煤矿反应型高分子材料反应温度自动测试可靠性研究

＊吕鑫磊 冯慧娟 魏亚雄

（1.山西地宝能源有限公司 山西 030045 2.山西地宝煤炭综合检测中心有限公司 山西 030045）

前言

随着煤矿开采规模的不断提升、开采深度的增加，井下地质条件复杂多变。在日常的采掘过程中，经常受到巷道冒顶、煤岩体片帮、工作面冒顶、透水等问题的困扰，严重影响了煤矿的生产安全[1-3]。反应型高分子材料可以快速地加固围岩、堵塞裂缝匝道，增加煤岩体围岩本体的力学性能，如结构承载力、剪切力、防渗漏性等，防止煤矿井下冒顶、片帮、透水、漏风等事故隐患，提高煤炭开采的安全性、可靠性和工作效率[4-7]。

煤矿用反应型高分子材料一般由主料（A料）与催化剂（B料）组成，双组分混合后反应固化，形成具有一定强度及黏附力的成型材料。双组份混合反应通常比较剧烈，放出大量热。这些热量不仅可能引起材料自身燃烧，同时可能会升高煤岩体的温度，增加了矿井火灾发生的风险[8-10]。2020年5月20日，国家煤矿安监局印发了《煤矿井下反应型高分子材料安全管理办法（试行）》，该办法明确规定入库前和入井使用前必须按照标准对高分子材料的最高反应温度进行检测[8]。根据AQ 1116—2020《煤矿加固、堵水、充填和喷涂用高分子材料通用安全技术规范》，煤矿反应型高分子材料最高反应温度的测定过程包括：将总体积为200mL的测试样品搅拌充分后倒入直径50mm的圆柱形容器中，使用电子温度计插入试样中心处，判断最高反应温度[9]。在实际指向中最高反应温度测试和读数通常逐个进行、人工判断，自动化程度低，所以工作效率很低[11-12]。

笔者研发了一种煤矿反应型高分子材料最高反应温度自动测定装置，该装置可同时实现3个测试样品反应温度实时监测，并自动判断出最高反应温度，自动读数。为保证检测结果的可靠性和有效性，选取5种典型的反应型高分子材料，分别进行装置自动测试和人工测试，使用F检验和t检验对测试数据的精密度和平均值进行显著性验证，对比结果分析自动测定方法和装置的可靠性。

1.煤矿反应型高分子材料最高反应温度自动测定装置

该自动测定装置主要由样品反应装置、样品恒温恒湿箱、铂电阻温度计、温度采集装置和计算机及数据处理系统五部分组成；样品反应装置可将铂电阻温度计置于试样中心处；样品恒温恒湿箱可确保高分子材料的A、B料和反应过程在标准试验条件：温度（23±2）℃，相对湿度（50±5）%下完成；温度采集装置可实现3个测试样品反应温度的实时采集；计算机及数据处理系统可自动判断出试验终点和结果。煤矿反应型高分子材料最高反应温度自动测定装置结构示意图如图1所示。

图1 煤矿反应型高分子材料最高反应温度自动测定装置结构示意图

样品反应装置由样品架和反应容器组成，反应容器为直径50mm、高102mm的铝制圆柱形容器，样品架可同时放置3个反应容器；样品恒温恒湿箱可将样品测定环境控制在标准试验条件：温度（23±2）℃，相对湿度（50±5）%；装置所使用铂电阻温度计最大量程200℃，精度0.01℃；温度采集装置包括3个接口，可实现对3个铂电阻温度计检测数据的实时采集；计算机可实时绘制3个样品反应过程中温度随时间变化曲线，并自动判断试验终点，直接给出高分子材料的最高反应温度，如3个样品最高反应温度的允许偏差大于10%，直接提示试验作废。

2.高分子材料反应温度测定

煤矿加固用高分子材料选用硅酸盐改性聚氨酯材料（JG PU·SixOy）,堵水用高分子材料选用聚氨酯材料（DS PU），充填密闭用高分子材料选用酚醛树脂发泡材料（CT PF），喷涂堵漏风用高分子材料选用硅酸盐改性聚氨酯材料（非泡沫）（PT PU·SixOy(NF)。

温度人工测试采用JM222型点温度计，材料混合采用ZLD-500型搅拌机。

按体积比1:1，使用量筒分别量取100mL已恒温至20℃的高分子材料的A、B料，在搅拌机下搅拌15～30s后，倒入反应容器中，在恒温恒湿箱内插入温度计，记录反应温度。

3.结果与讨论

(1)最高反应温度

两种方法得出的不同材料最高反应温度结果如表1、表2。

表1 自动法不同材料的最高反应温度

表2 人工法不同材料的最高反应温度

可以看出：四种材料自动测试的极差Ri均大于人工测试的极差Rj，说明自动测试方法的结果波动小于人工测试方法，结果精密度较好。

(2)结果F检验

F检验法是通过比较两种方法测定同一材料最高反应温度结果的方差比值F=S2j/S2i与F1-a(n-1,n-a)的大小，来确定两组数据的精密度是否存在显著性差异。方差计算公式如下[11-14]：

显著性水平α=0.05，自由度n-1=2，查F分布分位数表得出t1-0.05(2.2)=19.0，两种方法测定不同材料的最高反应温度F检验结果见表3。

表3 两种方法不同材料的最高反应温度F检验结果

由表3可知，两种方法对加固、堵水、充填和喷涂4种不同材料的最高反应温度F值均小于t1-0.05(2.2)=19.0，说明两种方法测定煤矿反应型高分子材料最高反应温度的精密度不存在显著性差异，随机误差均满足标准要求，且在可控范围内。

(3)结果t检验

由于两种方法测定同一材料最高反应温度结果属于独立样本的双总体t检验，先求出其联合标准差S，计算公式如下[16-19]：

显著性水平α=0.05，自由度2n-2=4，查t分布分位数表得出t1-0.05/2(4)=2.776，两种方法测定不同材料的最高反应温度t检验结果见表4。

表4 两种方法不同材料的最高反应温度t检验结果

由表4可知，两种方法对加固、堵水、充填和喷涂4种不同材料的最高反应温度t检验的t值均小于t1-0.05/2(4)=2.776，说明两种方法测定得到的煤矿反应型高分子材料最高反应温度的平均值不存在显著性差异，系统误差均满足标准要求。

F检验和t检验法结果显示，与人工测定反应温度相同，温度自动测试装置对煤矿反应型高分子材料最高反应温度检测结果的精密度和平均值均不存在显著性差异，满足要求，说明该装置可用于煤矿加固、堵水、充填和喷涂用高分子材料最高反应温度的测定。

4.结论

对比了自动测定装置和人工测试四种高分子材料的最高反应温度，并就测试结果开展了F检验和t检验，结果表明：最高反应温度的精密度和正确度均不存在显著性差异，所以结果可靠，满足要求。同时该自动测定装置符合AQ 1116中的相关技术要求，可同时对3个样品进行测定，具有自动化程度高、可直接判断结果等优点。