韓 森，許石青，楊 宇，卯 松

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

煤巖物理力學(xué)性質(zhì)是認知煤巖或煤巖體基本構(gòu)成和基本分類的重要內(nèi)容，通過實驗了解煤巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)，為采礦、隧道、巖土工程相關(guān)物理試驗、相似模擬試驗和數(shù)值模擬計算提供了重要依據(jù)。煤巖視密度是煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)中的重要參數(shù)之一，其是指單位體積煤巖(含孔隙)的質(zhì)量。通過視密度的測定可以計算出煤巖體容重，而容重的大小，在一定程度上反映了巖石力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)劣。一般情況下，煤巖容重越大，其力學(xué)性質(zhì)越好，反之，則越差[1]。另外通過測定煤巖體的干視密度和對應(yīng)巖粉的真密度，可以計算出煤巖的總孔隙率，而孔隙率大小同樣能反映煤巖的力學(xué)性能。因此，通過對煤巖體視密度的測定，可以間接反映煤巖體的力學(xué)性質(zhì)，為工程地質(zhì)評價和工程建筑物設(shè)計提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持[2]。

1 煤巖體視密度測定方法

煤巖體視密度的測定，對于規(guī)則形狀煤巖試件，利用電子天平稱取其質(zhì)量m/g，通過游標(biāo)卡尺量取其尺寸長度，計算出試件體積v/cm3，通過公式ρ=m/v求得其視密度。

而對于不規(guī)則試件，則通過蠟封法來測定其視密度。具體步驟如下：①檢查、調(diào)整物理天平處于正常工作狀態(tài)；②利用物理天平稱量試件在空氣中的質(zhì)量g/g；③用絲線縛住試件，并將其置于剛過熔點的石蠟中1～2 s鐘提出，檢查試件上蠟?zāi)び袩o氣泡，若有，可用小電烙鐵或熱針將其刺破，并將孔眼重新涂平，之后在物理天平上稱重得到蠟封后的試件質(zhì)量g1/g；④將臘封后的試件掛在天平鉤上，稱出全浸入水中的質(zhì)量g2/g，注意在稱量過程中試件必須完全沒入水中，且不能碰到杯壁和杯底；⑤將試件從水中取出，擦去表面水分，重新在天平上稱重，以檢查此時的質(zhì)量與g2有無差別，若兩者重量之差超過0.05 g，說明水已浸入試件，測定應(yīng)重做；⑥按照式(1)計算視密度[3-5]。

(1)

其中ρ為試件的試密度，ρN為石蠟的視密度(ρN=890 kg/m3)；ρo為水在室溫下的密度(ρo=1 000 kg/m3)。

由以上視密度測定方法步驟可以看出，不論是規(guī)則試件還是不規(guī)則試件，要得到其視密度，關(guān)鍵都是求得其體積，而上述兩種方法相對都比較繁瑣。規(guī)則試件需要進行煤巖塊切割加工，再來進行尺寸量??；而蠟封法需要利用物理天平，還需要用熔蠟鍋熔解石蠟，并在試件表面涂上蠟?zāi)ぁ?/p>

考慮到蠟封法通過石蠟封住試件表面孔隙，在進行試件水中稱重時用來隔離水，而液體石蠟具有無色、透明、無毒、不易揮發(fā)、密度較小且穩(wěn)定，粘度低、不溶于水、非極性、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點[6]，因此用液體石蠟代替水，通過排水法來測定煤巖體的體積，進而得到煤巖體視密度。具體步驟：①用電子天平稱取煤巖塊的質(zhì)量m。②在量筒里倒入一定量的液體石蠟，記錄初始液面刻度v1，將煤巖塊沿量筒壁緩慢滑下，確保試件全部沒入液體石蠟中，讀取液面刻度v2。則可通過式ρ=m/(v2-v1)得到試件的視密度。

2 簡易方法準確性分析

為了驗證視密度簡易測定方法準確性，考慮與傳統(tǒng)蠟封法作比較試驗。取8組煤巖樣(如圖1)，每組6塊，前3塊用蠟封法測定其視密度(如圖2)，而后3塊用簡易方法測定其視密度(如圖3)，分別求出平均視密度，如表1和表2。

圖1 煤巖試樣

圖2 蠟封法測視密度

圖3 簡易方法測試密度

表1 蠟封法測視密度

續(xù)表

表2 巖石視密度簡易測定記錄表

3 實驗數(shù)據(jù)處理

根據(jù)蠟封法和視密度簡易測定方法得到的兩組視密度數(shù)據(jù)繪制柱狀圖，如圖4所示。

圖4 兩方法視密度對比柱狀圖

根據(jù)圖4，兩種方法測得煤巖體視密度大小基本一致，只有煤3差別較大，究其原因，可能是煤3試件本身均質(zhì)性較差，導(dǎo)致最終結(jié)果差別較大。為了對兩組數(shù)據(jù)的差異性進行分析，利用SPSS進行了兩組數(shù)據(jù)T檢驗，檢驗結(jié)果如表3和表4。

表3 組統(tǒng)計表

表4 獨立樣本檢驗表

通過T-檢驗，蠟封法和試密度簡易測定方法測得的均值分別為1 628.59 kg/m3和1 587.63 kg/m3，sig=0.865>0.05，說明通過簡易方法得出煤巖樣的試密度和蠟封法測定的沒有明顯差異，簡易方法可以用于煤巖視密度的快速測定。

4 結(jié) 語

將煤巖試件放入盛有液體石蠟的量筒中，利用量筒液面的上升，讀出試件的體積，能快速得到煤巖試件的視密度。此方法可用于不滿足蠟封法實驗條件但需要快速準確得到煤巖視密度的情況。