CN114479973B

CN114479973B - 一种利用新型无机纳米环保材料提高松散厚煤层强度的方法

Info

Publication number: CN114479973B
Application number: CN202210044539.1A
Authority: CN
Inventors: 孙建; 李斌; 张若飞; 赵光明
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2022-01-14
Filing date: 2022-01-14
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2042-01-14
Also published as: CN114479973A

Abstract

本发明涉及改善煤层强度研究领域，具体涉及一种利用新型无机纳米环保材料提高松散厚煤层强度的方法。本发明提出的利用新型无机纳米环保材料硅溶胶提高松散厚煤层强度的方法，通过将不同浓度、质量、静置时间的环保材料硅溶胶和样品煤混合后，进行抗压强度和抗剪强度试验，最终确定了可以提高松散厚煤层强度的最佳浓度，该方法不仅可以用来确定硅溶胶的最佳浓度,也可以用于确定其它环保材料的最佳浓度。

Description

一种利用新型无机纳米环保材料提高松散厚煤层强度的方法

技术领域

本发明涉及改善煤层强度研究领域，具体涉及一种利用新型无机纳米环保材料提高松散厚煤层强度的方法。

背景技术

目前，能源日益紧缺，煤层开采地质条件越来越复杂，为加强环保理念，实行绿色开采，保护原始地质环境，以前难开采的煤层如今也开始运用新技术进行开采，可以发现在采矿工程领域中工作面采高、采深逐年增加，松散煤层、高瓦斯矿井等复杂难采煤层，通过合理的注水和注浆，为煤层的开采提供技术支持，降低了开采难度和维护费用，使松散煤层开采具有可行性。通过在煤层不稳定区域进行注浆加固和注水卸压，提高煤层强度，防止有害气体突出，工作面煤壁片帮、冒顶、底鼓等灾害发生。

但进行注水、注浆时，需要提前确定注水、注浆量，才能更好的提高煤层强度，目前对于利用新型无机纳米环保材料提高松散厚煤层强度的方法已经开始应用，但是在使用过程中如何获得新型无机纳米环保材料的最佳用量和最佳配比还比较困难。因此，如何精准确定新型无机环保纳米材料的用量非常有必要。

发明内容

针对上述技术背景提到的不足，本发明的目的在于提供一种利用新型无机纳米环保材料提高松散厚煤层强度的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种利用新型无机纳米环保材料提高松散厚煤层强度的方法，包括如下步骤：

1)初级硅溶胶制备：以活化后的高纯硅粉和纯水为原料，以胍类化合物为催化剂调节纯水的pH，在60-90℃下进行水解反应一段时间后，制备得到初级硅溶胶；

2)过滤：将得到的硅溶胶经滤网过滤，除去未反应的硅粉，过滤采用0.5-1μm的滤网进行过滤；

3)催化剂去除：将氨水加入到上述硅溶胶中，搅拌反应一段时间后，再加入萃取剂，继续搅拌一段时间后静置分层，收集硅溶胶部分；

4)浓缩：将初始硅溶胶浓缩至质量分数30％以上，得到超高纯硅溶胶；

5)煤样原料制备：

从芦岭煤矿Ⅲ811工作面选取煤样，经磨粉机破碎后，用分级筛选出0.25mm以上、1mm以下的煤粉颗粒，放置在105℃恒温烘干箱烘制；

6)煤样制备：

硅溶胶和煤样原料混合，将一定质量和浓度的硅溶胶与一定质量烘干的煤粉颗粒混合搅拌均匀，放入型煤模具压制；

7)煤样力学性能测试：

利用万能实验机，重点研究不同硅溶胶浓度、质量、凝胶时间(含硅溶胶煤样制备好后，在25℃环境中静置时间)对含硅溶胶煤样力学特性(抗压强度、抗剪强度)的影响规律，确定硅溶胶最佳配比。

进一步的，所述胍类化合物选自硝基胍、三甲基胍、四甲基胍、聚六亚甲基胍中的任一种或几种，加入胍类化合物调节纯水的pH值为8-11，所述的反应时间为6-12h。

进一步的，所述加入氨水反应1-2h后，加入萃取剂搅拌8-12h后，静置分层，所述萃取剂为甲苯或环己酮中的一种或两种；优选地，重复萃取2-4次。

进一步的，所述采用减压加热浓缩或者超滤浓缩使得硅溶胶质量分数达30％以上。

进一步的，所述煤样为利用万能实验机(压力50kN、保持恒定压力10min)压制加工成Φ50×100mm和Φ50×50mm的圆柱体型煤。

进一步的，所述硅溶胶含量对煤样抗压强度和抗剪强度的影响进行汇总，综合考虑得到硅溶胶最佳浓度和最佳用量。

本发明的有益效果：

本发明提出的利用新型无机纳米环保材料硅溶胶提高松散厚煤层强度的方法，通过将不同浓度、质量、静置时间的环保材料和样品煤混合后，进行抗压强度和抗剪强度试验，最终确定了可以提高松散厚煤层强度的最佳浓度，该方法不仅可以用来确定硅溶胶的最佳浓度,也可以用于确定其它环保材料的最佳浓度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是正交试验获得的3个影响因子随5个水平平均值的变化规律；

图2是含不同浓度硅溶胶煤样在不同剪切角度下的抗剪强度、峰值应变的变化规律；

图3是含不同浓度硅溶胶煤样在不同剪切角度下的抗剪强度、峰值应变的变化规律；

图4是含硅溶胶煤样内聚力、内摩擦角随硅溶胶浓度的变化规律。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种利用新型无机纳米环保材料提高松散厚煤层强度的方法，制备方法包含如下步骤：

1)初级硅溶胶制备：以活化后的高纯硅粉和纯水为原料，以胍类化合物为催化剂调节纯水的pH，在60-90℃下进行水解反应一段时间后，制备得到初级硅溶胶；所述胍类化合物选自硝基胍、三甲基胍、四甲基胍、聚六亚甲基胍中的任一种或几种。加入胍类化合物调节纯水的pH值为8-11，所述的反应时间为6-12h。

2)过滤：将得到的硅溶胶经滤网过滤，除去未反应的硅粉，过滤采用0.5-1μm的滤网进行过滤；优选地，所述滤网为PP材质滤网，过滤压力为0.5-1MPa。

3)催化剂去除：将氨水加入到上述硅溶胶中，搅拌反应一段时间后，再加入萃取剂，继续搅拌一段时间后静置分层，收集硅溶胶部分；加入氨水反应1-2h后，加入萃取剂搅拌8-12h后，静置分层，所述萃取剂为甲苯或环己酮中的一种或两种；优选地，重复萃取2-4次。

4)浓缩：将初始硅溶胶浓缩至质量分数30％以上，得到超高纯硅溶胶。采用减压加热浓缩或者超滤浓缩使得硅溶胶质量分数达30％以上。

5)煤样制备：

从芦岭煤矿Ⅲ811工作面选取煤样，经磨粉机破碎后，用分级筛选出0.25mm以上、1mm以下的煤粉颗粒，放置在105℃恒温烘干箱烘制。

6)硅溶胶和煤样混合：

将一定质量和浓度的硅溶胶与一定质量烘干的煤粉颗粒混合搅拌均匀，放入型煤模具压制。利用万能实验机(压力50kN、保持恒定压力10min)，压制加工成Φ50×100mm和Φ50×50mm的圆柱体型煤；

7)煤样力学性能测试：

利用WAW-2000万能实验机，重点研究不同硅溶胶浓度、质量、凝胶时间(含硅溶胶煤样制备好后，在25℃环境中静置时间)对含硅溶胶煤样力学特性的影响规律。

硅溶胶与煤样的吸渗作用主要表现在润湿性和亲和力两个关键指标。将芦岭煤矿Ⅲ811松散厚煤层工作面取出的煤样，筛出1mm以下煤粉，通过模具压缩成Φ50×100mm和Φ50×50mm的煤样，分别用于抗压强度测试和抗剪强度测试，利用JY-PHA接触角测量仪，测量硅溶胶与煤样的静态接触角，分析硅溶胶与煤样的润湿性。同时，利用JYW-200全自动表面张力仪，测量硅溶胶的表面张力，分析硅溶胶的亲和力。

硅溶胶与煤样的接触角为65.6°～67.5°(小于90°)，表明硅溶胶与煤样具有较好的润湿性，在煤样非饱和状态下，硅溶胶能够自动渗入到煤样内部。另外，硅溶胶的表面张力为74.32mN/m，其与煤样的亲和力为38.55mN/m，表明硅溶胶与煤样的亲和力较好。因此，硅溶胶与煤样具有较好的润湿性和亲和力。

表1静态接触角、表面张力与亲和力测试结果

抗压强度测试：

利用WAW-2000万能实验机，重点研究不同硅溶胶浓度、质量、凝胶时间(含硅溶胶煤样制备好后，在25℃环境中静置时间)对含硅溶胶煤样力学特性的影响规律。因此，用于制备含硅溶胶煤样的煤粉颗粒质量恒定为254g。进一步的，为揭示不同硅溶胶浓度(10％、15％、20％、25％、30％)、不同硅溶胶质量(10g、15g、20g、25g、30g)和不同凝胶时间(1h、5h、9h、13h、17h)对含硅溶胶煤样单轴抗压强度的影响规律，设计了3个影响因子(硅溶胶浓度、质量、凝胶时间)和5个水平的L25(5³)正交试验，如表2所示，研究分析硅溶胶浓度、质量、凝胶时间对含硅溶胶煤样力学特性的影响规律。图1给出了3个影响因子(浓度、质量、凝胶时间)随5个水平平均值(i＝1，2，3，4，5)的变化规律。

表2 L25(5³)正交试验获得的含硅溶胶煤样单轴抗压强度

抗剪强度测试：

利用WAW-2000万能实验机，重点研究含不同浓度硅溶胶(10％、15％、20％、25％、30％)煤样在不同剪切角度(40°、45°、50°、55°、60°、65°)下的力学特性，用于制备含硅溶胶煤样的煤粉颗粒质量恒定为127g、硅溶胶质量为15g(仅改变硅溶胶浓度)、硅溶胶凝胶时间为17h(含硅溶胶煤样制备好后，在25℃环境中静置时间)。含硅溶胶煤样剪切试验过程中，所用煤样为Φ50×50mm的圆柱体型煤，每个剪切角度1个试验煤样，6个不同剪切角度，共计30个试验煤样；剪切试验过程中万能实验机采用位移控制，加载速率为3mm/mi n，加载过程中观察含不同浓度硅溶胶煤样的破坏特征。

对含不同浓度硅溶胶煤样在不同剪切角度时的剪应力和应变进行试验。发现，不同剪切角度条件下含不同浓度硅溶胶煤样的剪应力-应变曲线的变化规律基本相同，均经历了初始孔隙及裂隙压实阶段、弹性阶段、破裂阶段及峰后破坏阶段。含不同浓度硅溶胶煤样加载初期，剪应力-应变曲线呈上凹型，曲线斜率和剪切模量逐渐增大，煤样被逐渐压密。随着加载载荷的增大，剪应力-应变曲线近似呈一次线性增长关系，此时煤样的剪切模量可视为常数，主要表现为弹性变形。随着加载载荷的继续增大，剪应力-应变曲线呈非线性增长关系，曲线斜率逐渐减小，直至达到峰值剪切强度时，煤样发生剪切破坏。

另外，在相同硅溶胶浓度下，含硅溶胶煤样抗剪强度随剪切角度的增大而减小，相应的抗剪强度峰值应变也减小，表明抗剪强度峰值及其应变与剪切角度呈负相关关系。在相同剪切角度下，含硅溶胶煤样抗剪强度随硅溶胶浓度的增加而增大，在浓度30％时，其抗剪强度峰值最大；而抗剪强度峰值应变随硅溶胶浓度的增加呈先增大后减小的规律，在浓度25％时，峰值应变最大，表明当硅溶胶浓度由25％增大到30％时，含硅溶胶煤样的延性将降低、脆性将增强。工程实践中，通过在松散煤层内注入合理浓度的硅溶胶，在一定程度上能够提高煤体自身的抗剪强度和塑性变形。

为更好揭示含硅溶胶浓度对煤样剪切特性的影响，依据含不同浓度硅溶胶煤样在不同剪切角度时的剪应力-应变进行总结，可以获得含不同浓度硅溶胶煤样在不同剪切角度时的破坏载荷、抗剪强度和峰值应变，并利用公式(1)可以计算出含不同浓度硅溶胶煤样在不同剪切角度下破坏时的正应力与剪应力，如表3所示。

式中，P为剪切面上的轴向破坏载荷，kN；σ为剪切面上的正应力，MPa；τ为剪切面上的剪应力，MPa；a为剪切面正应力与竖直方向的夹角，°；A为剪切面的面积，mm²。

表3含不同浓度硅溶胶煤样剪切条件下的力学参数

依据表3中抗剪强度试验结果，可以获得含不同浓度硅溶胶煤样在不同剪切角度下的抗剪强度、峰值应变的变化规律，如图2所示。可以看到，不同剪切角度下，含硅溶胶煤样的抗剪强度随浓度的增加而增大，峰值应变随浓度的增加先增大而后略有减小；当硅溶胶浓度为25％时，峰值应变达到最大。另外，可以看到，在相同硅溶胶浓度下，含硅溶胶煤样抗剪强度随剪切角度的增大而减小，相应的峰值应变也减小，表明煤样易发生高角度的剪切破坏。

因此，通过提高硅溶胶浓度，可以提高含硅溶胶煤样的抗剪强度，但当硅溶胶浓度提高到一定程度后，其峰值应变会减小，即当硅溶胶浓度达到一定程度后含硅溶胶煤样的延性将降低而脆性将增强。只有合理浓度的硅溶胶，才能保证含硅溶胶煤样在具有一定抗剪强度的同时，又具有较大的塑性变形。

煤壁注硅溶胶防片帮最佳浓度：

煤样的内聚力和内摩擦角是衡量其自身抗剪强度的两个重要指标，其中内聚力是同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力；内聚力越大，煤样的抗剪切能力就越强，反映在煤样的剪应力-正应力曲线上为曲线的截距。而内摩擦角是反映煤样内部各颗粒间摩擦强度的大小；内摩擦角越大，煤样的抗剪切能力就越强，反映在煤样的剪应力-正应力曲线上为曲线的倾角。因此，通过拟合含不同浓度硅溶胶煤样在不同剪切破坏角度下的正应力和剪应力数值(表3)，可以获得含不同浓度硅溶胶煤样的内聚力和内摩擦角，如图2所示。

拟合后的抛物线与剪应力轴的截距为含该浓度硅溶胶条件下煤样的内聚力，与剪应力轴交点处的曲线外切线与正应力轴的夹角为含该浓度硅溶胶条件下煤样的内摩擦角。拟合后获得的含不同浓度硅溶胶煤样的内聚力和内摩擦角，如表4所示，其内聚力、内摩擦角随硅溶胶浓度的变化规律，如图4所示。

表4含不同浓度硅溶胶煤样的内聚力与内摩擦角

浓度/％	10	15	20	25	30
						内聚力/MPa	0.112	0.163	0.173	0.194	0.219
内摩擦角/°	41.5	42	44	44.7	42.6

可以看到，随着硅溶胶浓度的增大，煤样内聚力呈上升趋势；当硅溶胶浓度从10％增大到30％时，煤样内聚力增大了195％，表明提高硅溶胶的浓度能使煤粉颗粒充分粘结，从而极大地改善煤样力学性质。另外，随着硅溶胶浓度的增大，煤样内摩擦角呈先上升后下降的趋势；当硅溶胶浓度从10％增大到25％时，煤样内摩擦角增大了7％，而当硅溶胶浓度进一步增大到30％时，煤样内摩擦角将大幅减小，此时煤样内摩擦角仅增大了2.7％，表明提高硅溶胶的浓度并非总是能提高煤样的内摩擦角，当硅溶胶浓度为25％时，煤样内摩擦角达到最大。

综上所述，提高硅溶胶浓度可以提高含硅溶胶煤样的内聚力和内摩擦角，从而提高含硅溶胶煤样的抗剪强度，但当硅溶胶浓度超过25％时，又会导致含硅溶胶煤样内摩擦角的减小，从而降低含硅溶胶煤样的抗剪强度。因此，25％的浓度可以作为芦岭煤矿Ⅲ811工作面煤壁注硅溶胶防片帮的最佳浓度，此浓度既可以保证含硅溶胶煤样具有较高抗剪强度的同时，又具有较大的塑性变形。

因此，利用该方法获得最佳浓度是可靠的。

有益效果如下：

本发明提出的利用新型无机纳米环保材料硅溶胶提高松散厚煤层强度的方法，通过将不同浓度、质量、静置时间的环保材料和样品煤混合后，进行抗压强度和抗剪强度试验，最终确定了可以提高松散厚煤层强度的最佳浓度，该方法不仅可以用来确定硅溶胶的最佳浓度，也可以用于确定其它环保材料的最佳浓度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims

1.一种利用无机纳米环保材料提高松散厚煤层强度的方法，包括如下步骤：

1）初级硅溶胶制备：以活化后的高纯硅粉和纯水为原料，以胍类化合物为催化剂调节纯水的pH，在60-90℃下进行水解反应一段时间后，制备得到初级硅溶胶；

2）过滤：将得到的硅溶胶经滤网过滤，除去未反应的硅粉；过滤采用0.5-1μm的滤网进行过滤；

3）催化剂去除：将氨水加入到上述硅溶胶中，搅拌反应一段时间后，再加入萃取剂，继续搅拌一段时间后静置分层，收集硅溶胶部分；

4）浓缩：将初始硅溶胶浓缩至质量分数30％以上，得到超高纯硅溶胶；

5）煤样原料制备：从芦岭煤矿Ⅲ811工作面选取煤样，经磨粉机破碎后，用分级筛选出0.25 mm以上、1 mm以下的煤粉颗粒，放置在105℃恒温烘干箱烘制；

6）煤样制备：硅溶胶和煤样原料混合，将一定质量和浓度的硅溶胶与一定质量烘干的煤粉颗粒混合搅拌均匀，放入型煤模具压制；

7）煤样力学性能测试：利用万能实验机，重点研究不同硅溶胶浓度、质量、凝胶时间对含硅溶胶煤样力学特性的影响规律，确定硅溶胶最佳配比；所述凝胶时间为含硅溶胶煤样制备好后，在25℃环境中静置的时间；所述力学特性，包括抗压强度、抗剪强度；其中抗剪强度的分析包括分析不同剪切角度条件下含不同浓度硅溶胶煤样的剪应力-应变曲线的变化规律，分析不同浓度硅胶煤样的内聚力和内摩擦角；

具体分析步骤如下：

a）利用正交试验，设计准备不同硅溶胶浓度、硅溶胶质量、凝胶时间的煤样，研究分析硅溶胶浓度、质量和凝胶时间对含硅溶胶煤样单轴抗压强度的影响规律；

b）根据a）的分析，选择最佳的凝胶时间和质量，并保持固定不变，制备含不同浓度硅溶胶的煤样，研究在凝胶时间、质量一定的情况下煤样在不同剪切角度下的抗剪强度和峰值应变，获得含不同浓度硅溶胶煤样抗剪强度、峰值应变随剪切角度的变化规律，得到只有合理浓度的硅溶胶，才能保证含硅溶胶煤样在具有一定抗剪强度的同时，又具有较大的塑性变形；

c）并利用公式

计算出不同剪切角度下破坏时的正应力与剪应力；其中P为剪切面上的轴向破坏载荷，kN；σ为剪切面上的正应力，MPa；τ为剪切面上的剪应力，MPa；a为剪切面正应力与竖直方向的夹角，°；A为剪切面的面积，mm²；

d）选取曲线型抗剪强度，通过拟合含不同浓度硅溶胶煤样在不同剪切破坏角度下的正应力和剪应力数值，获得煤样内聚力和内摩擦角随其所含硅溶胶浓度的变化规律，以此确定松散综放工作面含夹矸煤壁注硅溶胶防片帮的最佳浓度。

2.根据权利要求1所述的一种利用无机纳米环保材料提高松散厚煤层强度的方法，其特征在于，所述胍类化合物选自硝基胍、三甲基胍、四甲基胍、聚六亚甲基胍中的任一种或几种，加入胍类化合物调节纯水的pH值为8-11，所述的反应时间为6-12h。

3.根据权利要求1所述的一种利用无机纳米环保材料提高松散厚煤层强度的方法，其特征在于，所述加入氨水反应1-2h后，加入萃取剂搅拌8-12h后，静置分层，所述萃取剂为甲苯或环己酮中的一种或两种；重复萃取2-4次。

4.根据权利要求1所述的一种利用无机纳米环保材料提高松散厚煤层强度的方法，其特征在于，所述采用减压加热浓缩或者超滤浓缩使得硅溶胶质量分数达30％以上。

5.根据权利要求1所述的一种利用无机纳米环保材料提高松散厚煤层强度的方法，其特征在于，所述煤样为利用万能实验机压制加工成Φ50×100 mm和Φ50×50 mm的圆柱体型煤；所述万能实验机的使用参数为压力50 kN、保持恒定压力10 min。

6.根据权利要求1所述的一种利用无机纳米环保材料提高松散厚煤层强度的方法，其特征在于，所述硅溶胶用量对煤样抗剪强度和抗压强度的影响进行汇总对比，综合考虑得到硅溶胶最佳浓度和最佳用量。