CN111307687B - 高分子材料与煤岩体粘结的渗透性及强度评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高分子材料与煤岩体粘结的渗透性及强度评价方法，包括如下步骤：S1.确定煤岩体的渗透率k1；S2.确定高分子材料与煤岩体粘结的渗透率k2；S3.若k1小于k2，则高分子材料与煤岩体粘结的渗透性不符合标准；否则，则高分子材料与煤岩体粘结的渗透性符合标准，并进入步骤S4；S4.确定煤岩体抗剪强度Γ1；S5.确定高分子材料与煤岩体粘结的强度Γ2；S6.若Γ1大于Γ2，则高分子材料与煤岩体粘结的强度不符合标准；否则，则高分子材料与煤岩体粘结的强度符合标准。本发明的一种高分子材料与煤岩体粘结的渗透性及强度评价方法，适用范围广，评价结果可靠性强、准确性高。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全技术领域，具体涉及一种高分子材料与煤岩体粘结的渗透性及强度评价方法。
背景技术
煤矿瓦斯是与煤伴生的独立矿种，属非常规天然气，是近20年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。瓦斯以甲烷为主要成分，储存在煤层中，以吸附在煤基质颗粒表面为主，部分游离于煤岩体孔隙中的烃类气体。瓦斯是煤矿重特大事故的主要灾害源，由此导致的事故主要包括瓦斯爆炸事故和煤与瓦斯突出事故。为有效治理瓦斯事故，我国煤矿安监部门制定了煤矿瓦斯治理“通风可靠、监控有效、抽采达标、管理到位”的“十六字体系”，但究其根本出发点来看，更多地还是聚焦在瓦斯抽采。目前，我国煤炭行业普遍选择矿用高分子材料实施瓦斯抽采钻孔的封堵，该种方法与传统的水泥浆封孔相比，具有作业强度小，效率高的优点。由于矿用高分子材料浆液的黏度大，且在注入钻孔内后将发生复杂的化学反应，同时由于煤岩体内势必存在一定的水，水的存在亦将影响高分子材料浆液的反应过程，进而影响矿用高分子材料的封堵效果；另外，由于煤矿井下的高分子材料注浆工艺不同于常规的封堵注浆，煤矿井下的地应力场将受采掘作业的影响，而使得煤岩体所处的应力状态发生变化，该种应力状态的变化极易使得反应固化的高分子材料与煤岩体粘结面发生错动，进而导致封堵失效。因此，选择一种与煤岩体粘结效果好的高分子材料尤为重要，但目前还没有一种有效的方法来评估所选高分子材料的可靠性。
因此，为解决以上问题，需要一种高分子材料与煤岩体粘结的渗透性及强度评价方法，能够对不同种类的高分子材料与煤岩体粘结后的渗透性及强度进行评价，适用范围广，评价结果可靠性强、准确性高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供高分子材料与煤岩体粘结的渗透性及强度评价方法，能够对不同种类的高分子材料与煤岩体粘结后的渗透性及强度进行评价，适用范围广，评价结果可靠性强、准确性高。
本发明的高分子材料与煤岩体粘结的渗透性及强度评价方法，包括如下步骤：
S1.确定高分子材料与煤岩体的粘结样品中煤岩体的渗透率k1，其中，粘结样品中高分子材料外设于煤岩体的侧面；
S2.确定高分子材料与煤岩体粘结的渗透率k2；
S3.判断渗透率k1是否小于渗透率k2，若是，则高分子材料与煤岩体粘结的渗透性不符合标准；若否，则高分子材料与煤岩体粘结的渗透性符合标准，并进入步骤S4；
S4.确定煤岩体的抗剪强度Γ1；
S5.确定高分子材料与煤岩体粘结的强度Γ2；
S6.判断抗剪强度Γ1是否大于强度Γ2，若是，则高分子材料与煤岩体粘结的强度不符合标准；若否，则高分子材料与煤岩体粘结的强度符合标准。
进一步，步骤S1中，根据如下公式确定高分子材料与煤岩体的粘结样品中煤岩体的渗透率k1：
其中，μ为惰性气体的绝对黏度；p0为计算渗透率时的大气压强；Q0为惰性气体的气体流量；L为煤岩体的长度；S为煤岩体截面面积；p1为进气端的气体压强。
进一步，步骤S2中，根据如下公式确定高分子材料与煤岩体粘结的渗透率k2：
其中，μ为惰性气体的绝对黏度；p0为计算渗透率时的大气压强；Q1为惰性气体的气体流量；L为煤岩体的长度；S为煤岩体截面面积；p1为进气端的气体压强。
进一步，步骤S2中，确定高分子材料与煤岩体粘结的渗透率，具体包括：
S21.对高分子材料与煤岩体的粘结样品进行密封构成密封体；
S22.向密封体注入惰性气体进行渗透测试，并采集渗透参数；
S23.将渗透参数带入高分子材料与煤岩体粘结的渗透率计算公式得到高分子材料与煤岩体粘结的渗透率。
进一步，步骤S5中，确定高分子材料与煤岩体粘结的强度，具体包括：
S51.对高分子材料与煤岩体的粘结样品进行压力数据采集，所述压力数据包括应力以及滑移距离；
S52.对压力数据进行拟合并形成应力与滑移关系曲线；
S53.将应力与滑移关系曲线上的部分脱粘阶段的最大应力作为高分子材料与煤岩体粘结的强度。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种高分子材料与煤岩体粘结的渗透性及强度评价方法，通过比较煤岩体注入液态高分子材料前后的渗透率大小,来判断高分子材料与煤岩体粘结后的渗透性是否满足渗透性标准，从而得到符合渗透性要求的高分子材料与煤岩体粘结的固体混合物，并比较该固体混合物与煤岩体的强度大小，从而进一步判断固体混合物是否符合强度标准，本方法能够对不同类型的高分子材料与煤岩体粘结的渗透性及强度进行评价，评价结果可靠性强、准确性高，从而筛选出符合工程需求标准的高分子材料。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的渗透测试系统结构示意图；
其中，1-气源；2-减压阀门；3-气体压强测定装置；4-进气流量测定装置；5-阀门1；6-阀门2；7-渗透测试壳体；8-真空脱气泵；9-出气流量测定装置；
图3为本发明的高分子材料与煤岩体的密封体结构示意图；
其中，10-瓦斯抽采用管材；11-高分子材料；12-煤岩体；13-密封盖；14-定位挡环；15-密封圈；16-垫圈；17-进气口；18-出气口；
图4为本发明的应力与滑移的曲线示意图；
其中，0A为完全粘结的弹性变形阶段；AB为部分脱粘阶段；BD为塑性变形Ⅰ阶段；DE为塑性变形Ⅱ阶段；EF为摩擦滑移阶段。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：
本发明的高分子材料与煤岩体粘结的渗透性及强度评价方法，包括如下步骤：
S1.确定高分子材料与煤岩体的粘结样品中煤岩体的渗透率k1，其中，粘结样品中高分子材料外设于煤岩体的侧面；其中，粘结样品可以采用各种空间结构，将煤岩体和高分子材料进行结合，比如：可以采用圆柱体结构的煤岩体，然后在煤岩体外侧壁设置高分子材料进行粘结；还可以采用长方体结构的煤岩体，然后在煤岩体的外侧壁设置高分子材料进行粘结，当然，也可以采用其他形式的结构，但是，为了保证煤岩体与高分子材料粘结的紧密性以及测试结果的精确性，本实施例中优先采用圆柱体结构的煤岩体；
S2.确定高分子材料与煤岩体粘结的渗透率k2；其中，为了保证高分子材料与煤岩体能充分融合，优先选用矿用反应型的高分子材料。
S3.判断渗透率k1是否小于渗透率k2，若是，则高分子材料与煤岩体粘结的渗透性不符合标准；若否，则高分子材料与煤岩体粘结的渗透性符合标准，并进入步骤S4；
S4.确定煤岩体的抗剪强度Γ1；
S5.确定高分子材料与煤岩体粘结的强度Γ2；
S6.判断抗剪强度Γ1是否大于强度Γ2，若是，则高分子材料与煤岩体粘结的强度不符合标准；若否，则高分子材料与煤岩体粘结的强度符合标准。
本实施例中，步骤S1中的煤岩体具体规格如下：从煤矿井下采集煤岩体，将煤岩体切割成直径为50mm，高度(或称为长度)为100mm的圆柱体型。
为了保证测试用气体不影响煤岩体渗透性的测定，则使用与煤岩体以及高分子材料表面均无任何物理化学反应的气体，比如惰性气体，优先使用无色、无味且不易燃的氦气，当然，其它惰性气体也可，比如氖气、氩气等。
首先对圆柱体型的煤岩体采用现有的测定方法进行渗透性测定，将进气端的气体压强数值选设定为0.3MPa，出气端的气体压强数值与大气压相等，则根据如下公式确定煤岩体的渗透率k1：
其中，μ为惰性气体的绝对黏度，取常温常压下惰性对应的绝对黏度值作为该计算用绝对黏度，单位为Pa.s；p0为计算渗透率时的大气压强，单位为MPa；Q0为惰性气体的气体流量，单位为cm3/s；L为煤岩体的长度，其取值为100mm；S为煤岩体的截面面积，其中，S＝πr2，r为煤岩体的半径，其取值为上述直径的一半，即为25mm；p1为惰性气体的气体压强，取值为0.3MPa。
本实施例中，步骤S2中，确定高分子材料与煤岩体粘结的渗透率，具体包括：
S21.将用于瓦斯抽采的管材截取长度为200mm的一段，而后将步骤S1中制备的直径50mm，高度为100mm的圆柱体型煤岩体放置在管材内部，优选地，煤岩体与管材保持同轴，从而保证高分子材料和煤岩体的粘结一致性，提升测试精度，并保证在管材的轴向方向两端存在50mm的空间，从而使得气流充分进入到管材内部。
将配置好的高分子材料11浆液注入到试验用的瓦斯抽采用管材10与煤岩体12之间的间隙内，使得高分子材料11浆液与煤岩体12侧面完全融合，待其充分反应后，随即高分子材料11与煤岩体12粘结形成粘结样品，当然，高分子材料11与瓦斯抽采用管材10也会材粘结在一起。
使用密封单元对内置有高分子材料11与煤岩体的瓦斯抽采用管材10的两端进行密封，得到一个两端设置有通气口的密封体，所述通气口包括进气口17以及出气口18。
所述密封单元包括密封盖13以及定位挡环14；所述密封盖13将管材的两端进行密封，定位挡环14用于对密封盖13进行固定，其中，固定采用螺栓固定的方式，为了保证密封性能，密封盖设置有密封圈15，具体如图3所示，该密封结构为现有技术，在此不进行详细的赘述。
S22.向密封体注入惰性气体进行渗透测试，并采集渗透参数，具体地：
向密封体注入惰性气体并进行参数采集是通过渗透测试系统进行，其中，渗透测试系统(如图2)包括：气体压强测定单元、渗透测试单元以及气体流量测定单元；气体压强测定单元，用于测定惰性气体的气体压强；渗透测试单元，用于对密封体进行渗透测试；气体流量测定单元，用于测定惰性气体的气体流量。
所述气体压强测定单元包括气源1以及气体压强测定装置3；所述气体压强测定装置3与气源1的连接管路上设置有减压阀门2；所述气体压强测定装置采用现有技术，在此不再赘述。
所述渗透测试单元包括渗透测试壳体7以及真空脱气泵8，所述渗透测试壳体7的内腔设置有密封体，所述密封体的进气口17与渗透测试壳体的进气端连通，密封体的出气口18与渗透测试壳体的出气端连通；所述真空脱气泵8与渗透测试壳体进气端的连接管路上设置有阀门6。
渗透测试壳体7内腔还设置有恒温空气浴，所述恒温空气浴用于控制渗透测试壳体内腔的温度，使得内腔温度保持恒定状态，所述恒温空气浴采用现有技术，在此不再赘述。
所述气体流量测定单元包括进气流量测定装置4以及出气流量测定装置9；所述进气流量测定装置4的进气端与气体压强测定装置3的出气端连通，进气流量测定装置4的出气端与渗透测试壳体7的进气端连通，进气流量测定装置4与渗透测试壳体7的连接管路上设置有阀门5。所述出气流量测定装置9的进气端与渗透测试壳体7的出气端连通。所述进气流量测定装置以及出气流量测定装置均采用现有技术，在此不再赘述。
打开阀门6，关闭阀门5以及出气流量测定装置9，开启真空脱气泵8对渗透测试壳体7内腔的密封体进行脱气，以消除常压下粘结样品吸附的空气对渗透测试结果造成的影响。
调节恒温空气浴，使渗透测试壳体7内部温度与煤矿井下的温度相等；而后调节减压阀门2，打开惰性气体气源1，并读取气体压强测定装置3的示数，待其压强值为0.3MPa时，则停止调节减压阀门2，并将0.3Mpa作为惰性气体的气体压强，惰性气体在压强差的驱动下，进入密封体内部，并从渗透测试壳体的出气端流出。
同时，打开进气流量测定装置4与出气流量测定装置9，待两个测定装置的示数基本相等且连续2h以上两个示数的相对偏差小于1％时，可判断此时惰性气体在密封体内的流动达到了稳定状态，并取进气流量测定装置与出气流量测定装置中的任意一个示数作为惰性气体的气体流量。
S23.将惰性气体的气体压强以及惰性气体的气体流量带入到渗透率k2的计算公式，计算高分子材料与煤岩体粘结的渗透率。其中，根据如下公式确定高分子材料与煤岩体粘结的渗透率k2：
其中，μ为惰性气体的绝对黏度，取常温常压下惰性气体对应的绝对黏度作为该计算用绝对黏度，单位为Pa.s；p0为计算渗透率时的大气压强，单位为MPa；Q1为惰性气体的气体流量，单位为cm3/s；L为煤岩体的长度，其取值为100mm；S为煤岩体的截面面积，具体的：S＝πr2，r为煤岩体的半径，其取值为25mm；p1为惰性气体的气体压强，取值为0.3MPa。
本实施例中，步骤S3中，将k1与k2进行对比，若k2≤k1，则表明高分子材料封堵钻孔后其密封性能满足工程需求；若k2＞k1，则表明高分子材料封堵钻孔后其密封性能不满足工程需求，具体地，k1与k2是在相同的进气、出气压强的条件下获取的，因此两种情况下渗透率测定的气体压强条件是相同的。若高分子材料可有效的封堵煤岩钻孔，则其浆液固化反应后与煤岩体表面会紧密粘结，因而，将k1与k2进行对比时，会有k2≤k1，则继续进行粘结强度的测定试验；相反，若k2＞k1，则表明高分子材料封堵钻孔后其密封性能不满足工程需求，也无须对该高分子材料进行粘结强度的对比试验。
本实施例中，步骤S4中，使用现有的测定方法计算步骤S1中制作的圆柱体型煤岩体的抗剪强度，所述抗剪强度为该圆柱体型煤岩体平行于轴向方向且包含中轴线的截面在一定的法向应力作用下所承受的最大剪应力。
本实施例中，步骤S5中，确定高分子材料与煤岩体粘结的强度，具体包括：
S51.应用切割工具将高分子材料与煤岩体的粘结样品与瓦斯抽采用管材进行分离，而后将高分子材料与煤岩体的粘结样品放置在压力机上，并在煤岩体的端面上放置一面积与其端面面积相同的不锈钢圆块；
开启压力机对高分子材料与煤岩体的粘结样品进行挤压，压力机实时采集应力以及滑移距离等压力数据；
S52.压力机根据采集的压力数据，生成实时的应力-滑移曲线，直至应力-滑移曲线达到摩擦滑移阶段后随即停止加压，最终得到一条包括多个阶段的应力-滑移曲线(如图4)；
S53.将应力-滑移曲线上的部分脱粘阶段的应力最高值(如图4中的B点)作为高分子材料与煤岩体粘结的强度。
本实施例中，步骤S6中，若高分子材料与煤岩体粘结的强度不小于煤岩体的抗剪强度，则表明高分子材料封堵后的粘结强度满足工程需求；若高分子材料与煤岩体粘结的强度小于煤岩体的抗剪强度，则表明高分子材料封堵后的粘结强度不满足工程需求；从而能筛选出符合工程需求标准的高分子材料。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种高分子材料与煤岩体粘结的渗透性及强度评价方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.确定高分子材料与煤岩体的粘结样品中煤岩体的渗透率k1，其中，粘结样品中高分子材料外设于煤岩体的侧面；
根据如下公式确定煤岩体的渗透率k1：
其中，μ为惰性气体的绝对黏度；p0为计算渗透率时的大气压强；Q0为惰性气体的气体流量；L为煤岩体的长度；S为煤岩体截面面积；p1为进气端的气体压强；
S2.确定高分子材料与煤岩体粘结的渗透率k2；
根据如下公式确定高分子材料与煤岩体粘结的渗透率k2：
其中，μ为惰性气体的绝对黏度；p0为计算渗透率时的大气压强；Q1为惰性气体的气体流量；L为煤岩体的长度；S为煤岩体截面面积；p1为进气端的气体压强；
S3.判断渗透率k1是否小于渗透率k2，若是，则高分子材料与煤岩体粘结的渗透性不符合标准；若否，则高分子材料与煤岩体粘结的渗透性符合标准，并进入步骤S4；
S4.确定煤岩体的抗剪强度Γ1；
S5.确定高分子材料与煤岩体粘结的强度Γ2；
确定高分子材料与煤岩体粘结的强度，具体包括：
S51.对高分子材料与煤岩体的粘结样品进行压力数据采集，所述压力数据包括应力以及滑移距离；
S52.对压力数据进行拟合并形成应力与滑移关系曲线；
S53.将应力与滑移关系曲线上的部分脱粘阶段的最大应力作为高分子材料与煤岩体粘结的强度；
S6.判断抗剪强度Γ1是否大于强度Γ2，若是，则高分子材料与煤岩体粘结的强度不符合标准；若否，则高分子材料与煤岩体粘结的强度符合标准。
2.根据权利要求1所述的高分子材料与煤岩体粘结的渗透性及强度评价方法，其特征在于：步骤S2中，确定高分子材料与煤岩体粘结的渗透率，具体包括：
S21.对高分子材料与煤岩体的粘结样品进行密封构成密封体；
S22.向密封体注入惰性气体进行渗透测试，并采集渗透参数；
S23.将渗透参数带入高分子材料与煤岩体粘结的渗透率计算公式得到高分子材料与煤岩体粘结的渗透率。
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