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第28卷 第2期 2008年6月 西安科技大学学报 JOURNAL OF XI′AN UNI VERSITYOF SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol . 28 No12 Jun12008 文章编号 1672 - 93152008 02 - 0305 - 05 矿井密闭填充材料力学性能分析与稳定性预测 3 罗振敏 1, 2 ,葛岭梅 1, 2 ,邓 军 1, 2 ,张嬿妮 1, 2 ,杨永斌 1, 2 1 1西安科技大学 能源学院,陕西 西安710054; 2.西安科技大学 教育部西部 矿井开采及灾害防治重点实验室,陕西 西安710054 摘要采用水凝胶密闭填充材料建造密闭墙是防止煤层自燃、 有害气体扩散或者瓦斯爆炸的方 法之一。通过一系列单向压缩试验,分析了吸水性单体、 交联剂、 促凝剂的含量等对水凝胶内填 充材料力学性能的影响。并利用灰色G M 1, 1预测模型对水凝胶密闭填充材料进行了持久稳定 性分析。实验发现,随着单体与交联剂添加量的增加,水凝胶材料的弹性模量增大,强度提高,弹 性减弱;而促凝剂含量的影响正好与之相反。同时水凝胶材料的应力-应变曲线出现了阶段性 变化,且分界点的位置由材料本身的形变所决定,一般出现在纵向形变为50处;模型精度较好, 亲水性单体浓度增大,水凝胶材料的持久稳定性也较好。 关键词密闭墙;水凝胶;力学性能;稳定性 中图分类号 712 154 文献标识码 A 0 前 言 我国煤矿井下生产条件复杂,地质条件多变,在目前的2. 6万多处煤矿中,有60～70是在极复杂 的构造条件下进行开采。随着开采深度的加大,经常受到水、 火、 瓦斯、 煤尘、 冒顶等灾害的威胁,安全形 势非常严峻。 为了防止煤层自燃、 有害气体扩散或者瓦斯爆炸而影响安全生产,常常建立密闭墙将易自燃区、 有害 气体源或瓦斯聚集区进行隔离。其中粉煤灰加高水凝胶充填材料密闭、 聚氨酯泡沫塑料喷涂层密闭、 泡 沫树脂用作临时密闭、 罗克休泡沫墙密闭、 气囊式快速密闭、 撑伞式密闭等几种密闭形式 [1～6]属于轻质密 闭。除此之外还有几种传统的密闭方式,如砖石密闭墙、 沙石混凝土密闭墙、 沙袋密闭墙等。上述密闭形 式经现场应用取得了一定效果,但都有着自身的局限性。轻质密闭墙虽然能够迅速简便地隔绝危险区 域,起到很好的密闭作用,但对于瓦斯爆炸产生的几千帕、 甚至是几兆帕的冲击波作用基本无法抵抗。砖 石或沙石混凝土密闭墙的厚度虽然达到一定值时可以抵抗爆炸冲击波的作用,但由于重量和数量都很 大,运输困难,需要耗费大量的人力,且施工时间长。另外,砖石和沙石混凝土属于刚性材料,当顶板发生 运动时,刚性墙体没有缓冲的能力,很容易造成密闭墙体的破坏。沙袋密闭墙具有一定的柔性,不会由于 顶板的运动而破坏,能够较好地抵抗爆炸冲击波,但同样具有材料用量大,施工时间长等缺点。 由于目前采用的矿井密闭墙存在自身局限性,课题组正在研发一种新型矿用快速防爆密闭墙,它由 防爆外袋和水凝胶内填充材料组成。采用防爆袋作为内填充水凝胶材料的成型设施,可根据巷道制成不 同形状和型号。当井下出现火灾或瓦斯爆炸危险时,在需要密闭的地方快速放置防爆袋,随后操作人员 在远距离向袋内充填水凝胶材料,当溶液进入袋内后,会在很短的时间内凝结成具有较好弹性和强度的 固溶体,水凝胶材料和防爆袋作为一个整体,形成防爆密闭墙,用来封闭火区、 抵抗爆炸冲击波的作用。 3收稿日期 2008 - 04 - 10 基金项目陕西省科技攻关项目2007K08 - 05 ;新世纪人才支持计划NECT050874 作者简介罗振敏1976 - ,女,陕西榆林人,在职博士,讲师,主要从事矿井瓦斯爆炸控制技术方面的研究工作. 1 水凝胶密闭填充材料 采用双溶液混合法配置的水凝胶密闭填充材料,用作凝胶的原料无毒无害,主要是由吸水性单体、 交 联剂、 促凝剂、 引发剂等组成。其中吸水性单体为丙烯酰胺。将吸水性单体、 交联剂、 促凝剂配制成溶液 A;而将引发剂配制成溶液B。之后2种溶液混合形成凝胶。 水凝胶密闭填充材料是一种弹性凝胶,呈半固体状,无流动性,具有三维网状结构。水凝胶材料90 以上都是水,并以结合水、 束缚水、 自由水3种形式存在。其中结合水与聚合物有着强烈的相互作用;束 缚水与聚合物有微弱的相互作用;另外就是自由水。水凝胶的吸水作用主要是通过三维网络结构吸收大 量的自由水储存在聚合物内而完成的。形成水凝胶的单体在结构上是轻度交联的空间网络结构,它是由 化学交联和树脂分子链间的相互缠绕物理交联而构成的。胶凝之前,高分子长链相互缠绕在一起,彼此 交联成网络结构,从而达到整体上的紧固程度。在受到外界力作用时,能够通过变形来吸收外部能量,同 时又能保持本身结构的稳定性,能够起到吸收爆炸冲击波的能量,以缓冲、 抵抗外力破坏的作用。 2 力学性能分析 制备的水凝胶密闭填充材料是一种弹性凝胶,呈半固体状,无流动性,具有三维网状结构,有一定的 几何外形,并具有一定的强度、 弹性和屈服值。凝胶网络的网链交联结点间的大分子链在外力作用下 通过单键的内旋发生构象改变,沿作用力方向伸展,凝胶发生变形。这时网链构象熵减少,内能升高,产 生了弹性能内力 ; 在外力解除后,网链借助这种弹性力回复原构象,凝胶变形消失 [7 ]。水凝胶密闭填充 材料通过形变来吸收爆炸冲击波能量,同时又能保持本身结构的稳定性,达到抵抗瓦斯爆炸的目的。 选用弹性比功Weσ 2 e 2E,衡量材料对瓦斯爆炸冲击波的缓冲作用。对于矿井用防爆密闭墙 ,要增大材 料的弹性比功,增强防爆密闭墙对瓦斯爆炸冲击波的缓冲作用,要从增大材料的应变率入手,即提高 σe, 或降低E。 水凝胶材料在受到外载作用而不发生破坏之前,产生的是弹性形变,所以弹性模量Eσ ε. 水凝胶材料在井下受到的主要是爆炸冲击波单向压缩的作用,实验主要采取单向压缩的形式。试样 为高5 cm,直径5 cm的圆柱体。从吸水性单体、 促凝剂和交联剂的含量3个方面,分析研究水凝胶密闭 填充材料力学性能的变化规律图 1 。 图1 水凝胶密闭填充材料σ-ε变化规律曲线 Fig . 1 Curve ofσ-εof seal2filling hydrogelmaterial a不同单体浓度 b不同交联剂浓度 c不同促凝剂浓度 实验发现,随着施加荷载加大,试样形变量增大。随着丙烯酰胺单体添加量的增大,水凝胶材料的变 形减小,强度增大。这主要是由于荷载量增大到一定值时,水凝胶的三维网络结构发生了显著变化,造成 了材料力学性质的变化,从而使弹性模量发生了改变。在荷载的作用下,材料结构更加致密,材料内部产 生的内能相应增大,出现了弹性模量增大,即强度增大,弹性减弱的现象。另外,单体浓度增加,材料三维 网络结构中有效交联点的数目也增加,使结构更加致密,增大了水凝胶材料的拉伸难度,变形率下降。 603 西安科技大学学报 2008年 第2期罗振敏等矿井密闭填充材料力学性能分析与稳定性预测 交联剂浓度加大,材料的刚性增大,弹性减弱;水凝胶材料的刚性率与交联密度成正比,GRT V V0 式 中G为刚性率, Ve V0为交联密度 。随着交联剂浓度增大,交联点增多,交联密度增大,刚性率也增大,相应 材料的弹性下降,促使了材料的刚性增大。 促凝剂含量增加,水凝胶材料的变形率加大,强度减小,弹性增加。这是由于促凝剂在材料胶凝过程 中能使具有网络结构的大分子碳链更快地伸展开,从而使碳链上的吸水性官能团充分吸收水分;促凝剂 含量增大,减少了水凝胶内部分子链的缠绕卷曲现象,从而使得空间位阻降低,施加荷载引起的水凝胶材 料的内能减小,形变率增大。 另外,从图1可以看出,水凝胶密闭填充材料的应力-应变曲线出现两段斜率不同的直线段,也就是 说材料的弹性模量出现阶段性的变化,不是一个定值,且分界点的位置由材料本身的形变所决定,一般出 现在纵向形变为50的点处,分界点所对应的水凝胶材料的变形率基本相等。 表1 水凝胶高度随时间的减小值 Tab11 The decreases of hydrogel in height with ti me sample 1, 2cm 时间/d13579 试样1高度7. 657. 557. 407. 327. 25 高度减少量ΔH1 0. 100. 250. 330. 40 试样2高度7. 507. 507. 357. 337. 30 高度减少量ΔH2 0. 000. 150. 170. 20 3 持久稳定性预测 采用灰色G M 1, 1模型对水凝胶密闭填充材 料进行持久稳定性的灰色预测。 水凝胶试样 1,2 高度随时间的减小值见表1。 设试样1的一系列减小值为原始数据x 0 k {0.1, 0.25, 0.33, 0.4},对实验得到的原始脱 水率数据进行1 - AG O处理,得到生成数据x 1 k {0,1, 0.35, 0.58, 1.08}.构建向量X和矩阵B 表2 生成数据及其预测值 Tab12 The final date and its prediction number k0123 x1 k 10.100.350.681.08 x1 k 10.100.350.671.07 X{0.25, 0.33 0.4} T, B - 1 2 x 1 1x12 1 - 1 2 x 1 2x13 1 - 1 2 x 1 3x14 1 - 0.2251 - 0.5251 - 0.8801 . 得G M1,1的灰色参数a - 0.228, b0.202 8.建立灰色预测模型 x 1 k 10.989 474exp0.228 k - 0.889 474.由此得出生成数据的预测值表2。 使用关联度方法对所建模型进行检验。即原始数据列为x 0 01 , x 0 02 , ⋯, x 0 0 n , 第i个模型标出的 模型指数列为 x 0 i 1 , x 0 i 2 , ⋯, x 0 i n , i1,2,⋯, m [8]。关联系数计算式为[9] ξk min i min k |x 0 0k- x 0 i k| 0.5 max i max k |x 0 0k- x 0 i k| |x 0 0k- x 0 i k| 0.5 max i max k |x 0 0k- x 0 i k| , 关联度r 1 n 6 n k 1ξ i k. 对于试样1,选用一次模型,即i 1时的模型,也就是根据灰色预测模型得到的结果,经过计算ri≈ 1,证明模型精度较好。 同样的做法,可以得到试样2的预测模型,并对1,2试样1个月的高度减小值进行了预测,结果见表3。 表3 试样1, 2高度减小值的预测结果 Tab13 Prediction result of the decrease in height of sample 1and 2cm 时间/d1357911131517192123252729 ΔH1 0. 250. 320. 400. 500. 630. 791. 001. 251. 571. 972. 483. 113. 914. 916. 17 ΔH2 0. 150. 170. 200. 230. 270. 310. 360. 410. 480. 550. 640. 740. 850. 981. 14 703 试样2在一个月的时间内高度减少了1. 14 cm,持久稳定性好于试样1。这是由于亲水性单体的浓度 增大,合成的高聚物的数量也相应增加,交联后形成的三维网络结构更加紧凑,同时亲水性官能团由于亲 水性单体的增加而增多,使得吸收的水更加牢靠地存在于结构当中,保水性能改善。 4 结 论 1 目前矿井普遍采用的密闭墙存在自身局限性。轻质密闭基本无法抵抗瓦斯爆炸冲击波的作用,传 统密闭需要耗费大量的人力、 物力,且施工时间太长。文中提出了一种新型矿用快速胶体防爆密闭墙,它 由防爆外袋和水凝胶内填充材料组成。 2 水凝胶密闭填充材料的变形率与单体添加量、 交联剂浓度、 促凝剂含量有关。随着单体与交联剂 添加量增大,水凝胶内填充材料的弹性模量增大,强度增大,弹性减弱;而促凝剂含量的影响正好与之相 反。另外,水凝胶材料的应力-应变曲线出现了阶段性变化,且分界点的位置由材料本身的形变所决定, 一般出现在纵向形变为50的点处。 3 通过灰色预测方法建立的水凝胶密闭填充材料持久稳定性的预测模型经过关联度的检验和实验 发现,较为准确,能够较好地预测材料的持久稳定性。 参考文献 References [1] 朱晓明.晋城矿区井下综合利用粉煤灰的研究与探索[J ].粉煤灰, 2003, 1 28 - 30. 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Journalof ChangchunU2 niversity of Science and Technology, 1994, 244 429 - 434. 803 西安科技大学学报 2008年 第2期罗振敏等矿井密闭填充材料力学性能分析与稳定性预测 Mechanical analysis and stability prediction of seal2 filling hydrogelmaterial for hermetic wall in coalm ine LUO Zhen2min 1, 2 , GE Ling2mei 1, 2 , DENG Jun 1, 2 , ZHANG Yan2ni 1, 2 , YANG Yong2bin 1, 2 1. School of Energy, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an710054, China;2. Key Laboratory of W estern M ine Exploitation and Hazard Prevention of theM inistry of Education, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an710054, China Abstract Hydrogel material to build her metic wall is one of seal2filling for ms .Effects of monomer, crosslinker, and accelerator content on mechanical of seal2filling hydrogelwere analyzed by the series of single2direction compression experiments . And grey predication by G M 1, 1 model is used to analyze the stability property of hydrogelmaterial . The results show that the bigger elastic modulus and strength of seal2filling hydrogele is, the s maller elastic is, and the higher the monomer and crosslinker content is .In comparison with them, the effect of the accelerator content is diametrically opposed. At the same ti me staggered change of elastic modulus was come forth, its demarcation points generally appeared at the value of 50 of vertical deation. The accuracy of the grey prediction model can be proved. And the concentration of the absorbing2watermonomer of hydrogelmaterial increases . Key words hermetic wall; hydrogels; mechanical property; stability 3Biography LUO Zhen2min,Lecturer, Xi′an 710054, P. R. China, Tel 0086 - 29 - 85583143, E2mail luozm9903163. com 上接第304页 Forecasting of gas em issions based on MG M 1,N model 3 XI AO Peng 1, 2 , L I Shu2gang 1, 2 , ZHANG Jin 1, 2 1. School of Energy, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an710054, China;2. Key Laboratory of W estern M ine Exploitation and Hazard Prevention of theM inistry of Education, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an710054, China AbstractForecasting the gas emissions is most i mportant part for the ventilation planning and safety management of newly2built coal mine or expanded coal mine and for drafting reasonable gas counter2 measures .Increasing research on forecast of gas emissions, and precisely predicting gas emis2 sions are of great i mportance for improving the situation of safety and production of coal mine in China. The gas emissions are affected by other factors that influence each otherwhen forecast it . A new forecast MG M 1,N is put forward model . The parameters of the forecastmodel reflect the variable and influence each other . MG M 1,N can consider synthetically each effect factor and show the exactitude and efficiency of the through setting up the multivariate forecastmodel . Key words MG M 1,N model; gas emissions; forecast 903 3Biography XI AO Peng,Assistant Engineer, Xi′an 710054, P. R. China, Tel 0086 - 13002960395, E2mail xiaopengxust . edu. cn