龐立寧李春睿

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京市朝陽區(qū),100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院,北京市朝陽區(qū),100013)

提高松軟煤層強度的膠體材料的試驗優(yōu)選研究?

龐立寧1,2李春睿1,2

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京市朝陽區(qū),100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院,北京市朝陽區(qū),100013)

針對防止軟煤壁片幫的水泥與化學(xué)漿液材料的缺點,介紹了對5種具有粘結(jié)性能的膠體材料羧甲基纖維素、羥丙甲基纖維素、聚合物納米膠粉、聚乙烯醇、可再分散乳膠粉進行粘度測試以及提高散煤強度的對比試驗,得出了5種粘結(jié)材料濃度-粘度變化規(guī)律,認為聚合物納米膠粉能更好地提高散煤強度.將聚合物納米膠粉配置成不同濃度的膠體溶液,進行滲透性試驗,得出了不同濃度的該膠體溶液在0.5 MPa壓力下、在不同粒徑散煤中滲透擴散不同距離所需的時間.

松軟煤體 煤壁片幫 固結(jié)膠體 粘度 散煤強度 滲透性

對于煤體較松軟、煤層強度低的采煤工作面,煤壁片幫是制約其高產(chǎn)高效生產(chǎn)的一個因素.針對煤壁片幫問題,除了提高支架初撐力、增大護幫面積和優(yōu)化采煤工藝等改善煤體受力狀態(tài)的措施之外,注漿加固煤體提高其自身強度也是一種常用手段,另外對于一些極松軟煤層工作面,也有通過煤層注水防片幫的.目前應(yīng)用較多的注漿材料是水泥和化學(xué)漿液,而水泥顆粒直徑較大,注入細微裂隙較困難,又因化學(xué)漿液通常具有毒性,容易對人體和環(huán)境造成傷害,而且價格昂貴,因此,尋求一種新的能夠提高松軟煤體強度同時具有較好可注性的材料尤為必要.本文正是基于此目的,以提高散煤強度為準(zhǔn)則,對于部分能夠提高松軟煤體強度的膠體材料進行了試驗優(yōu)選.

1 膠體材料介紹

本文研究試驗的膠體是一種膠狀物體(例如膠水),具有一定的粘結(jié)性能.在優(yōu)選試驗中,選用了5種膠體材料羧甲基纖維素、羥丙甲基纖維素、聚合物納米膠粉、聚乙烯醇、可再分散乳膠粉.這5種材料均為白色或類白色粉末,無毒無害,并可以溶于水形成具有一定粘結(jié)性能的透明膠體溶液.羧甲基纖維素膠體溶液具有增稠、成膜、粘結(jié)等性能;羥丙甲基纖維素膠體溶液在建筑行業(yè)中作水泥砂漿保水劑,在陶瓷行業(yè)用作黏合劑,在醫(yī)療行業(yè)用作片劑黏合劑;聚合物納米膠粉溶液可替代聚乙烯醇107系列膠、改性淀粉膠、改性纖維素、熟膠粉及各種聚合物粘結(jié)劑等,可用于水泥砂漿、粘結(jié)瓷磚,具有極強的保水性、增粘性和牢固性;聚乙烯醇溶液可用于制造聚乙烯醇縮醛、乳化劑、紙張涂層、黏合劑、膠水等;可再分散乳膠粉溶液具有突出粘結(jié)強度,可改善砂漿的粘附性粘合性、抗折強度.

2 膠體粘度測試

不同的膠體有其不同粘度-濃度規(guī)律,而不同粘度的膠體在煤體中滲透性能及其對煤體強度的提高情況也是不同的,因此掌握不同膠體的粘度-濃度規(guī)律就顯得尤為必要.進行膠體溶液的粘度測定試驗,掌握不同膠體的粘度-濃度規(guī)律是后續(xù)不同膠體對煤體的粘結(jié)性強度、不同膠體在煤體中的滲透性能以及現(xiàn)場試驗等的基礎(chǔ).

采用旋轉(zhuǎn)式粘度計(NDJ-5S型數(shù)字顯示旋轉(zhuǎn)粘度計)對5種膠體材料的粘度進行了測試,得出了這5種膠體材料各自的粘度-濃度規(guī)律并繪制成曲線,如圖1所示.

圖1 5種膠體粘度-濃度規(guī)律曲線

由圖1(a)可知,羧甲基纖維素膠體溶液的濃度低于1.5%時,其粘度的變化率隨著濃度的變化較小,當(dāng)其濃度為1.5%～2.5%時,其粘度的變化率隨濃度的變化較大;由圖1(b)可知,羥丙甲基纖維素膠體溶液的粘度隨著濃度的增大而增大,但沒有明顯的變化規(guī)律;由圖1(c)可知,聚合物納米膠粉膠體溶液的粘度與濃度呈線性關(guān)系;由圖1(d)可知,聚乙烯醇膠體溶液的粘度與濃度也呈線性關(guān)系,其粘度變化率隨濃度的變化較其他膠體材料較小;由圖1(e)可知,可再分散乳膠粉膠體溶液的濃度低于5%時,其粘度變化率隨濃度的變化較小,當(dāng)其濃度超過5%時,其粘度變化率隨濃度的變化較大.根據(jù)不同膠體材料的粘度-濃度變化規(guī)律,可以得出其滿足可注性條件下的濃度上限.

3 膠體提高散煤強度的對比測試

為選出能夠更好提高煤體強度而且粘度合適的膠體材料,試驗了5種膠體材料對散煤的粘結(jié)性能,試驗測量了等濃度和等粘度兩種條件下5種膠體材料對提高散煤強度的大小.試驗步驟:

(1)按等濃度的原則,將5種膠體材料分別溶于水制成濃度均為2%的膠體溶液;另按等粘度原則,將5種膠體材料分別溶于水制成粘度均為340里泊的膠體溶液,共10種;

(2)用破碎機將煤塊進行破碎,并用篩子篩出3～4 mm和1～2 mm兩種粒徑的煤粒,并將這兩種粒徑的煤粒分配成體積相同的A散煤(粒徑為3～4 mm)、B散煤(2/5體積的粒徑為3～4 mm和3/5體積粒徑為1～2 mm)和C散煤(粒徑為1～2 mm);

(3)將制備好的10種膠體溶液分別與A散煤、B散煤和C散煤攪拌混合,混合時,膠體溶液量為散煤重量的15%,將加入膠體材料混合好的30種散煤置于直徑為50 mm、高100 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣模具之中,用壓力試驗機向模具中的松散煤粒施加5 MPa壓力將其壓實,并不斷向模具中添加混入膠體的散煤,保證最終壓實高度為100 mm;

(4)壓實之后的散煤模具放置干燥箱2 d,然后拆模,并將試樣頂?shù)變擅婺テ?制成直徑為50 mm、高100 mm的圓柱體煤樣;

(5)用壓力試驗機測量拆模之后的標(biāo)準(zhǔn)散煤試樣的單軸抗壓強度,測量結(jié)果見表1和表2.

表1 等濃度條件下不同膠體提高散煤強度結(jié)果

表2 等粘度條件下不同膠體提高散煤強度結(jié)果

按照等濃度、等粘度不同標(biāo)準(zhǔn)分析30種加入粘結(jié)材料的散煤試樣的粘結(jié)性強度后發(fā)現(xiàn):

(1)對于任何一種給定的膠體材料、給定的煤粒試樣,膠體溶液的濃度越高即其粘度越大,在干燥之后的情況下,其對煤粒的粘結(jié)性強度也越高;

(2)對于任何一種膠體材料,在給定的膠體溶液濃度即粘度情況下,煤粒的粒徑越小,則膠體溶液對其的粘結(jié)性強度越強;

(3)在等濃度條件下,5種粘結(jié)材料對于同種煤粒試樣的粘結(jié)性強度由高到低依次為聚合物納米膠粉、羥丙甲基纖維素、羧甲基纖維素、可再分散乳膠粉、聚乙烯醇;即對于煤粒的粘結(jié)性強度與膠體材料的種類、性能有關(guān),并非某種膠體材料的粘度越強,其對煤粒的粘結(jié)性強度越大;

(4)在等粘度條件下,5種粘結(jié)材料對于同種煤粒試樣的粘結(jié)性強度由高到低依次為聚合物納米膠粉、可再分散乳膠粉、羥丙甲基纖維素、聚乙烯醇、羧甲基纖維素;即等粘度的膠體溶液對于煤粒的粘結(jié)性強度未必相同,它與材料的種類、性質(zhì)有關(guān).

綜合分析得出聚合物納米膠粉膠體材料相比較于其他4種膠體材料對煤體具有更好的粘結(jié)性能.

4 聚合物納米膠粉膠體溶液的滲透性測試

通過不同膠體材料配置成的膠體溶液的強度測試,得出聚合物納米膠粉膠體溶液對散煤的粘結(jié)強度勝于其它4種材料,聚合物納米膠粉膠體溶液是否能夠用于實際現(xiàn)場,還需對其滲透性能進行測試.滲透性能的測試分為實驗室試驗和現(xiàn)場試驗兩部分,本文只介紹實驗室關(guān)于聚合物納米膠粉膠體溶液在不同粒徑散煤滲透介質(zhì)中的滲透性能.

滲透性試驗中主要的試驗裝置有手動泵、受注模型、壓力表、油管等,試驗中的受注模型由若干節(jié)長度為0.5 m、內(nèi)徑為50 mm的鋼筒組成,末端開直徑5 mm的孔.試驗步驟如下:

(1)將兩個鋼筒(兩個鋼筒一個可以進液,另一個可以出液)連接起來,再將手動泵用膠管與鋼筒連接組成一套完整的滲透性試驗裝置;

(2)將混合好的煤粒試樣A散煤、B散煤和C散煤分別放入2節(jié)鋼筒中并鑿實,將手動泵體內(nèi)裝膠體溶液的空間清洗干凈并干燥,然后倒入一定量的膠體溶液,蓋好后蓋密封好,并施加一定的壓力,持續(xù)注意壓力表上的壓力,調(diào)整手動力度使得壓力維持在1 MPa左右;

(3)記錄從開始施加壓力到末端鋼管的小孔開始流出液體的時間間隔;

表3 不同濃度聚合物納米膠粉膠體溶液滲透性結(jié)果

(4)將煤粒試樣從鋼筒內(nèi)倒出,清洗手動泵、鋼筒,增加鋼筒節(jié)數(shù)(3節(jié)、4節(jié))即改變滲透距離,重復(fù)上述步驟,完成試驗.

依照上述步驟測定不同濃度的聚合物納米膠粉膠體溶液在裝有不同粒徑散煤的受注模型中滲透1 m、1.5 m、2 m距離所需要的時間,試驗結(jié)果見表3.

通過對聚合物納米膠粉與水混合組成的不同粘度的膠體溶液在不同滲透介質(zhì)中滲透不同的距離所需的時間的分析,得到結(jié)果.

(1)在滲透距離相等的條件下,組成滲透介質(zhì)的煤粒粒徑越小,膠體溶液所需要的滲透時間越長;

(2)膠體溶液經(jīng)過煤粒介質(zhì)的時間與介質(zhì)的長度成正比,但不是一次性關(guān)系;隨著煤粒滲透介質(zhì)加長,同樣的滲透介質(zhì)增加量需要更長的滲透時間增加量,即邊界滲透時間增加量隨著滲透介質(zhì)長度的增加而增加.

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

將實驗室試驗篩選出來的聚合物納米膠粉在孟家窯煤礦11205工作面進行了現(xiàn)場試驗,發(fā)現(xiàn)注膠后工作面煤體內(nèi)聚力由5.4 MPa提升至8.5 MPa,工作面煤壁片幫次數(shù)明顯減少.

6 結(jié)論

(1)不同膠體的粘度-濃度變化規(guī)律是不同的,聚合物納米膠粉和聚乙烯醇膠體溶液的粘度基本與濃度呈線性關(guān)系.

(2)在同等粘度(340里泊)、同等濃度(2%)兩種條件下,聚合物納米膠粉膠體溶液比羧甲基纖維素、羥丙甲基纖維素、聚乙烯醇、可再分散乳膠粉膠體溶液對散煤的粘結(jié)強度更高,可使粒徑在1～2 mm的散煤聚合體單軸抗壓強度達到1.36 MPa.

(3)隨著濃度的增加聚合物納米膠粉膠體溶液的滲透時間變大,滲透性降低;隨著注膠距離的增加,滲透時間的增加量也逐漸增大.

(4)孟家窯煤礦現(xiàn)場注膠實踐證明,膠體材料在一定程度上能夠減少工作面煤壁片幫.

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Experimental study on colloidal materials optimization for increasing the intensity of soft seam

Pang Lining1,2,Li Chunrui1,2
(1.Department of Mining and Designing,Tiandi Science and Technology Co.,Ltd., Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Mining and Designing Branch,China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

Aiming at the shortcoming of cement and chemical grout materials applied to rib spalling prevention,viscosity tests of 5 kinds of bonded colloidal materials were introduced,including carboxy methylcellulose,hydroxypropyl methylcellulose,polymer nano-rubber powder, polyvinylalcohol and redispersible latex powder,and contrast tests for increasing the intensity of bulk coals were also introduced,which found out the concentration-viscosity change law of all the materials and showed that the polymer nano-rubber powder could preferably increase the intensity of bulk coals.Using colloidal solutions of polymer nano-rubber powder with different concentrations,the results of permeability tests obtained the different time required by that the colloidal solution with different concentrations permeated different distances in bulk coals with different particle size under the pressure of 0.5 MPa.

soft coal,rib spalling,consolidation colloid,viscosity,intensity of bulk coal, permeability

TD353

A

龐立寧(1990-),男,河北臨城人,碩士,現(xiàn)從事礦山壓力與控制方面研究。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(51504136),國家自然科學(xué)基金(51304118),天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部青年創(chuàng)新基金(KJ-2014-TDKC-11)