不同黏结剂配比条件下型煤力学及渗透特性试验研究

第1期
许 江等：不同黏结剂配比条件下型煤力学及渗透特性试验研究
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有较好的相似性[1
，故在实验室研究煤储层的力
[1] [2, 4]
水 ＝ 0.90:0.10:0.05 ； ④ IV 型 ， 煤 粉 : 水 泥 : 水 ＝ 0.80:0.20:0.10。 制作成型的型煤试件置于恒温保湿箱（温度为 20 ℃，湿度为 95%）中养护 28 d 后再放入烘箱 （80 ℃左右）内烘 12 h，待其冷却后置于干燥皿内 备用。 2.2 试验装置 采用自主研发的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺 服渗流装置[18]，该装置可以开展不同温度、轴压、 围压、气体压力等条件下的含瓦斯煤力学及渗透特 性试验研究。 2.3 试验方案 采用位移控制方式， 并以 0.1 mm/min 的轴向荷 载加载速率进行加载，气体压力（即外压差）恒定 为 1.0 MPa，围压恒定为 2.0 MPa，水域温度恒定为 30 ℃， 加载前保持试件在 30 ℃水域温度和 1.0 MPa 气体压力（外压差）条件下充分吸附，其具体试验 步骤参见文献[4]。
[9]
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黏结剂配比对型煤属性的影响
3.1 基础参数 3.1.1 工业分析 表 1 给出了不同黏结剂配比条件下型煤的工业 分析测试结果。从表中可以看出，随着黏结剂含量 的增加，型煤的水分、灰分、挥发分增加，但固定 碳减小。这主要是因为水泥的水化作用使其内部结 晶水增加以及水泥作为无机黏结剂导致灰分增加， 固定碳减少。
Experimental study of mechanical and permeability characteristics of moulded coals with different binder ratios
XU Jiang1, 2，YE Gui-bing1, 2，LI Bo-bo1, 2，CAO Jie1, 2，ZHANG Min1, 2
[11]
等研究了原
煤和型煤在全应力-应变过程中的渗流特性； 在黏结 剂方面，日本的氏平增之 [13] 进行了模拟抛射煤试 验，利用 CO2 的结晶冰、松香、水泥、煤粒制作模 型，模拟掘进作业过程中的突出现象；胡雄等 也 在型煤中添加一定量的 KCL 溶液进行气测渗透率 研究并与原煤对比，发现其渗透率高于原煤，对改 善型煤低强度、低弹性模量、高渗透性等特性作用 不明显。 综合以上研究成果发现，原煤和型煤在力学和 渗透特性方面的确存在一定差异，主要表Байду номын сангаас为型煤 相对原煤具有低强度、低弹性模量、高泊松比、高 渗透性等。所以如果能改善型煤与原煤在力学方面 的差异性， 使之接近原煤， 对于后续的实验室研究， 比如低渗透煤层的渗流力学研究，具有很强的指导 意义。基于此，本文拟通过在煤样中添加黏结剂的 方式来提高型煤的强度和弹性模量、降低泊松比和 渗透率等，并优化配比方案使型煤在力学和渗透特 性等方面更加接近原煤。
表 1 型煤的工业分析 Table 1 Proximate analysis of coal
型煤 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 型煤组分 水分/% 2.20 2.53 2.78 3.30 灰分/% 33.47 35.10 35.67 40.05 挥发分/% 13.98 14.41 14.77 16.28 固定碳/% 50.35 47.96 46.78 40.37
Abstract: This paper attempts to make mechanical and permeability characteristics of cement bound coals closer to those of undisturbed coals. It uses triaxial servo-controlled seepage equipment for thermo-fluid-solid coupling of coal containing methane and selects cement as a binder. The triaxal compressive properties of cement bound coals with different binder ratios are compared with those of undisturbed coals. The characteristic values for the mechanical and permeability characteristics of the cement bound coals are evaluated quantitatively using Euclidean distance based similarity methods. The results show that: as binder ratios increase, the peak principal stress difference and the elastic modulus of the cement bound coal probably increase following a positive exponential function trend. Poisson's ratio decreases following a negative exponent function trend. As the binder ratio increases, the initial permeability and the minimum permeability of the cement bound coal have the decreasing trend of exponent function. The penetration rate of change is smaller and smaller. The permeability-axial strain curve is gentler. The mechanical and permeability characteristics of the cement bound coal with the cement binder ratio #IV are the closest to those of undisturbed coal. This type of cement bound coal can be used as the similar material for simulating the undisturbed coal. Key words: binder; mechanical characteristics; permeability; similar material; coal
学及其渗透特性方面多采用型煤试件。 在型煤方面，姚宇平 、许江
[5] [6]
、卢平 、王
[3]
光荣 、李树刚 等研究了型煤的力学及渗透特性， 并认为可以用型煤代替原煤进行研究；在型煤与原 煤对比方面，尹光志等 雄 、周世宁
[9] [10] [7－8]
研究了型煤的渗透特性， 、马占国
[12]
并比较了型煤与原煤的变形与抗压强度的差异；胡 、杨永杰
（1. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；2. 重庆大学 复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400044）
摘 要：利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置，为使得型煤力学及渗透特性更接近原煤，选取水泥作为黏结剂，进 行了不同黏结剂配比条件下的型煤和原煤三轴压缩试验对比研究。 基于欧式距离的相似性度量方法对能反映型煤的力学及渗 透特性的特征值指标进行定量评价。结果表明：随黏结剂含量的增加，型煤的峰值主应力差、弹性模量近乎呈正指数函数递 增趋势，泊松比呈负指数函数递减趋势；随着黏结剂含量的增加，型煤的初始渗透率、最小渗透率基本呈负指数函数递减趋 势，且其渗透率变化率随黏结剂含量的增加越来越小，表现为渗透率-轴向应变曲线越来越平缓；基于欧式距离的相似性度 量方法得出水泥黏结剂配比为 IV 型的型煤在力学及渗透特性方面与原煤最为接近，可以作为模拟原煤的相似材料。 关 键 词：黏结剂；力学特性；渗透率；特征值；相似材料 中图分类号：TD 713 文献标识码：A 文章编号：1000－7598 (2015) 01－0104－07
第 36 卷第 1 期 2015 年 1 月
DOI： 10.16285/j.rsm.2015.01.014
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.36 No. 1 Jan. 2015
不同黏结剂配比条件下型煤力学及 渗透特性试验研究
许 江 1, 2，叶桂兵 1, 2，李波波 1, 2，曹 偈 1, 2，张 敏 1, 2
收稿日期：2013-08-15 基金项目：重庆市基础与前沿研究计划项目(No. cstc2013jjB90001)；国家科技重大专项资助项目 (No. 2011ZX05034–004)；国家重点基础研究发展计 划(973)项目(No. 2011CB201203)。 第一作者简介：许江，男，1960 年生，博士，教授，博士生导师，主要从事岩石力学与工程方面的教学与研究工作。E-mail: jiangxu@
（1. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. State and Local Joint Engineering Laboratory of Methane Drainage in Complex Coal Gas Seam, Chongqing University, Chongqing 400044, China）
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试验方法
2.1 黏结剂的选取与煤试件的制备 选取的黏结剂应既能提高强度、弹性模量又能 降低其渗透性，基于水泥在相似材料方面的水化、 硬化、防渗特性[14