吸附性类煤岩材料中超声波速影响因素及敏感性分析

2022-06-15赵鹏翔刘妍群李树刚贾永勇易春艳金士魁李绍蓉

西安科技大学学报 2022年3期

赵鹏翔，刘妍群，李树刚，2，贾永勇，易春艳，金士魁，李绍蓉，2，刘俊

(1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西西安 710054；3.新疆煤与煤层气工程技术中心，新疆乌鲁木齐 830000；4.新疆维吾尔自治区煤炭科学研究所，新疆乌鲁木齐 830000；5.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

0 引言

煤炭作为中国主要能源，2020年一次能源消费占比为56.8%，瓦斯作为煤炭的伴生产物，据统计在2 000 m以浅的地层中储量为36.8万亿m3。随着煤层开采强度及深度的不断增大[1-4]，瓦斯已经严重威胁着矿井的安全生产，同时瓦斯作为清洁能源，目前利用率仍然不理想，大部分抽采的瓦斯均直排进入大气，对环境造成了严重的破坏。物理相似模拟试验是探索瓦斯富集区的主要研究手段之一，但是原煤样获取方式不便、且原煤采样的种类较为单一，难以同时获取不同煤岩体内部结构的特征，影响试验研究的全面性。因此，用于物理模拟实验的相似材料可重复性更强。目前的相似材料中，具有吸附性的材料较少，严重制约含瓦斯煤岩体物理模拟实验结果的精确性。因此，获得一种能够具有吸附性能的相似材料，并获得其内部结构影响因素的变化规律，对确定合适的材料配比尤为重要。

许多学者对物理相似模拟试验的材料与其变化规律展开了研究。王汉鹏等利用原煤及腐殖酸钠配制出具有一定吸附性的型煤，但性质与原煤并不完全相似[5]。李树刚、李术才等使用砂、石蜡、滑石粉和油等材料对不同强度及渗透性的岩石进行模拟。上述材料未能完全模拟原煤的性质及其吸附特性[6-7]。在类煤岩材料的研究中，具有吸附特性的类煤岩材料的研究尚处于起步阶段，其吸附材料的选择仍不明确，具有吸附性的类煤岩材料的特性仍有待研究。在吸附材料的研究方面，VELAZQUEZ、MATOVI等使用不同方式对除活性炭材料进行改性，改善其吸附行为[8-9]。HUA、WIBOWO、李振、杨林等利用改性矿物类吸附材料吸附金属离子[10-13]。AN，THAKARE等制作的复合吸附材料可对不同的金属离子有较好的吸附性[14-15]。QIN，OKOLI，LIU等使用单宁材料与其他材料制作出最具前景的环保生物质吸附材料[16-18]。以上吸附材料均具有较好的吸附能力，但无法良好的适用于类煤岩材料中。在材料的结构检测方面，常用的检测方法有显微观察、NMR，CT，DIC等。LI、于庆磊、YU等通过使用CT扫描技术研究试样破坏特征，建立了混凝土等的细观数值模型[19-21]。OBARA等提出了利用无损超声波技术对岩石的微裂状态进行表征的新方法，并对其分类于基于微裂纹的等效组[22]。一些学者通过超声波对煤岩石检测，分析其动态与静态力学参数，得到了该煤样中超声波的波速及其衰减系数，建立力学参数与超声波速度的关系模型[23-24]。孟召平等对不同干燥状态下的不同煤样进行超声波速探测，从而得出不同煤种条件下水分对其超声波速的影响[25]。王云刚等通过使用超声波对矿区、长度、变质程度等均不同的煤样进行探测，得出不同煤样中的超声波传播衰减规律[26]。目前超声波对于煤岩体特性方面的研究主要集中在原煤、原岩试件中的传播速度、传播衰减程度等与煤岩体本身物理性质之间的关系，而对于探索具有吸附特性的相似材料特性与超声波传播速度之间的相互影响特征及其敏感因素分析方面的研究较少。

通过选择煤粉作为骨料时，若不加胶结剂，则试件强度难以达到要求。若增加水泥、石膏等胶结剂，则在满足其抗压强度的同时，会极大影响试件的吸附特性。因此，选择出一种具有吸附特性并可模拟原煤力学及吸附特性的材料作为吸附性类煤岩材料，利用非金属超声波探测仪，对材料配比变化对超声波传播特征影响及其敏感性开展研究，以期为提高煤层开采“固-气”耦合物理模拟实验的精度提供一定的支撑。

1 实验设计

1.1 实验原材料的选择

通过对物理相似模拟试验的材料选择，选取沙子作为试验骨料，并添加水泥石膏作为胶结剂，水泥可改善试件的凝结状态与试件的强度，石膏作为水泥材料的缓凝剂，在试件中与水泥一同作用，可迅速增加试件的强度，使试件可对煤岩体进行模拟。在满足试件力学特性参数的同时，试件也应具备相应的吸附特性。对常见的吸附材料进行筛选后发现，活性炭材料需对其进行改性才可具有较好的瓦斯吸附效果，高岭土、硅藻土等不符合Langmuir吸附模型，复合材料及环保材料的制备较为复杂。因此，依据相关研究成果[27]，选取硅胶作为试件的吸附剂。

1.2 仪器介绍及实验方案

实验系统主要由类煤岩试件制作子系统、类煤岩试件养护子系统、类煤岩超声波测试子系统3部分构成(图1)。

本实验以沙子为骨料，水泥和石膏为胶结剂，硅胶为吸附剂，采用自主研发的全自动气动式小型制样机及脱模机，制作实验所需试件，并将试件放入恒温恒湿箱养护7天后开展实验。实验以新疆某高瓦斯矿井主采煤层上覆煤岩层为原型，设计骨料为定量，通过改变胶结剂与吸附剂含量，制作模拟不同煤岩体的相似材料试件，运用非金属材料超声波测试设备，通过正交设计所得三因素五水平的正交实验表见表1，对正交设计所得水平进行控制变量，扩充试验水平。对不同配比材料试件的传播速度影响因素及各因素敏感性开展实验研究。其中，以骨料为定量，胶结剂与吸附剂含量均为其占骨料质量的百分比。

图1 实验系统Fig.1 Experimental system

表1 实验设计因素及水平

1.3 实验流程

1.3.1 相似材料试件制作

实验所用试件制作步骤如下

1)按一定比例使用电子天平称量原始材料(沙子，水泥，石膏，硅胶)。

2)将原材料搅拌均匀，使用量筒称量一定量的水加入使其混合。

3)将混合好的材料放入试件模具中，模具为钛合金材料制作，以保证不与试件材料发生反应，模具尺寸如下：模具主体高177 mm，外径50.13 mm，内径31.00 mm，底座直径79.50 mm，内深103.66 mm，导锤直径29.26 mm，高121.07 mm。

4)使用捣锤封填模具口并放入气动式小型制样机中进行试件压制，其冲击力为0.3 T。

5)使用气动式全自动脱模机对试件进行脱模，试件尺寸为φ30 mm×60 mm。

6)试件在进行编号后放置于恒温恒湿养护箱中，设定养护温度26°，湿度60%，养护7 d。

1.3.2 相似材料超声波速测定

超声波检测具有无损化特性，可在不损伤试件本体的前提下对试件内部进行超声波检测。通过使用白凡士林作为耦合剂，增强NM-4B超声波检测仪探头与试件的贴合性(图1)，以此保证超声波更完整的穿过试件。

将完成养护的试件取出，连接NM-4B非金属超声波检测仪主体与探头，对试件进行超声波速检测，其检测步骤如下

1)连接电源，连接超声波检测探头，打开电源。

2)选择检测模式，设定基础参数，将白凡士林涂抹至超声波检测探头上。

3)待超声波速曲线保持稳定后进行保存，对单个试件重复进行3次检测，以确保其结果的准确性，重新涂抹白凡士林进行下次检测。

2 实验结果分析

2.1 胶结剂含量对超声波速变化的影响

2.1.1 水泥含量对超声波速变化的影响

随着试件中水泥含量的增加，当水泥含量由最小值5%增长至最大值15%时，试件中的超声波速均有所增长。以硅胶含量为15%为界，当试件中的水泥含量为5%与10%时，试件的超声波传播速度呈现无波动的上升趋势；当硅胶含量为15%，20%，25%时，试件的超声波传播速度在增长途中虽然出现偶然的下降现象，但波速在水泥含量达到最大值时仍有所增长，实验结果如图2所示。

图2 水泥含量对超声波速变化的影响Fig.2 Influence of cements content on ultrasonic wave velocity

从图2中可以看出，当硅胶含量为5%与10%时，试件中的超声波速随着水泥含量的增长呈现持续的增长现象，其增长幅度分别为0.091 6，0.201 6 km/s；当硅胶含量为15%，20%，25%时，随着水泥含量的增大，超声波速增长缓慢，甚至存在小幅下降的现象，波速最终的增长幅度分别为0.039 4，0.050 0，0.004 2 km/s。在相似材料试件中，当试件中的硅胶含量保持不变时，随着试件中水泥含量的增加，试件中水泥持续吸收水分，与其余材料凝结的状态更好，使得试件中产生的孔隙增大，更有益于超声波穿过试件，使得试件中的超声波速发生增大的现象。

2.1.2 石膏含量对超声波速变化的影响

随着试件中石膏含量的增加，超声波速呈现出波浪形的变化现象。当石膏含量由最小值3%增长至最大值9%时，试件中的超声波速均出现增长。以硅胶含量为15%为界，当试件中的硅胶含量为5%与10%时，试件中的超声波速随试件中石膏含量的增加呈现先下降再上升的现象，当硅胶含量为15%，20%，25%时，试件中的超声波速随石膏含量的增加呈现出先增加，再减小，再增加的现象，结果如图3所示。

图3 石膏含量对超声波速变化的影响Fig.3 Influence of gypsum contents on ultrasonic wave velocity

从图3中可以看出，当硅胶含量为5%与10%时，试件中的石膏含量增长至4.5%时，试件中的超声波速减小，减小幅度为0.043 8 km/s与0.104 km/s，随着石膏含量的继续增长，超声波速呈现增长的现象，最终增长幅度为0.107 km/s与0.054 km/s；当硅胶含量为15%，20%，25%时，试件中的石膏含量增长至7.5%时，超声波速出现了减小的现象，其减小幅度分别为0.140 6，0.217 8，0.066 6 km/s，随着石膏含量的继续增大，超声波速也随之增大，最终初末增长幅度分别为0.075，0.131 2，0.145 6 km/s。在相似材料试件中，石膏作为水泥材料的缓凝剂，与水泥一同作为试件中的胶结剂，试件中的石膏与水泥、水等共同凝结，并迅速硬化，增强试件强度，当试件中的硅胶含量保持不变时，随着试件中石膏含量的增加，试件材料的凝结状况更好，使得试件中的孔隙状况良好，更有益于超声波穿过试件，使超声波速增大。

2.2 吸附剂含量对超声波速变化的影响

随着试件中的硅胶含量增加，试件中的超声波速完全呈现出减小的现象。水泥含量、石膏含量并未对此时试件中超声波速产生较大的影响，当试件中硅胶含量上升，试件的超声波传播速度下降，其变化规律如图4所示。

图4 吸附剂含量对超声波速变化的影响Fig.4 Influence of adsorbent content on ultrasonic wave velocity

从图4(a)中可知，试件中的超声波速随着试件中硅胶含量的增大呈现出减小的现象，且超声波速的下降幅度相近，当水泥含量为5%，7.5%，9%，12.5%，15%时，试件中超声波的减小幅度依次为0.457 4，0.462 8，0.529 6，0.527 4，0.544 8 km/s。从图4(b)中可知，随着试件中硅胶含量的增加，试件中的超声波速也呈现出减小的现象。当试件中的石膏含量为3%，4.5%，6%，7.5%，9%时，超声波速的减小幅度为0.512 6，0.400 8，0.464，0.670 2，0.474 km/s，当石膏含量较小时，无法与试件中的水泥较好的混合，因此试件孔隙不稳定，从而导致超声波速随硅胶含量增长而下降的现象较不稳定。在相似材料试件中，硅胶材料作为试件中的吸附剂，起到模拟煤体的气体吸附现象。随着试件中硅胶含量的增多，试件内部的孔隙逐渐减小，孔隙减小阻碍超声波在试件中的传播，使得超声波速发生减小的现象。因此，试件中的超声波速随着硅胶含量的增加迅速减小。

2.3 骨胶比对超声波速变化的影响

随着试件中骨胶比的增大，试件中的超声波速在一定范围内起伏不定，随着试件中硅胶含量的增大，波速变化区间逐渐减小，波速起伏变缓，波速最大值后移，结果如图5所示。

保持硅胶含量不变，以骨胶比的变化为影响因素对试件中超声波传播速度进行分析。当硅胶含量为5%时，波速变化区间为0.52 km/s，试件中的超声波传播速度的最大值出现在骨胶比为13.5时，最大值为1.214 km/s；当硅胶含量为10%时，波速变化区间为0.44 km/s，波速最大值出现在骨胶比为13时，最大值为1.019 km/s；当硅胶含量为15%时，波速变化区间为0.42 km/s，波速最大值出现在骨胶比为15时，最大值为0.826 km/s；当硅胶含量为20%时，波速变化区间为0.38 km/s，波速最大值出现在骨胶比为16时，最大值为0.755 3 km/s；当硅胶含量为25%时，波速变化区间为0.36 km/s，波速最大值出现在骨胶比为19时，最大值为0.675 7 km/s。随着试件中硅胶含量的增大，试件的波速变化区间逐渐减小，波速最大值逐渐减小。在相似材料试件中，石膏与水泥一同作为试件中的胶结剂，主要起到加速试件凝结成型，增强试件强度的作用，作为试件的重要组成部分，虽然对试件内部的孔隙组成起到了一定的作用，但由于试件中的胶结剂在试件中的占比较小，因此骨胶比虽然对试件的超声波速有一定影响，但其影响程度并不大。

3 讨论

3.1 骨胶比质量分数梯度与超声波速变化率的关系

保持试件中硅胶含量不变，以骨胶比变化梯度为影响因素对试件中超声波速变化率进行分析，试件中超声波速变化率具有一定的区间性，在不同硅胶含量下，试件中超声波速变化率的分布情况不同，变化规律如图6所示。

图5 骨胶比对超声波速变化的影响Fig.5 Influence of bone glue ratio on ultrasonic wave velocity

图6 骨胶比变化梯度对超声波变化速率的影响Fig.6 Influence of bone cement ratio change gradients on ultrasonic change rate

图中超声波变化速率可分为3个区间，第1区间超声波速变化率均小于-0.2，骨胶比值的分布随硅胶含量的增大而增大；第2区间超声波速变化率约分布于0值左右，其骨胶比值的分布较为平衡；第3区间超声波速变化率均大于0.2，骨胶比在各区间中的分布值随试件中硅胶含量的增大而增大。

随着试件中硅胶含量的增大，骨胶比值较小时试件中的超声波变化速率由负值逐渐增长为正值，其超声波速减小的幅度逐渐变缓，骨胶比值处于中间时对试件中的超声波变化速率的影响较小，其超声波变化速率多数稳定在0附近，说明其超声波速的增长或减小幅度均较小，骨胶比值较大时试件中的超声波变化速率由0逐渐增长为正值，说明其超声波速的减小幅度较小，甚至出现了增长的现象。随着试件中骨胶占比的增加，试件的凝结状况变好，试件的凝结情况会影响试件的孔隙结构，从而影响超声波速在试件中的传播。由于试件的凝结状况改善，试件具有更好的孔隙状况，其超声波速增加。由于硅胶含量的增大，增强了对试件孔隙的填充，对试件的凝结产生影响，使得试件的孔隙减小，影响超声波的传播，因此试件中并未出现超声波速大幅增加的现象。当骨胶比为较小值时，硅胶对试件的孔隙结构影响较大，试件超声波速多呈现减小的现象，超声波变化速率多为负值，当骨胶比位于中值时，骨胶含量对试件孔隙状况的改善起到一定作用，试件超声波速减小的幅度变小，超声波变化速率逐渐增大，位于0附近，当骨胶比为较大值时，骨胶含量对试件的孔隙结构改善作用逐渐明显，试件超声波速减小的幅度再次变小，可能出现略微增加的现象，超声波变化速率增大，多数出现正值。

3.2 吸附剂质量分数梯度与超声波速变化率的关系

根据吸附剂质量分数梯度的变化，结合相似材料中的骨胶比，对试件中超声波速变化率的实验结果进行统计，所得变化规律如图7～图9所示。

从图7中可以看出，当吸附剂质量分数较小时，不足以填充试件中的孔隙空间，随其含量的不断增大，试件中较为容易填充的超声波传播主要孔隙逐渐开始被吸附剂填充，导致此阶段超声波速衰减迅速下降，当其质量分数达到20%时，此类孔隙数量已经较少，吸附剂出现扩张匮乏期，不足以填充非主要孔隙，因而，此时出现了超声波速衰减平缓期。之后，随着吸附剂质量分数的不断增大，扩张能力增强，开始占据试件中非主要孔隙空间，导致超声波速衰减再一次增大。同时结合实验设计的骨胶比分布特征，得到当试件中骨胶比的变化梯度为线性增加时，试件中的超声波速衰减随着吸附剂质量分数梯度的增长，整体出现迅速增大至缓慢回调，并在吸附剂质量分数为20%左右时出现明显的峰值拐点的变化规律。

图7 超声波速变化率为增长型Fig.7 Rate of change of ultrasonic wave velocity：“Growth type”

图8 超声波速变化率为“增-减-增”型Fig.8 Rate of change of ultrasonic wave velocity：“increment-subtraction-increase ” type

由图8可以看出，当吸附剂质量分数较小时，吸附剂首先填充试件中的主孔隙，但由于骨胶的对于吸附剂的凝结状况较好，试件中的超声波速衰减较为缓和，随着吸附剂质量分数与骨胶比同时增大，在吸附剂质量分数为15%至25%时，骨胶对试件中吸附剂的凝结效果较好，超声波传输通道此阶段超声波速衰减迅速，当质量分数达到20%，骨胶对吸附剂的凝结情况大幅下降，吸附剂扩散增强，但对试件中的孔隙填充以逐渐趋于饱和，因此出现了超声波速衰减减弱的现象。结合实验设计的骨胶比分布特征，可知当试件中的骨胶比变化梯度为线性减小时，试件中的超声波衰减随着吸附剂质量分数梯度的增长，整体出现先减弱再回调后急速减弱的现象，其回调点位于吸附剂质量分数为15%时，急速减弱点位于吸附剂质量分数为20%时。

从图9中可以看出，当吸附剂质量分数较少时，吸附剂迅速填充了试件中的孔隙空间，使得试件中的超声波速急速衰减，随着试件中的吸附剂质量分数的增大，试件中的孔隙逐渐被填充完全，当质量分数达到15%时，试件中的孔隙已经被填充饱和，试件超声波速衰减随吸附剂质量分数的增大逐渐趋于平缓。结合试件中的骨胶比分布情况进行分析，可知当试件中的骨胶比变化梯度呈现出波浪型变化时，试件中的超声波速衰减会随着吸附剂质量分数梯度的增长，出现先衰减增强后逐渐趋于平缓的趋势，其峰值拐点出现于吸附剂质量分数为15%时。

随着试件中吸附剂质量分数的增大，超声波变化速率均有呈现出由小变大的趋势。随着试件中骨胶比的改变，试件中的超声波速变化率有所改变，骨胶比值较低时，试件中超声波变化速率主要为平稳增长，其峰值拐点出现于吸附剂含量为20%；骨胶比值处于中间区段时，试件中超声波速变化率大多呈现出先增后减再增加的趋势，其拐点分别位于吸附剂含量为15%与20%时；并当骨胶比值较大时，超声波变化速率逐渐变为先减后增的变化趋势，其峰值拐点位于15%时。由此推断，随着试件骨胶比的增长，试件中的超声波变化速率呈现先增大后减小再增大的趋势，其最大值大致出现在骨胶比为14.5，且硅胶含量增长至15%附近；其最小值大致出现在骨胶比为17.5，且硅胶含量增长至20%附近。

图9 超声波速变化率为“减-增”型Fig.9 Rate of change of ultrasonic wave velocity：“subtraction-increase” type

3.3 超声波速变化率影响因素的敏感性分析

运用SPSS统计分析软件对实验结果开展多元线性回归分析，拟合得到回归方程见式(1)，对多元线性回归分析可靠性评价如图10所示。

y=1.005+0.015a+0.009b+(-0.026)c+(-0.004)d

(1)

式中y为超声波速；a为石膏含量；b为水泥含量；c为硅胶含量；d为骨胶比。

图10所示为回归模型的标准化分布图，由图10(a)标准化残差分布直方图中可以看到，回归值与实验值的标准化残差值大致符合正态分布，多元线性分析结果可行。由图10(b)标准化残差分布P-P图可知，期望的累积概率成线性分布，表明其标准化残差并无特异性，多元线性分析结果可靠。在图10(c)中各回归模型的标准化残差散点图中，残差均匀的分散在0两侧，其各点随机、均匀分布与-2到2之间，仅有4%的点分布在区域外，且各残差点并无明显的规律性，表明多元线性回归方程无异方差问题，其标准残差结果满足方差齐性。通过回归模型的标准化分布图，可知多元回归线性分析的结果十分可靠，回归方程符合实际情况，可用作后续对不同配比下试件中超声波速的计算，各影响因素对超声波速度的影响程度可靠，对后续相关试验材料选择及配比可奠定一定的基础。

对多元线性回归方程进行验证，验证结果见表2～表4。

表2 超声波速多元线性模型相关性

由表2可知，R=0.850>0.5，R2=0.722>0.5，该多元线性模型拟合优度较好，可用以描述试件中超声波传播速度。且其中Durbin-Watson检验，其参数D值为1.065，因为D<2，所以其残差与自变量呈正相关。

图10 回归模型标准化残差分布图Fig.10 Standardized residual distribution of regression models

表3 超声波速方差分析

表4 超声波速多元线性模型t检验

依据方差分析表，可以看出“回归平方和”的值为4.234，“残差平方和”为1.631，由于总平方和=回归平方和+残差平方和，所以，线性回归模型只解释了总平方和的99%。

“F统计量”的概率值为0.00，由于0.00<0.01，随着“自变量”的引入，其显著性概率值均远小于0.01，所以可以显著地拒绝总体回归系数为0的原假设，通过方差分析表可以看出“超声波速”与“水泥含量”、“石膏含量”、“硅胶含量”、“骨胶比”之间存在着线性关系，通过多元线性模型t检验可得出线性关系的强弱。

当Sig值小于0.05时，其系数检验显著，通过表5可知，石膏含量、水泥含量及骨胶比的Sig值均大于0.1，这3种因素对超声波速影响显著性较差；硅胶含量的Sig值为0，则硅胶含量对超声波速影响十分显著，可对超声波速的变化规律进行有效预测。因此，影响因素的敏感性排序为：硅胶含量>石膏含量>水泥含量>骨胶比。