一種含瓦斯煤相似材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種含瓦斯煤相似材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤炭是我國(guó)長(zhǎng)期居支配地位的主要能源，在一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭約占 70%，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍以煤炭為主。"十二五"期間我國(guó)煤炭需求仍將 處上升態(tài)勢(shì)，預(yù)計(jì)到2015年，我國(guó)將達(dá)到38億噸的煤炭需求量。我國(guó)是世界上發(fā)生煤與瓦 斯突出災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，隨著開(kāi)采強(qiáng)度的增大和開(kāi)采深度的延深，煤與瓦斯突出的 危險(xiǎn)性隨之增大，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)礦井?dāng)?shù)目快速增加。我國(guó)中東部礦區(qū)43對(duì)礦井開(kāi)采深 度已達(dá)1000m，最大的開(kāi)采深度超過(guò)1300m，我國(guó)突出礦井的數(shù)量呈迅速增加趨勢(shì)，2012年 已超過(guò)1192對(duì)，分布于全國(guó)26個(gè)產(chǎn)煤省中的20個(gè)。突出災(zāi)害已經(jīng)成為深部煤炭資源開(kāi)采 所面臨的挑戰(zhàn)性難題。然而煤與瓦斯突出是一個(gè)高度非線性的氣固耦合的動(dòng)力破壞問(wèn)題， 其發(fā)生機(jī)理十分復(fù)雜，目前還沒(méi)有對(duì)瓦斯突出機(jī)理和規(guī)律的科學(xué)解釋。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn) 作為研宄煤與瓦斯突出機(jī)理的重要手段之一，具有獨(dú)特的優(yōu)越性和科學(xué)性。
[0003] 根據(jù)相似原理，相似模型及相似材料若能滿足原型的相似條件和相似準(zhǔn)則，模型 試驗(yàn)的結(jié)果就能準(zhǔn)確地反映所模擬的原型規(guī)律。因此，合理的相似材料是模型試驗(yàn)成功的 前提和保證。目前有關(guān)含瓦斯煤相似材料的研宄現(xiàn)狀如下：
[0004]《內(nèi)部分力以壓I：J： §多孔質(zhì)材料?破壞力以突出fc關(guān)玄蒼研 宄》公開(kāi)了以(：〇2的結(jié)晶冰、松香或水泥和煤樣混合等制成多孔介質(zhì)，其缺點(diǎn)是用冰、水泥或 松香等這些無(wú)瓦斯吸附能力的材料做模型，不論其物化性質(zhì)或力學(xué)性質(zhì)都與煤相差甚遠(yuǎn)； 《含瓦斯煤的突出模擬試驗(yàn)》公開(kāi)了用l-5mm的突出危險(xiǎn)煤層煤樣制成型煤并測(cè)定了幾種物 理力學(xué)參數(shù)；《煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)》公開(kāi)了選用突出煤層的煤樣，在不加任何添加劑條 件下壓結(jié)成型模擬IV、V類煤，并測(cè)定了型煤抗壓強(qiáng)度與成型壓力的關(guān)系，由于型煤?jiǎn)渭円?靠壓力成型，型煤強(qiáng)度很低；《煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)臺(tái)的研制與應(yīng)用》公開(kāi)了用5-100目 的煤粉按一定配比在不添加任何添加劑的情況下直接在模型試驗(yàn)臺(tái)架上壓制成型；《煤與 瓦斯突出演化過(guò)程模擬實(shí)驗(yàn)研宄》公開(kāi)了用煤粉和煤焦油制成型煤，通過(guò)控制煤粉和煤焦 油的配比將煤樣預(yù)制成具有不同物理力學(xué)性質(zhì)的型煤等。
[0005] 上述相似材料存在以下不足：材料容重和孔隙率與原煤相差較大；材料吸附性效 果差；材料強(qiáng)度低，力學(xué)參數(shù)變化范圍窄等缺點(diǎn)。
[0006] 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是根據(jù)一定的相似原理對(duì)特定的工程問(wèn)題進(jìn)行縮尺研宄的一 種方法，其中模型材料的選擇對(duì)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的成功與否起著至關(guān)重要的作用。
[0007] 在煤與瓦斯突出模型試驗(yàn)中，作為模擬含瓦斯煤物理力學(xué)特性的相似材料必須具 備容重、孔隙率、滲透率和吸附性與原煤一致的基本特點(diǎn)，此外要求相似材料強(qiáng)度變化范圍 廣，能適應(yīng)不同強(qiáng)度含瓦斯煤的大量試驗(yàn)。眾所周知，在煤礦井下開(kāi)采大體積原煤費(fèi)時(shí)費(fèi) 力，采用人工方法進(jìn)行組合相似材料是科學(xué)可行的。根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)對(duì)相似材料的研制，一般 應(yīng)遵循以下基本原則：
[0008] (1)相似材料的容重與原煤容重相同時(shí)，可以大大簡(jiǎn)化模型與實(shí)際工程物理參數(shù) 之間的換算，并且可以更好地體現(xiàn)自重應(yīng)力場(chǎng)的影響，因此選擇材料時(shí)傾向于選擇與原煤 重度相當(dāng)?shù)牟牧希?br>[0009] (2)煤具有吸附解吸瓦斯的特殊性質(zhì)，所需的骨料必須具有吸附性，因此選用一定 粒度的煤粉作為基本骨料；
[0010] (3)根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)，單純壓縮煤粉制成的型煤強(qiáng)度很低，為配制強(qiáng)度較高且調(diào)節(jié)范 圍較大的型煤，必須添加膠結(jié)劑，所選用的膠結(jié)劑在保證型煤強(qiáng)度的同時(shí)還必須保證相似 材料的吸附解吸特性不受影響；
[0011] (4)相似材料力學(xué)參數(shù)具有較大的可調(diào)節(jié)范圍，以滿足不同強(qiáng)度煤體試驗(yàn)要求；
[0012] (5)應(yīng)采用價(jià)廉易得的原材料，以降低材料制作成本和模型試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)；
[0013] (6)相似材料制作工藝力求簡(jiǎn)化，干燥快速，以加快模型試驗(yàn)進(jìn)程；
[0014] (7)對(duì)人體無(wú)任何毒副作用。
[0015] 現(xiàn)有的相似材料與其制備方法，均無(wú)法同時(shí)滿足上述要求。因此，需要研發(fā)新的相 似材料及其制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種含瓦斯煤相似材料及其制備方法，本相似 材料是由一定粒徑分布的煤粉為骨料，以腐植酸鈉水溶液按照一定配比混合攪拌均勻并壓 制成型而成的一種復(fù)合相似材料，吸附性好，與原煤十分一致；并且具有材料價(jià)格低廉、無(wú) 毒副作用、配比簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定且各物理力學(xué)參數(shù)調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)，可用來(lái)模擬不同強(qiáng)度原 煤。為相關(guān)含瓦斯煤力學(xué)模型試驗(yàn)研宄提供良好的材料保證。應(yīng)用前景廣闊。
[0017] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0018] -種含瓦斯煤相似材料，包括煤粉、水和腐植酸鈉，其中，煤粉為骨料，且包括不同 粒徑的煤粉，煤粉總重量與水的重量配比范圍為13 :1_10 :1;腐植酸鈉和水配制的溶液作 為膠結(jié)劑，腐植酸鈉和水的質(zhì)量比范圍為1 :100-20 :100。
[0019] 所述煤粉的粒徑范圍為（0, 3mm] 〇
[0020] 所述煤粉中，粒徑為（0,1mm]的煤粉與粒徑為（l，3mm]的煤粉的粒徑分布質(zhì)量比 范圍為4:1-3:1。
[0021] 所述相似材料抗壓強(qiáng)度高，可調(diào)范圍達(dá)0.5-2. 8MPa。
[0022] 優(yōu)選地，所述煤粉的粒徑分布為0. 76:0. 24。
[0023] 優(yōu)選地，所述煤粉和水重量配比為1:0. 08。
[0024] 基于上述相似材料的制備方法，包括以下步驟：
[0025](1)先把原煤粉碎，篩分出所需粒徑的煤粉，按照設(shè)定的粒徑分布混合均勻；
[0026](2)按照設(shè)定值配制腐植酸鈉溶液，在煤粉中加入腐植酸鈉溶液進(jìn)一步拌和；
[0027] (3)將拌和好的混合料倒入鋼制模具內(nèi)，并在壓力機(jī)下將混合料壓實(shí)；
[0028] (4)將模具拆開(kāi)，取出壓制成型的試件，在試件表面貼上標(biāo)簽，進(jìn)行干燥。
[0029] 所述步驟⑶中，壓力機(jī)的壓強(qiáng)設(shè)置為14_16MPa。
[0030] 所述步驟（4)中，放置在常溫下干燥5-8天或干燥箱內(nèi)35-45°C內(nèi)干燥8-12h。
[0031] 干燥后的相似材料試件先稱量重量，測(cè)量高度，測(cè)定真密度，計(jì)算容重、密度和孔 隙率。隨后在試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試材料試件的力學(xué)參數(shù)，主要包括彈性模量E、泊松比y、抗壓強(qiáng) 度〇。、抗拉強(qiáng)度〇t、內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角史。最后將試件粉碎為0.2_以下作為樣品，依 據(jù)MT/T752-1997《煤的甲烷吸附量測(cè)定方法（高壓容量法）》測(cè)定相似材料的吸附性。 [0032] 材料的吸附性參數(shù)在WY-98型吸附常數(shù)測(cè)定儀上測(cè)定，材料的力學(xué)參數(shù)在電子萬(wàn) 能試驗(yàn)機(jī)和三軸剪切儀上進(jìn)行，經(jīng)過(guò)100多組、300多個(gè)材料試件的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試，研 制成功含瓦斯煤相似材料。
[0033] 材料物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)表明：成型壓力15MPa下相似材料的容重、孔隙率與原煤 十分接近；相似材料抗壓強(qiáng)度高，可調(diào)范圍達(dá)〇. 5-2. 8MPa，抗壓強(qiáng)度與膠結(jié)劑濃度近似成y =-0. 0025x2+0. 1697X+0. 454關(guān)系；相似材料的吸附性好，與原煤十分一致；并且具有材料 價(jià)格低廉、無(wú)毒副作用、配比簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定且各物理力學(xué)參數(shù)調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)，可用來(lái)模 擬不同強(qiáng)度原煤。為相關(guān)含瓦斯煤力學(xué)模型試驗(yàn)研宄提供良好的材料保證。應(yīng)用前景廣闊。
[0034] 本發(fā)明的有益效果為：
[0035] (1)相似材料的容重、孔隙率與原煤十分接近；相似材料抗壓強(qiáng)度高，可調(diào)范圍達(dá) 0. 5-2. 8MPa，抗壓強(qiáng)度與膠結(jié)劑濃度近似成y= -0. 0025x2+0.1697X+0.454關(guān)系；
[0036] (2)相似材料的吸附性好，與原煤十分一致；并且具有材料價(jià)格低廉、無(wú)毒副作 用、配比簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定且各物理力學(xué)參數(shù)調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)，可用來(lái)模擬不同強(qiáng)度原煤；
[0037] (3)力學(xué)參數(shù)變化范圍寬，為相關(guān)含瓦斯煤力學(xué)模型試驗(yàn)研宄提供良好的材料保 證，應(yīng)用前景廣闊；
[0038] (4)選用腐植酸鈉溶液作為膠結(jié)劑，保證型煤強(qiáng)度的同時(shí)還必須保證相似材料的 吸附解吸特性不受影響；
[0039] (5)制備方法簡(jiǎn)單、工藝要求低，干燥快速，加快模型試驗(yàn)進(jìn)程。
【附圖說(shuō)明】
[0040]圖1為相似材料試件典型的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，其中〇為應(yīng)力，e為應(yīng)變；
[0041] 圖2為兩個(gè)相同配比相似材料試件和三種不同配比的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，其中〇 為應(yīng)力，e為應(yīng)變；
[0042]圖3為相似材料試件的干燥試件曲線；
[0043]圖4為相似材料試件孔隙率與成型壓力的關(guān)系曲線；。
[0044]圖5為相似材料試件容重與成型壓力的關(guān)系曲線；。
[0045]圖6為相似材料與原煤吸附等溫線對(duì)比曲線；
[0046]圖7為相似材料試件強(qiáng)度與成型壓力關(guān)系曲線；
[0047]圖8為相似材料試件強(qiáng)度與膠結(jié)劑濃度關(guān)系曲線。
【具體實(shí)施方式】：
[0048] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0049]地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是根據(jù)一定的相似原理對(duì)特定的工程問(wèn)題進(jìn)行縮尺研宄的一 種方法，其中模型材