，优化了相似材料的成型工艺，为突出煤相似材料的制作提供了重要参考。

1）在材料的力学强度方面，尹光志[7]等对比了含瓦斯原煤和型煤2种煤样变形特性与抗压强度，结果表明原煤与型煤在变形特性和抗压强度方面的变化规律是一样的，用型煤替代原煤进行力学性质的一般性规律探讨是可行的。蔡成功[8]、邓全封[9]试验表明相似材料的强度随成型压力的增大而增大，成型压力小于15 MPa时材料强度增加的梯度大，成型压力较高时强度增加的梯度显著减小。孙朋[10]从原材料的选取、制样工艺及外界环境3个方面对相似材料的力学性能进行了较为全面的研究，并指出腐植酸钠浓度、粉煤级配、成型压力、堆沤熟化、分层压制是影响相似材料单轴抗压强度的主要因素。康向涛[11]发现以煤粉、沙子、石膏、水泥为原料制备的相似材料与原煤的应力应变曲线变化规律接近。

2）在材料的渗透性方面，高魁[12]等对比了原煤与型煤的渗透率，发现二者渗透率随围压和瓦斯压力改变的变化规律是一致的，实验室用型煤替代原煤进行渗透性试验是可行的。许江[2]、林海飞[13]、何生全[14]等人研究了型煤的渗透率，发现渗透率与黏结剂比例呈负指数关系，通过控制黏结剂的添加量能使型煤的渗透率与原煤接近。林海飞[13]通过正交试验发现冲击次数和胶砂比对材料的渗透率影响最大，冲击次数越多材料越密实，胶含量越多材料中孔隙越少，气体运移通道减少，材料渗透率越低。

3）在材料的吸附解吸性能方面，王汉鹏[15]以腐植酸钠为黏结剂，试验表明当添加20%浓度的腐植酸时，材料的吸附等温线与原煤基本一致，并认为腐植酸钠是一种较好的黏结剂。张淑同[16]发现在相似材料中加入活性炭能提高材料吸附解吸能力，相似材料在添加了水泥、沙子等非吸附材料后，吸附CO2的能力和原煤吸附CH4的能力保持基本一致。

2 突出煤相似材料性能的影响因素

在相似材料制作过程中许多因素都可能对材料的性能产生影响，其中主要影响因素可分为3大类：原材料、制作工艺和环境因素。具体包含以下几个方面：黏结剂、煤粉的种类、煤粉的粒径、煤粉的级配、成型水分、成型压力和其它因素。

1）黏结剂对材料性能的影响。黏结剂是决定相似材料性能的重要原料，对材料的强度、吸附解吸性能、渗透性能等都有显著影响，常用黏结剂的分类及特点见表1。许江[2]选用水泥为黏结剂制作型煤，发现材料的强度在一定范围内随着黏结剂比例的增大而增大，渗透率随着黏结剂添加量的增大而减小。何生全[14]以腐植酸为黏结剂制作相似材料时发现材料的瓦斯吸附量随着腐植酸比例增大而增大。不同的黏结剂性质差异较大，其中水泥和腐植酸被广泛采用，因为水泥具有较高的强度，能使材料强度具有较大的可调范围，而腐植酸是从煤中提取的，吸附解吸性能较好，在制作低强度相似材料时经常使用。

表1 黏结剂分类及特点

2）煤粉的种类对材料性能的影响。煤粉的种类主要影响试件的吸附解吸性能。因为不同的煤具有不同的孔隙结构，如高阶煤比低阶煤具有更多的微孔比例即比表面积较大，使得其对气体的吸附能力更强。郑贵强[17]研究发现，高阶煤以微孔为主，扩散和吸附所需的平衡时间长，中阶煤和低阶煤以中孔为主，且煤阶越高吸附瓦斯能力越强。在制作相似材料时应尽量选择具有较强吸附解吸性能的高变质程度煤，能使相似材料在掺杂黏结剂、水等无吸附性的原料后仍能保持较好的吸附解吸性能。

3）煤粉的粒径对材料性能的影响。煤粉粒径对相似材料强度和吸附解吸性能有影响。煤粉粒径的大小主要影响比表面积，粒径越小材料比表面积越大，对瓦斯的吸附性能越强。许江[18]将不同粒径煤粉在4 MPa压力下压制成型，发现煤粉粒径越小材料强度越高且吸附特性越好。此外小粒径煤粉比大粒径煤粉具有更好的均一度和规则度，在成型过程中更容易被压密实而具有更高的强度。陈鹏[19]通过实验发现在无黏结剂情况下煤粉粒径越小试件强度越大。吴鑫[20]采用不同粒径的煤粉在4 MPa压力下制作型煤并测试单轴抗压强度，发现粗、中、细3种粒径组成的型煤中细粒径型煤强度最大。制作相似材料时煤粉粒径一般取0.2~1 mm，该粒径区间制作的相似材料较为密实、强度较高且表面较平整光滑，过大的粒径会使材料表面粗糙且强度降低。

4）煤粉级配对材料性能的影响。不同煤粉粒径的搭配对试件性能也有影响。在相似材料制作过程中，不同粒径的煤粉在材料中的作用不同，粗粒级煤粉起骨架作用，细粒级煤粒能有效充填空隙。若粗粒级煤粒过多则煤粒间隙不能得到有效充填，材料在压力作用下间隙容易扩张，形成断裂面使材料强度降低；若细粒级煤粒过多，会造成比表面积过大，在黏结剂一定的情况下会使黏结剂不能均匀有效的和煤粉结合，将使材料强度降低[21]。苏小鹏[22]试验表明：粗粒径0.45 mm煤粉与细粒径0.15 mm煤粉各占50%时材料的强度最大，材料的渗透率随细粒径煤粉含量的增加而降低。制作相似材料时煤粉级配通常是粗粒径与细粒径煤粉1∶1混合，能使材料有效充填密实、强度更大。

5）成型水分对材料性能的影响。水分对相似材料强度、渗透率和吸附解吸能力都有较大影响。若以水泥为黏结剂，在水泥含量不变的情况下，材料强度随水分含量的增加而增大，当水分达到水泥最小需水量后材料的强度保持不变。研究发现[23-25]：水分能与煤体内瓦斯发生微观相互作用，改变瓦斯的吸附解吸特性，因为煤中有许多极性官能团，这些官能团是亲水的，水分会优先于气体占据这些极性官能团位点，同时水分会减小了煤体的孔径，阻碍了瓦斯的运移通道，降低瓦斯在煤中的扩散能力。不同的原料或黏结剂组成，在制作相似材料时的需水量不同，常见的以水泥为黏结剂时，添加水分质量占固体原料质量的比例大约为10%~15%时能使材料强度达到最大。

6）成型压力对材料性能的影响。成型压力对相似材料强度和渗透率影响较大。相似材料压制过程中，随着压力的不断增大，物料颗粒间的空隙被逐渐压缩体积减小。合适的成型压力能使相似材料强度最大，成型压力过小则不能有效密实物料；压力过大则可能使原料从模具中挤出破坏模具，材料的性能也不可控制。王卫东[26]试验表明型煤的机械强度随成型压力的增大而增大。目前大型煤与瓦斯突出模拟实验系统能实现的最大加载压力为25 MPa，制作相似材料时成型压力一般控制在25 MPa内。

7）其它因素。材料制作过程中物料的搅拌时间、保压时间、养护时间、温度等都会影响材料的性能。搅拌时间越长能使物料之间充分混合均匀，时间一般为5 min[27]。保压时间越长材料的强度越大，保压时间超过15 min后强度几乎不变；分层压制能更好的压实模具中部的物料，比一次压制成型具有更高的强度；压制好的相似材料需要时间使物料间进行充分反应，养护时间越长试件强度越高，养护15 d之后强度几乎不变[10]。

3 主要研究成果及存在问题

3.1 主要研究成果

经过国内外大量学者的努力，相似材料的制作取得了丰富的成果，材料的性能参数可调整范围越来越大，同时在力学性能、吸附解吸性能以及渗透性能3个方面中分别实现了越来越接近于原煤，得出了各因素对相似材料性能的影响规律。主要成果体现在以下几个方面：

1）掌握了常用原材料组分对相似材料性能的影响规律。其中黏结剂比例对相似材料的性能影响较大，试件强度随黏结剂比例的增加而增大。在煤粉级配方面，大小颗粒以适当比例混合时能使材料更加密实，强度更大。此外添加活性炭能有效提高相似材料的吸附解吸性能。

3.2 APP和Aβ APP是Ⅰ型膜蛋白，它可以被β-和γ-分泌酶依次切割而产生Aβ(AD老年斑的主要成分)。APP基因中有超过30个突变与家族性早发AD相关[10]。早期研究表明AD神经突内有自噬体聚集，且这些自噬体中存在APP、Aβ、CTF和BACE，所以自噬被认为是导致Aβ产生的原因[7,11]。但是，进一步研究自噬本身及其与AD的关系后发现，APP、Aβ、CTF和BACE其实是自噬的底物[12]。雷帕霉素、牛蒡甙元、卡马西平等药物能活化自噬从而降解Aβ和其他致病性蛋白来预防AD[13]，这些证据也支持了上述观点。

2）得出了成型工艺与参数对相似材料性能的影响规律。成型压力越大，材料越密实强度越高，渗透性越低。通过分层压制能有效压实模具中部的煤粉，使试件强度更高。保压时间越长，材料的强度越大。养护时间越长黏结剂与原料间的反应越充分，材料强度越大。

3）建立了材料强度与各影响因素之间的配比模型，前人通过不同的原料配比试验分析总结出了不同的试验配比模型。

3.2 存在问题

目前相似材料的研究从原材料的选取到制作工艺等方面都取得了长足的进步，但尚存在一些不足：

1）相似材料与原煤性能差异较大。目前的研究大多数仅针对单一性能指标进行，未综合考虑相似材料在力学性能、吸附解吸性能和渗透性能3方面与原煤之间相似程度的问题。

2）原材料及工艺等未标准化。不同的原材料规格、制作工艺、模具类型及养护条件对相似材料性能的影响偏差较大。

3）相似材料相似度的评价方法有待建立。相似材料与原煤各性能参数的差异造成突出模拟实验现象的不同，建立二者之间的联系以及如何评价相似材料的性能具有重大意义。

4 发展方向及建议

相似材料作为煤与瓦斯突出模拟实验中必不可少的一部分，应尽量使相似材料各方面的性能与目标原煤的性能相同。而要使相似材料各个参数与原煤完全相同非常困难，这就需要协调相似材料各性能参数，同时建立相似材料的定量评价方法，把相似材料的研究不断完善。今后的研究工作应着力于以下几个方面：

1）全面考察相似材料的力学性能、吸附解吸性能以及渗透性能，因为煤与瓦斯突出是1个气固耦合的过程。采用正交试验等方法探究多因素综合作用下对材料多个性能参数的影响规律。

2）对原材料和制作工艺等进行标准化，对原材料规格、模具类型、制作步骤、养护条件等进行统一，以减小相似材料的性能误差，建立统一的相似材料配比模型。

3）建立相似材料的定量评价方法。通过比较相似材料与原煤的各项性能参数，分别进行突出模拟实验，对实验数据进行分析，建立二者之间的联系，并找出合适的评价方法对相似材料进行评价。

5 结语

相似材料作为煤与瓦斯突出模拟实验的重要组成部分，对研究煤与瓦斯突出机理具有重要作用。目前已经得出了原材料、制作工艺和环境因素对相似材料性能的影响规律，建立了单一性能参数的相似材料配比方案。由于煤与瓦斯突出是一个固气耦合过程，需要相似材料在力学性能、吸附解吸性能和渗透性能3方面与原煤相似，同时建立相似材料与原煤进行突出模拟实验时二者实验结果之间的联系，为进一步研究煤与瓦斯突出机理奠定基础。