低温对不同水分条件下煤的坚固性系数影响研究

闫 静，孙 臣

(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)

煤与瓦斯突出是煤矿瓦斯灾害中的一种极其复杂的动力灾害，国内外学者在煤与瓦斯突出机理研究中成果丰硕，从研究结果来看，煤体自身强度是煤与瓦斯突出的关键影响因素之一[1-5]。所以，提高煤体力学强度是有效防治煤与瓦斯突出的重要途径。谢雄刚等[6]研究了冻结温度下突出煤样的力学性质，结果表明随着冻结温度的降低，成型煤样的单轴抗压强度和弹性模量都明显增大。董若蔚[7]开展了液氮冻结状态下煤体力学特性实验研究，采用单轴压缩试验和巴西劈裂实验测量了液氮冻结状态下煤体的抗压强度、弹性模量和抗拉强度。实验结果表明，液氮冻结对煤体的力学性质有显著的提升作用。张辛亥等[8]进行了冻结温度(-60～20 ℃)条件下煤岩样的单轴压缩试验，结果表明煤岩体的单轴抗压强度随着温度降低有增加趋势。以上学者研究表明，通过降低煤层温度从而提高煤体力学强度是一种行之有效的方法。

煤的坚固性系数是煤与瓦斯突出危险性鉴定的重要参数之一[9-10]，也是鉴定参数中能够反映煤体力学强度的唯一参数。一般来说，煤的坚固性系数越小，煤与瓦斯突出危险性越高。影响煤的坚固性系数的因素有：煤的变质程度、水分、灰分、温度等[11-12]。李铁磊等[13]研究发现煤的坚固性系数随着水分(7%以下)的增加呈线性增大。吴爱军等[14]研究了-20～-50 ℃条件下煤的坚固性系数，结果表明，煤的坚固性系数随温度升高而减低且近似呈线性关系。

本文通过水分控制装置及温度控制装置测试了低温(0 ℃以下)条件下不同水分(10%以下)的煤的坚固性系数，以研究低温及水分共同作用下煤的坚固性系数。

1 实验方法及装置

1.1 煤样制备

实验煤样取自贵州省织金县城关镇兴发煤矿M27煤层及贵州省习水县木担坝煤矿C8煤层。兴发煤矿M27煤层、木担坝煤矿C8煤层均为突出煤层。分别将2种煤样原始煤块进行粉碎，筛取1～3 mm煤样，充分混合，称取10 kg备用；采用落锤法对以上两种煤样进行煤的坚固性系数测试，测试结果见表1。

表1 煤样坚固性系数Tab.1 Consistent coefficient of coal sample

1.2 煤样水分控制

对已制备的1～3 mm的兴发煤矿和木担坝煤矿煤样分别进行整体干燥后，称取一定质量m0的煤样，通过如图1所示的煤样加湿处理装置对煤样进行加水。加热器对蒸馏瓶中的水进行加热，使得蒸馏出的水分与煤样混合从而获取水分饱和的煤样，随后对煤样进行不同程度的干燥，并称量煤样质量mu，以此方法获取含有设定水分的煤样，从而达到水分控制的目的。

图1 煤样加湿处理装置Fig.1 Coal sample humidification device

煤样最终水分w计算公式为：

(1)

实验中，将兴发煤矿及木担坝煤矿煤样水分控制在0%、2%、6%、10%。实验所用煤样水分与水分控制指标误差均在5%以内。

1.3 低温控制及f值测定

低温环境坚固性系数测试装置由落锤法装置及包裹在其外侧的温度控制系统组成，低温环境坚固性系数测试装置如图2所示。

图2 低温环境坚固性系数测试装置Fig.2 Test device for low temperature environment consistent coefficient

温度控制系统中包括温度控制器、冷冻腔和冷冻液循环泵，落锤法外侧循环层，冷冻液为汽车发动机防冻液(冰点-45 ℃)。使用温度控制器设置温度；冷冻腔使冷冻液处于恒温(设定温度)；冷冻液循环泵使冷冻腔内冷冻液经进液口流入落锤法装置，外侧循环层经出液口流入冷冻腔。温度控制系统可使落锤法装置处于-40 ℃至室温的环境中。将煤样至于落锤桶内一定时间使用温度计测定煤样温度，当煤样温度与冷冻液温度一致时开始测定煤的坚固性系数。本文研究中所设置的循环液温度为-40、-30、-20、-10、0 ℃，在各温度条件下分别对水分为0%、2%、6%、10%的兴发煤矿煤样及木担坝煤矿煤样进行煤的坚固性系数测定。

2 实验结果及分析

2.1 实验结果描述

根据实验结果绘制相同温度条件下煤的坚固性系数与煤的水分关系，如图3所示。由图3可得，相同温度条件下，兴发煤矿煤样与木担坝煤矿煤样的坚固性系数随煤样水分的变化趋势基本相同；当煤样水分较低时(<2%)，煤坚固性系数随煤样水分的变化趋势不明显；当煤样水分>2%时，煤坚固性系数随煤样水分的增加而明显增大，并呈线性关系，拟合可得其符合呈线性关系，回归方程见表2。

图3 煤的坚固性系数与煤的水分关系Fig.3 Relationship between consistent coefficient and moisture content of coal

根据实验结果绘制相同水分条件下煤的坚固性系数与温度关系，如图4所示。

表2 煤坚固性系数与水分的拟合关系式Tab.2 Fitting relationship between coal consistent coefficient and moisture

图4 煤的坚固性系数与煤的温度关系Fig.4 Relationship between consistent coefficient and temperature of coal

由图4可得，相同水分条件下，兴发煤矿煤样与木担坝煤矿煤样的坚固性系数随温度的变化趋势基本相同；当煤样水分较低时(<2%)，低温对煤的坚固性系数影响较小；当煤样水分>2%时，煤的坚固性系数随温度的降低而明显增大，并呈线性关系，对煤样水分为6%、10%时煤坚固性系数随温度的变化关系进行拟合，可得其符合呈线性关系，回归方程见表3。

表3 煤坚固性系数与温度的拟合关系式Tab.3 Fitting relationship between coal consistent coefficient and temperature

根据实验结果绘制煤的坚固性系数与温度、水分的关系，如图5所示。

图5 煤的坚固性系数与温度和水分的关系Fig.5 Relationship between consistent coefficient of coal and temperature and moisture

由图5可得，随着温度的升高以及煤样水分的降低，煤的坚固性系数呈减小趋势；随着温度的降低以及煤样水分的升高，煤的坚固性系数呈增大趋势。

2.2 实验结果分析

当含水煤样处于低温环境时，煤体内部的孔隙或裂隙内的水分由于低温作用被冻结为冰，由于受到冰的胶结作用，煤颗粒的坚固性系数增大。当煤样水分>2%时，进入煤样内部的水分较多，分布于煤体的大孔隙、中孔及小、微孔隙中。在不同低温条件下，煤体内存在的未冻水量不同[15]，在冻结时大孔隙内的水先开始相变为冰，然后是中孔，最后是小、微孔隙。温度越低，煤体内存在的冰越多，未冻水越少，冰的胶结作用越强，煤的坚固性系数越大。

相同低温条件下，当煤样水分较低时(<2%)，煤坚固性系数随煤样水分的变化趋势不明显，是由于进入煤体内部的水分较少，冰的胶结作用不明显。当煤样水分较低时(<2%)，低温对煤体的坚固性系数影响较小。由图3可知，兴发煤矿煤样水分为6%、10%时，在-40 ℃温度下坚固性系数分别为2.940 6、4.305 7；相比室温25 ℃、水分1.49%条件下的坚固性系数1.64分别提高了79.3%、162.5%。木担坝煤矿煤样水分为6%、10%时，在-40 ℃温度下其坚固性系数分别为1.469 7、2.207 3；相比室温25 ℃，水分2.08%条件下的坚固性系数0.68分别提高了116.1%、224.6%。由以上分析可得对煤体注水并降温可以有效增大煤的坚固性系数，从而能够提高煤体的力学强度。

3 结论与展望

(1)当煤样水分较低时(<2%)，由于进入煤体内部的水分较少，冰的胶结作用弱，煤坚固性系数随煤样水分的变化趋势不明显；当煤样水分>2%时，煤体内部的孔隙或裂隙内的水分由于低温作用被冻结为冰，由于受到冰的胶结作用，煤坚固性系数随煤样水分的增加而明显增大，并呈线性关系。

(2)当煤样水分>2%时，随着温度的降低，煤体中的未冻水量逐渐减少，冰的胶结作用逐渐增大，煤的坚固性系数随温度的降低而明显增大，并呈线性关系。不同煤样随着温度的降低以及煤样水分的升高，煤的坚固性系数都呈增大趋势。

(3)采用煤层注水并冷冻的方法可以提高煤体的抗压强度，降低煤与瓦斯突出发生危险性。