碱性溶液降低煤体冲击倾向性的实验研究

夏大平,郭红玉,罗 源,马俊强,陈山来,王 振

(1.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室(安徽理工大学),安徽淮南 232001;2.河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454003;3.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心,河南焦作 454003)



碱性溶液降低煤体冲击倾向性的实验研究

夏大平1,2,3,郭红玉1,2,3,罗 源2,马俊强2,陈山来2,王 振2

(1.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室(安徽理工大学),安徽淮南 232001;2.河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454003;3.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心,河南焦作 454003)

摘 要:利用RMT-150B岩石力学实验系统对千秋矿原始煤样、清水浸泡煤样与碱溶液浸泡煤样开展实验研究,分析煤样弹性能量指数、冲击能量指数、动态破坏时间和单轴抗压强度指标的变化趋势。综合判断表明,原始煤样和清水浸泡煤样分别为强冲击性和弱冲击性,而碱溶液浸泡后其力学强度急剧下降,由脆性向塑性变化趋势最明显,变为完全无冲击性。通过煤样的工业应用指标、接触角、浸泡时间/力学强度、碱溶液的浓度和用量等测试,初步分析了碱溶液在煤矿的应用前景,对中低阶煤层来说,在煤层注水时加入少许碱性药品实现物理-化学联合作用防治冲击地压,同时还兼具降尘效应。

关键词:冲击倾向性;化学反应;碱溶液;力学强度;接触角;中低阶煤

责任编辑:许书阁

夏大平,郭红玉,罗 源,等.碱性溶液降低煤体冲击倾向性的实验研究[J].煤炭学报,2015,40(8):1768-1773.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1399

随着煤矿开采强度和深度的增加,冲击地压危害也日趋严重,已成为重要的灾害源,严重威胁煤矿的安全生产[1-3]。国内外学者对冲击地压形成机理和防控措施进行了许多卓有成效的研究,提出了一系列冲击地压模型、理论和监测方法[4-7]。目前煤矿冲击地压防治措施主要有煤层注水[8]、卸压钻孔、开采保护层[9]、顶板断裂[10]和卸压爆破等,目的在于破坏煤体完整性,降低其力学强度,此外,还有学者提出采用新型防冲吸能巷道液压支架进行预防的措施[11]。

但是,现行防治措施也存在一定局限性,比如煤层泄压钻孔和新型吸能支架投资大、开采保护层防治周期时间偏长、卸压爆破哑炮处理困难并存在诱发突出的风险和煤层注水浸润困难等。因此,探索一种全新的思路来防治煤矿冲击地压显得尤为重要。

由于中低阶煤含有大量能与碱溶液发生化学反应的有机物[12-14],与碱溶液作用后煤的物理结构发生显著变化,导致其力学强度急剧下降,据此提出了碱溶液辅助防治冲击地压的方法[15]。本文选择义马千秋矿煤样,对比分析煤样经清水和碱溶液浸泡后冲击倾向性指标、工业指标和接触角等参数的变化趋势,为碱溶液在防治煤矿冲击地压等灾害的应用提供实验支撑。

1 实验与方法

1.1 煤样采集

采集冲击地压灾害严重的义马千秋矿大块煤样,现场采样蜡封后,在实验室进行工业分析和反射率测试(表1),按照GB/ T 23561.1—2009规定加工成ϕ50 mm×100 mm标准煤样(图1)。为了对比碱溶液浸泡、清水浸泡和原始煤样冲击倾向性差别,要求实验煤样密实程度基本一致,依据声波速度指标,筛选声波速度在1 406~1 464 m/ s的煤样,以降低数据离散程度。

表1　煤样基础数据Table 1 Basic data of coal samples

图1　加工的部分煤样Fig.1 Part of the coal samples processed

1.2 煤样制备

从制备煤样中选取部分做碱溶液浸泡实验,以便确定合理的碱溶液浓度与浸泡时间,经证实1 mol/ L 的NaOH溶液对煤样浸泡将很快使其破碎,溶液变黑褐色,煤样完全失去原有的弹性能和力学强度(图2)。

实验选择碱溶液的浓度要兼顾浸泡时间和浸泡效果。从高浓度的NaOH溶液开始实验,每次减半,最佳浓度要求是:既不能使NaOH与煤反应太剧烈,这样有可能使煤样很短时间被泡碎,甚至成“糊状”,无法进行冲击倾向性测试;NaOH浓度又不能太低,这样煤样与NaOH反应效果不明显,无法完成预期目标。要保证在选择的浓度条件下,碱溶液能充分与煤接触浸润,同时还能尽量保持煤芯的完整性,经反复实验,确定C组煤样采用0.5 mol/ L的NaOH溶液浸泡7 d,B组煤样采用清水浸泡7 d,A组煤样为原始煤样。

1.3 实验方法

按照GB/ T 25217.2—2010,采用RMT-150B型岩石力学伺服实验机,以不同的加载方式和加载速率进行冲击性指标测试:

(1)弹性能量指数。由于煤样非均质性强,离散严重,加载难以达到试件平均单轴抗压强度的75%~85%,常发生煤样没有来得及卸载就破坏的情形,致使严格按照国标进行实验有一定的难度,参照文献[16]所述方法,实验采用以0.15 kN/ s的速度加载到试件平均单轴抗压强度的75%~85%后,以相同速度卸载,卸载到单轴抗压强度的1%~5%;然后重新以0.15 kN/ s的加载速度直至破坏。0.1 ms级的计算机数据采集处理系统可以获得各试件的应力-应变曲线,再由计算机直接积分出弹性应变能值和总应变能值。

(2)冲击能量指数。以0.006 7 MPa/ s的加载速度对试件进行准静态加载,用位移传感器测量试件的轴向变形,直至试件破坏。由计算机数据采集系统记录贮存,并直接绘出弹性能量指数计算图,再由计算机直接积分出弹性应变能值和总应变能值。

(3)动态破坏时间。用载荷传感器测量试件承受的载荷,直至试件破坏,测得的信号通过动态电阻应变仪传给0.1 ms级的计算机数据采集处理系统,该系统根据测得数据,直接绘出相应的动态破坏时间曲线,并可将曲线图中最大破坏载荷的关键处放大,精确地给出试件的动态破坏时间TD。

(4)单轴抗压强度。在RMT-150B型岩石力学伺服实验机上直接测试。

图2　煤样在碱溶液作用下的变化过程Fig.2 Change process of coal sample under the action of alkaline solution

2 实验结果与分析

2.1 实验测试

(1)声波测试。

采用UTA-2000A型非金属超声监测分析仪,采样频率为10 MHz,计时精度为0.1 μs,采用35 kHz的普通型传感器,试样与传感器之间用黄油耦合。A组的平均波速测试结果为1 442.75 m/ s;B组浸泡前的测试结果为1 449.71 m/ s,浸泡后的测试结果为1 300.83 m/ s; C组浸泡前的测试结果为1 438.42 m/ s,浸泡后的测试结果为965.66 m/ s。限于篇幅没有全部列出每个煤样测试数据,仅列出每组平均值(下同)。数据表明,碱溶液浸泡煤样的声波速度降幅最大,清水浸泡次之,说明碱溶液降低煤样致密性的效果明显优于清水。

(2)单轴抗压强度测试。

A组、B组、C组的单轴平均抗压强度测试结果分别为25.64,14.75,5.64 MPa。原煤的单轴抗压强度较大,而经NaOH浸泡过的煤样明显比清水浸泡煤样抗压强度低,说明碱溶液加剧了煤样“软化”过程,其内部物理结构发生改变进而导致力学强度急剧下降。

(3)冲击能量指数测试。

冲击能量指数实验测试结果见表2和图3,显然原煤样的弹性能指标较高,而清水浸泡煤样冲击能居中,经NaOH处理后的煤样,冲击能指标最小。

表2　冲击能量指数测试结果Table 2 Test results of impact energy index

注:—表示煤样被直接压碎,无法得到冲击能量指数。

(4)弹性能指标测试。

弹性能指标测试结果见表3和图4,原煤样弹性能指标达到7.1,而清水浸泡煤样,弹性能指标为2.8,而经NaOH浸泡后的煤样,弹性能指标为1.65,几乎丧失其弹性。

(5)动态破坏时间测试。

3组煤样的动态破坏时间TD测试结果见表4,原煤的动态破坏时间较小,能量瞬间释放,冲击倾向性比较强;而清水浸泡煤样的动态破坏时间居中;经NaOH浸泡后,煤样动态破坏时间与原煤样相比增加了近8倍,能量释放有了一个较大缓冲时间,冲击强度显著降低。

2.2 实验结果分析

按照GB/ T 25217.2—2010附表A.1对A,B和C三组煤样的冲击倾向性强弱进行综合判断,结果见表5。显然原煤样经清水和碱溶液浸泡后,冲击倾向性从强冲击变为弱冲击和无冲击。

图3　煤样冲击能曲线对比Fig.3 Impact energy curve comparison of samples

表3　弹性能指标测试结果Table 3 Test results of elastic energy index

图4　煤样弹性能曲线对比Fig.4 Elastic energy curve comparison of samples

表4　动态破坏时间测试结果Table 4 Results of dynamic destruction time

3 碱溶液与煤作用的多重效应分析

3.1 碱溶液对煤工业指标的影响

通过上述冲击倾向性对比实验可以看出,碱溶液降低冲击地压效果比单纯注清水有明显的优势。同时,碱溶液也是改善煤工业指标的常用药剂,在脱灰和脱硫等方面应用由来已久[17-18]。分别取C1,C2, C3经NaOH浸泡煤样,在空干基下进行工业分析,结果见表6,与表1对比表明,NaOH浸泡煤样工业指标中挥发分较原煤的40.01%有明显降低,原因是浸出液含有大量的有机物组分而导致残煤的挥发分降低,但灰分与原煤的10.31%差别不大,因此,对一般的工业应用影响程度有限。

表5　煤样冲击倾向性综合判断结果Table 5 Outburst-proneness comprehensive results of coal samples

表6　碱溶液浸泡后煤样的工业分析结果Table 6 Proximate analysis of coal samples soaked in alkaline solution　%

3.2 碱溶液对煤接触角的影响

采用JC2000B2旋转滴界面张力/接触角测量仪,分别测试原煤样和碱溶液浸泡煤样的接触角,结果如图5所示,煤的接触角从122.5°降低到91°,降低了25.7%,效果显著。

图5　碱溶液浸泡前后接触角测试Fig.5 Contact angle tests of coal samples before and after soaking in alkaline solution

3.3 碱溶液浸泡时间对煤力学强度的影响

分别用0.5 mol/ L的NaOH溶液浸泡1,3,5, 7 d。在RMT-150B型岩石力学伺服实验机上采取位移加载,实验结果如图6所示,煤样的抗压强度分别为18.2,13.7,9.6,6.2 MPa。随着浸泡时间的增加,煤样的力学强度逐步降低。

图6　煤的力学强度与碱溶液浸泡时间的关系Fig.6 Relationship between mechanical strength of coal and alkaline-soaking time

3.4 碱溶液在煤矿中的应用前景分析

由于碱溶液可以显著降低煤的接触角,因此煤对碱溶液的浸润速度比水快,传统的煤层注水防治冲击地压措施中,只需添加少许的碱性药品,就可以使防治冲击地压的效果明显改善,操作简单、经济可行。以义马千秋矿煤样为例,实验证明只需[OH-]大于0.05 mol/ L即可明显降低煤的冲击倾向性,吨煤平均消耗NaOH 10 kg左右,增加成本较小。同时,碱溶液降低煤接触角的优点,可以作为煤矿防尘、隔爆水棚等方面的应用[19]。煤变质程度从低煤阶向中煤阶转化时,所含溶于碱的有机物组分逐渐减少,现场应用时适当提高碱溶液的浓度与浸泡时间。

4 结 论

(1)根据动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数和单轴抗压强度4项指标,分别对原始煤样、清水浸泡煤样和NaOH浸泡煤样进行测试,综合判断表明,原始煤样强冲击性分别降为弱冲击和无冲击性,与传统的煤层注水相比,碱溶液降低煤的煤层冲击倾向性优势更明显。

(2)碱溶液降低了煤的接触角说明碱溶液与煤的浸润速度要优于清水,有助于提高煤层注水效率,这种特点使得碱溶液在煤矿防尘方面有一定的潜在意义。工业分析表明少许碱溶液对煤的工业应用影响有限,对中低阶煤层来说,在煤层注水时加入少许碱性药品实现物理-化学联合作用防治冲击地压,同时还兼具降尘效应,操作简单、经济可行,在煤矿井下具有一定的应用前景。

参考文献:

[1]宋义敏,马少鹏,杨小彬,等.断层冲击地压失稳瞬态过程的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(4):812-817.

Song Yimin,Ma Shaopeng,Yang Xiaobin,et al.Experimental investigation on instability transient process of fault rockburst[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30 (4):812 -817.

[2]蓝 航,杜涛涛,彭永伟,等.浅埋深回采工作面冲击地压发生机理及防治[J].煤炭学报,2012,37(10):1618-1623.

Lan Hang,Du Taotao,Peng Yongwei,et al.Rock-burst mechanism and prevention in working face of shallow buried coal-seam[J].Journal of China Coal Society,2012,37(10):1618-1623.

[3]李 铁,梅婷婷,李国旗,等.“三软”煤层冲击地压诱导煤与瓦斯突出力学机制研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(6): 1283-1288.

Li Tie, Mei Tingting, Li Guoqi, et al.Mechanism study of coal and gas outburst induced by rockburst in“three-soft”coal seam [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011, 30(6):1283-1288.

[4]Luxbacher K,Westman E,Swanson P,et al.Three-dimensional timelapse velocity tomography of an underground longwall panel[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2008, 45(4):478-485.

[5]姜耀东,潘一山,姜福兴,等.我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治[J].煤炭学报,2014,39(2):205-213.

Jiang Yaodong,Pan Yishan,Jiang Fuxing,et al.State of the art review on mechanism and prevention of coal bumps in China[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):205-213.

[6]曲效成,姜福兴,于正兴,等.基于当量钻屑法的冲击地压监测预警技术研究及应用[J].岩石力学与工程学报,2011,30(11): 2346-2351.

Qu Xiaocheng,Jiang Fuxing,Yu Zhengxing,et al.Rockburst monitoring and precaution technology based on equivalent drilling research and its applications[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(11):2346-2351.

[7]He X Q,Chen W X,Nie B S,et al.Electromagnetic emission theory and its application to dynamic phenomena in coal-rock[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2011, 48(8):1352-1358.

[8]苏承东,翟新献,魏向志,等.饱水时间对千秋煤矿2#煤层冲击倾向性指标的影响[J].岩石力学与工程学报,2014,33(2): 235-242.

Su Chengdong,Zhai Xinxian,Wei Xiangzhi,et al.Influence of saturation period on bursting liability indices for coal seam 2# in Qianqiu Coal Mine[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(2):235-242.

[9]成云海,姜福兴,程久龙,等.关键层运动诱发矿震的微震探测初步研究[J].煤炭学报,2006,31(3):273-277.

Cheng Yunhai,Jiang Fuxing,Cheng Jiulong,et al.The primary study on microseismic locating and monitoring technology of shock bump caused by key stratum movement [J].Journal of China Coal Society,2006,31(3):273-277.

[10]牟宗龙,窦林名,倪兴华,等.顶板岩层对冲击矿压的影响规律研究[J].中国矿业大学学报,2010,39(1):40-44.

Mou Zonglong,Dou Linming,Ni Xinghua,et al.Research on the influence of roof strata on rock burst risk[J].Journal of China University of Mining & Technology,2010,39(1):40-44.

[11]潘一山,吕祥锋,李忠华.吸能耦合支护模型在冲击地压巷道中的应用研究[J].采矿与安全工程学报,2011,28(1):6-10.

Pan Yishan,Lü Xiangfeng,Li Zhonghua.The model of energy-absorbing coupling support and its application in rock burst roadway [J].Journal of Mining & Safety Engineering,2011,28(1):6-10.[12]Mercedes Estévez,Roberto Juan,Carmen Ruiz,et al.Formation of humic acids in lignites and subbituminous coals by dry air oxidation[J].Fuel,1990,69(2):157-160.

[13]曹勇飞,吴国光,孟献梁,等.低阶煤中所含腐植酸的制备及应用[J].煤炭技术,2009,28(12):134-135.

Cao Yongfei,Wu Guoguang,Meng Xianliang,et al.Preparation and application of humic acid from low-rank coal[J].Coal Technology, 2009,28(12):134-135.

[14]许 灿,于三三,从兴顺,等.从煤中提取腐殖酸的工艺研究[J].沈阳化工大学学报,2011,25(1):35-38,52.

Xu Can,Yu Sansan,Cong Xingshun,et al.Technology of secondary humic acids extracted from coals[J].Journal of Shenyang University of Chemical Technology,2011,25(1):35-38,52.

[15]郭红玉,苏现波,夏大平,等.化学反应防治煤层冲击地压的方法[P].中国专利:201310010361.4,2013-04-24.

[16]陈绍杰,郭惟嘉,杨永杰,等.煤层冲击倾向性试验研究[J].矿业安全与环保,2007,34(2):10-11,14.

Chen Shaojie,Guo Weijia,Yang Yongjie,et al.Experimental study on burst tendency of coal seam[J].Mining Safety and Environmental Protection,2007,34(2):10-11,14.

[17]李德伏,崔之栋,王同华.常压下煤的碱处理脱灰[J].煤炭转化,1992,15(4):83-88.

Li Defu,Cui Zhidong,Wang Tonghua.Deashing of coal with aqueous alkali under atmosphere[J].Coal Conversion,1992,15(4): 83-88.

[18]Chuang K C, Markuszewski R, Wheelock T D.Desulfurization of coal by oxidation in alkaline solutions[J].Fuel Processing Technology,1983,7(1):43-57.

[19]郭红玉,罗 源,夏大平,等.一种利用碱溶液的煤矿井下除尘方法[P].中国专利:201310393040.2,2013-12-25.

Xia Daping,Guo Hongyu,Luo Yuan,et al.Experimental study on reducing outburst proneness of coal seam via alkaline solution[J].Journal of China Coal Society,2015,40(8):1768-1773.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1399

Experimental study on reducing outburst proneness of coal seam via alkaline solution

XIA Da-ping1,2,3,GUO Hong-yu1,2,3,LUO Yuan2,MA Jun-qiang2,CHEN Shan-lai2,WANG Zhen2

(1.Key Laboratory of Safety and High-Efficiency Coal Mining,Ministry of Education(Anhui University of Science and Technology),Huainan 232001,China; 2.School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;3.Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region,Henan Province,Jiaozuo 454003,China)

Abstract:Raw coal samples selected from Qianqiu Mine and those of treated coal samples soaked respectively in clean water and alkaline solution were investigated using RMT-150B rock test system.In the test,the elastic energy index, impact energy index,dynamic destruction time and uniaxial compression strength were analyzed on their variation tendencies.According to a series of comprehensive analysis,raw coal samples and water-soaked ones were determined as strong impact-performance and weak impact-performance respectively,while the alkaline-soaked ones had no impactperformance due to a drastic decrease of mechanical strength along with an evident trend of turning plasticity from brittleness.Based on the tests of proximate analysis,contact angle and soaking time to mechanical strength ratio,the concentration and dosage of alkaline solution etc,the prospect of alkaline solutions applied to collieries was considered in that the physical-chemical coupling effect of water infusion added with a small amount of alkaline solutions into midlow rank coal seams will effectively prevent rock burst and dust generation.

Key words:burst proneness;chemical reaction;alkaline solution;mechanical strength;contact angle;mid-low rank coal

通讯作者:郭红玉(1978—),男,河南遂平人,副教授,博士。E-mail:ghy1026@126.com

作者简介:夏大平(1983—),女,安徽颍上人,实验师,博士研究生。Tel:0391-3987927,E-mail:xiadp22@ hpu.edu.cn。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(41472127,41502158);山西省煤层气联合研究基金资助项目(2013012004)

收稿日期:2014-10-20

中图分类号:TD324

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2015)08-1768-06