突出型煤配比及力学特性实验研究

戴林超

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

煤与瓦斯突出相似模拟实验是研究煤与瓦斯突出机理的有效手段之一[1]。目前多采用型煤代替原煤进行相似模拟实验，为了保证高相似还原突出现象，就必须保证型煤与原煤在物理力学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艺，对于突出相似材料的研究具有重要现实意义。

型煤是以骨料、黏结剂和水为原料，混合后在一定成型压力下压制成具有一定强度、尺寸及形状各异的煤成品。原料的种类、比例和成型条件对型煤的致密程度、性能稳定性有着重要影响，也是型煤力学特性的主要影响因素[3]。近年来，国内学者对型煤力学特性进行了大量实验研究。尹光志[4]、蔡成功[5]等通过原煤和型煤的单轴抗压强度实验，得出原煤与型煤在变形特性和抗压强度方面的变化规律是相同的，可用型煤替代原煤进行力学特征的一般性规律探讨；邓加耀[6]、张淑同[7]、杨宏民[8]等研究指出，原料组成、粒径配比、含水率、黏结剂及成型工艺是影响型煤强度的主要因素；李宝富等[9]利用正交配比试验研究了如何用碳酸钙、石膏、河砂配制满足煤岩体力学性质的低强度相似材料；康向涛[10]、杨洪增[11]等研究发现，以煤粉、河砂、石膏、水泥为原料制备的相似材料与原煤的应力应变变化规律较为接近。研究表明：在一定的冷压成型条件下，型煤的力学特性与骨料粒径、黏结剂比例、水分高低和成型条件等存在较大关联[9,12-13]。因此，笔者以煤粉、黏结剂和水为原料，研究型煤骨料、黏结剂种类、成型压力对型煤力学特性的影响，通过正交试验分析型煤强度的变化，为突出相似材料的配比及制作提供参考依据。

1 型煤材料及成型压力对其力学特性的影响

1.1 骨料选择

骨料是型煤制作过程中的主体原料，其物理力学特性和粒径参数对型煤的力学特性影响较大。由于煤粉和原煤具有相近的性质，能保证型煤和原煤的相似性，所以型煤的骨料选用煤粉。

煤粉粒径合理搭配使用能有效充填骨料间的间隙，孙朋[14]研究表明，粒径小于0.18 mm和0.18～0.38 mm 两种煤粉按1∶1混合使用时，能有效充填骨料间的间隙。因此，选用渝阳煤矿M8煤层煤粉作为骨料，其中粒径小于0.18 mm和0.18～0.38 mm两种煤粉质量比为1∶1。

1.2 黏结剂种类对型煤单轴抗压强度的影响

目前常用的黏结剂主要有水泥、石膏、腐植酸钠等[15]。为探讨不同黏结剂对型煤强度的影响，分别选择PI42.5高强度硅酸盐水泥、石膏、腐植酸钠作为黏结剂，在成型压力20 MPa下压制型煤，并进行强度测试。不同黏结剂及其添加比例对型煤强度的影响如表1和图1所示。

表1 不同黏结剂及其添加比例对型煤强度的影响

图1 黏结剂种类及其添加比例对型煤强度的影响

由图1可知，在水分一定的情况下，型煤的单轴抗压强度随着黏结剂质量分数的增大而增大，两者呈现较好的线性关系；水泥作为黏结剂时其单轴抗压强度明显大于其他黏结剂型煤的强度。因此，为了制作较高强度的型煤，选择水泥作为黏结剂。

1.3 成型压力对型煤单轴抗压强度的影响

成型压力是型煤在压制过程中施加的轴向应力，在不同成型压力下型煤的密实度和力学特性也不同[16]。当黏结剂(PI42.5高强度硅酸盐水泥)质量分数为9%、水分为15%时，在成型压力为10、15、20、25 MPa下分别压制型煤并进行强度测试，结果如图2所示。

图2 成型压力对型煤强度的影响

由图2可知，在黏结剂和水的质量分数一定的情况下，型煤单轴抗压强度随着成型压力的增大而增大，增长速率在20 MPa前较大，20 MPa后逐渐趋于平缓。因此，成型压力选择20 MPa较为合适。

2 型煤正交试验设计及配比测试

选取煤粉为骨料，以PI42.5高强度硅酸盐水泥为黏结剂。通过控制骨料、黏结剂和水的比例，使型煤力学特性存在差异。因此，以煤粉与水泥质量比、水灰比(质量比，下同)作为正交试验的2个因素，具体试验设计配比方案如表2所示。根据表2中配比方案，在成型压力20 MPa下制作型煤试件，型煤试件如图3所示。采用TAW-2000型三轴试验机进行试件强度测试，测试结果见表2。

表2 正交试验配比方案及测试结果

图3 型煤试件

3 煤粉与水泥质量比和水灰比对型煤强度的影响

3.1 型煤单轴抗压强度的影响因素分析

根据表2数据得到水灰比为0.4条件下煤粉与水泥质量比对型煤单轴抗压强度的影响，如图4所示。煤粉与水泥质量比为7∶1条件下水灰比对型煤单轴抗压强度的影响，如图5所示。

图4 水灰比为0.4条件下煤粉与水泥质量比对型煤单轴抗压强度的影响

图5 煤粉与水泥质量比为7∶1条件下水灰比对型煤单轴抗压强度的影响

由图4、图5可知，型煤的单轴抗压强度与煤粉与水泥质量比、水灰比呈线性关系。在水灰比一定的情况下，型煤抗压强度随着煤粉与水泥质量比的增大而减小，煤粉与水泥质量比越大，黏结剂质量分数越小，型煤单轴抗压强度也越小；在煤粉与水泥质量比一定的前提下，型煤抗压强度随着水灰比的增大而增大。水灰比增大，即型煤配比中水的质量分数增大，更多的水泥能与水发生水化反应，使水泥能充分发挥其黏结性能。

3.2 型煤弹性模量的影响因素分析

根据表2数据得到水灰比为0.4条件下煤粉与水泥质量比对型煤弹性模量的影响，如图6所示。煤粉与水泥质量比为7∶1条件下水灰比对型煤弹性模量的影响，如图7所示。

图6 水灰比为0.4条件下煤粉与水泥质量比对型煤弹性模量的影响

图7 煤粉与水泥质量比为7∶1条件下水灰比对型煤弹性模量的影响

由图6、图7可知，型煤弹性模量与水灰比、煤粉与水泥质量比也呈线性关系。在水灰比一定的情况下，型煤弹性模量随着煤粉与水泥质量比的增大而减小；在煤粉与水泥质量比一定的前提下，型煤弹性模量随着水灰比的增大而增大。

3.3 回归拟合分析

设煤粉与水泥质量比为X1、水灰比为X2、单轴抗压强度为Y1、弹性模量为Y2，基于MATLAB软件对数据进行多元线性回归分析，得到回归方程如下：

Y1=-1.407X1+0.625X2+12.676

(1)

Y2=-134.45X1+51.075X2+1 153.77

(2)

式中：X1为煤粉与水泥质量比，X1∈[5,8]；X2为水灰比，X2∈[0.4,2.0]；Y1为型煤单轴抗压强度，MPa；Y2为型煤弹性模量，MPa。

根据式(1)、式(2)进行实验数据拟合相对误差分析，计算结果如表3所示。

表3 数据拟合相对误差计算结果

由表3可知，型煤单轴抗压强度的最大相对误差为2.81%，弹性模量的最大相对误差为4.87%，两者均小于5%，表明拟合回归方程较为准确。

通过式(1)、式(2)可以在已知煤粉与水泥质量比、水灰比的情况下，计算得到所配制型煤的单轴抗压强度和弹性模量。但在实际应用中，需根据型煤的力学特征参数确定其配比，对式(1)、式(2)进行参数变换，得到关系式如下：

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

(3)

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

(4)

通过式(3)、式(4)，根据型煤需要的单轴抗压强度和弹性模量等物理力学参数，计算出型煤的煤粉与水泥质量比、水灰比，从而确定最终的型煤配比方案。

4 结论

1)在水分和成型压力一定的情况下，型煤的单轴抗压强度与黏结剂质量分数呈线性关系，且水泥作为黏结剂的型煤单轴抗压强度明显高于其他黏结剂型煤的单轴抗压强度。

2)在水和黏结剂质量分数一定的情况下，型煤单轴抗压强度随成型压力的增大而增大，且在 20 MPa 前增长速率较大，20 MPa后逐渐趋于平缓。

3)型煤单轴抗压强度和弹性模量与水灰比、煤粉与水泥质量比存在线性关系，且型煤的单轴抗压强度和弹性模量随着水灰比的增大而增大，随着煤粉与水泥质量比的增大而减小。基于实验数据得到型煤强度与型煤配比的关系，构建了型煤配比与强度关系的多元线性回归数学模型。

4)下一步将主要结合突出模拟实验对得到的突出煤相似材料配比及工艺进行应用和验证。