煤礦反應型高分子材料反應溫度自動測試可靠性研究

＊呂鑫磊 馮慧娟 魏亞雄

（1.山西地寶能源有限公司 山西 030045 2.山西地寶煤炭綜合檢測中心有限公司 山西 030045）

前言

隨著煤礦開采規模的不斷提升、開采深度的增加，井下地質條件復雜多變。在日常的采掘過程中，經常受到巷道冒頂、煤巖體片幫、工作面冒頂、透水等問題的困擾，嚴重影響了煤礦的生產安全[1-3]。反應型高分子材料可以快速地加固圍巖、堵塞裂縫匝道，增加煤巖體圍巖本體的力學性能，如結構承載力、剪切力、防滲漏性等，防止煤礦井下冒頂、片幫、透水、漏風等事故隱患，提高煤炭開采的安全性、可靠性和工作效率[4-7]。

煤礦用反應型高分子材料一般由主料（A料）與催化劑（B料）組成，雙組分混合后反應固化，形成具有一定強度及黏附力的成型材料。雙組份混合反應通常比較劇烈，放出大量熱。這些熱量不僅可能引起材料自身燃燒，同時可能會升高煤巖體的溫度，增加了礦井火災發生的風險[8-10]。2020年5月20日，國家煤礦安監局印發了《煤礦井下反應型高分子材料安全管理辦法（試行）》，該辦法明確規定入庫前和入井使用前必須按照標準對高分子材料的最高反應溫度進行檢測[8]。根據AQ 1116—2020《煤礦加固、堵水、充填和噴涂用高分子材料通用安全技術規范》，煤礦反應型高分子材料最高反應溫度的測定過程包括：將總體積為200mL的測試樣品攪拌充分后倒入直徑50mm的圓柱形容器中，使用電子溫度計插入試樣中心處，判斷最高反應溫度[9]。在實際指向中最高反應溫度測試和讀數通常逐個進行、人工判斷，自動化程度低，所以工作效率很低[11-12]。

筆者研發了一種煤礦反應型高分子材料最高反應溫度自動測定裝置，該裝置可同時實現3個測試樣品反應溫度實時監測，并自動判斷出最高反應溫度，自動讀數。為保證檢測結果的可靠性和有效性，選取5種典型的反應型高分子材料，分別進行裝置自動測試和人工測試，使用F檢驗和t檢驗對測試數據的精密度和平均值進行顯著性驗證，對比結果分析自動測定方法和裝置的可靠性。

1.煤礦反應型高分子材料最高反應溫度自動測定裝置

該自動測定裝置主要由樣品反應裝置、樣品恒溫恒濕箱、鉑電阻溫度計、溫度采集裝置和計算機及數據處理系統五部分組成；樣品反應裝置可將鉑電阻溫度計置于試樣中心處；樣品恒溫恒濕箱可確保高分子材料的A、B料和反應過程在標準試驗條件：溫度（23±2）℃，相對濕度（50±5）%下完成；溫度采集裝置可實現3個測試樣品反應溫度的實時采集；計算機及數據處理系統可自動判斷出試驗終點和結果。煤礦反應型高分子材料最高反應溫度自動測定裝置結構示意圖如圖1所示。

圖1 煤礦反應型高分子材料最高反應溫度自動測定裝置結構示意圖

樣品反應裝置由樣品架和反應容器組成，反應容器為直徑50mm、高102mm的鋁制圓柱形容器，樣品架可同時放置3個反應容器；樣品恒溫恒濕箱可將樣品測定環境控制在標準試驗條件：溫度（23±2）℃，相對濕度（50±5）%；裝置所使用鉑電阻溫度計最大量程200℃，精度0.01℃；溫度采集裝置包括3個接口，可實現對3個鉑電阻溫度計檢測數據的實時采集；計算機可實時繪制3個樣品反應過程中溫度隨時間變化曲線，并自動判斷試驗終點，直接給出高分子材料的最高反應溫度，如3個樣品最高反應溫度的允許偏差大于10%，直接提示試驗作廢。

2.高分子材料反應溫度測定

煤礦加固用高分子材料選用硅酸鹽改性聚氨酯材料（JG PU·SixOy）,堵水用高分子材料選用聚氨酯材料（DS PU），充填密閉用高分子材料選用酚醛樹脂發泡材料（CT PF），噴涂堵漏風用高分子材料選用硅酸鹽改性聚氨酯材料（非泡沫）（PT PU·SixOy(NF)。

溫度人工測試采用JM222型點溫度計，材料混合采用ZLD-500型攪拌機。

按體積比1:1，使用量筒分別量取100mL已恒溫至20℃的高分子材料的A、B料，在攪拌機下攪拌15～30s后，倒入反應容器中，在恒溫恒濕箱內插入溫度計，記錄反應溫度。

3.結果與討論

(1)最高反應溫度

兩種方法得出的不同材料最高反應溫度結果如表1、表2。

表1 自動法不同材料的最高反應溫度

表2 人工法不同材料的最高反應溫度

可以看出：四種材料自動測試的極差Ri均大于人工測試的極差Rj，說明自動測試方法的結果波動小于人工測試方法，結果精密度較好。

(2)結果F檢驗

F檢驗法是通過比較兩種方法測定同一材料最高反應溫度結果的方差比值F=S2j/S2i與F1-a(n-1,n-a)的大小，來確定兩組數據的精密度是否存在顯著性差異。方差計算公式如下[11-14]：

顯著性水平α=0.05，自由度n-1=2，查F分布分位數表得出t1-0.05(2.2)=19.0，兩種方法測定不同材料的最高反應溫度F檢驗結果見表3。

表3 兩種方法不同材料的最高反應溫度F檢驗結果

由表3可知，兩種方法對加固、堵水、充填和噴涂4種不同材料的最高反應溫度F值均小于t1-0.05(2.2)=19.0，說明兩種方法測定煤礦反應型高分子材料最高反應溫度的精密度不存在顯著性差異，隨機誤差均滿足標準要求，且在可控范圍內。

(3)結果t檢驗

由于兩種方法測定同一材料最高反應溫度結果屬于獨立樣本的雙總體t檢驗，先求出其聯合標準差S，計算公式如下[16-19]：

顯著性水平α=0.05，自由度2n-2=4，查t分布分位數表得出t1-0.05/2(4)=2.776，兩種方法測定不同材料的最高反應溫度t檢驗結果見表4。

表4 兩種方法不同材料的最高反應溫度t檢驗結果

由表4可知，兩種方法對加固、堵水、充填和噴涂4種不同材料的最高反應溫度t檢驗的t值均小于t1-0.05/2(4)=2.776，說明兩種方法測定得到的煤礦反應型高分子材料最高反應溫度的平均值不存在顯著性差異，系統誤差均滿足標準要求。

F檢驗和t檢驗法結果顯示，與人工測定反應溫度相同，溫度自動測試裝置對煤礦反應型高分子材料最高反應溫度檢測結果的精密度和平均值均不存在顯著性差異，滿足要求，說明該裝置可用于煤礦加固、堵水、充填和噴涂用高分子材料最高反應溫度的測定。

4.結論

對比了自動測定裝置和人工測試四種高分子材料的最高反應溫度，并就測試結果開展了F檢驗和t檢驗，結果表明：最高反應溫度的精密度和正確度均不存在顯著性差異，所以結果可靠，滿足要求。同時該自動測定裝置符合AQ 1116中的相關技術要求，可同時對3個樣品進行測定，具有自動化程度高、可直接判斷結果等優點。