CN102976700B - 用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模型试验中模拟磷矿床软夹层的材料及其制备方法。该模型相似材料以质量份计由以下组分构成：120目天然烘干细河砂6份，800目建筑用石膏粉0.6～0.8份，600目重质碳酸钙粉0.9～1.2份，松木屑粉0.1～0.2份，工业酒精0～0.1份，食用明胶0～0.1份，黏土0.2～0.3份，水1.8～2.0份。本发明还公布了该材料的制备方法。本发明提供的相似材料的强度、弹性模量均较低，延性较强，泊松比较大，且所用材料来源广泛，不含毒害杂质，无污染，制备过程简单，制备效率高，成本低廉，可作为较理想的模拟磷矿床软夹层的模型试验的相似材料。

Description

用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验相似材料及其制备方法，属于材料科学技术领域。该相似材料主要用于磷矿床地下开采中相似材料模型试验研究。

背景技术

目前采矿工程的研究主要依赖四种手段：理论研究、相似材料模型试验、数值分析以及现场工程实测。理论研究往往拘泥于各种理想条件假设，所得结果与真实情况存在较大出入；采用数值分析以理想的理论公理为运算基础，对复杂地质条件的矿山工程，往往受到限制；现场工程实测，往往受制于现有的采矿与测量仪器条件，不能获取足够数据，同时耗费大量的人力、物力、财力。而相似材料模型试验以实验力学为基础，能较好地模拟复杂工程的施工工艺、荷载的作用方式及时问效应等，能研究工程的受力全过程，从弹性到塑性，一直到破坏，用这种试验不仅可以研究工程的正常受力状态，还可以研究工程的极限荷载及破坏形态。随着结构模型试验技术的不断发展和创新而具有独特优势，尤其是对复杂地质条件的矿山工程，采用相似材料模型试验可以有效得到解决。因此，基于相似材料模型试验技术具有上述独特的优越性，该研究手段当前在国内外矿山工程界得到广泛应用。

根据相似理论，在模型试验研究中应采用相似材料来制作模型。因此，是否能够选择一种能够全面、正确反映原型物理力学性能的相似材料对对模型试验的成功与否起着决定性作用，进而决定了整个研究结果的成败。当前，国内外许多从事结构模型试验的单位和个人，都把相似材料的研究作为最重要的内容之一。

目前在我国的矿山开采工程中，特别是位处西南地区的滇池周围区域的磷矿开采中，出现了大量的软弱岩体，一般以规模大小不等的夹层形式赋存于矿体中，此类夹层岩体强度与弹性模量低、延性好，对采矿工程的安全性带来极为不利的影响，因此有必要找出一种合适的模型试验相似材料来模拟此类软夹层以便开展相应的模型试验研究，解决含软夹层磷矿地下开采工程问题。

目前正在使用的模型试验相似材料主要有如下几种：

1、以环氧树脂为胶凝剂的重晶石粉和石灰材料的混合物[Oberti G, Fumagalli E. Static-geomechanical model of the Ridracoliarch-grabity dam, 4^th ISRM, 1979]、清华大学马芳平研制的NIOS模型材料[马芳平, 李仲奎，罗光福.NIOS模型材料及其在地质力学相似模型试验中的应用[J]. 水力发电学报，2004，23（1）：48-51]、中国科学院武汉岩土力学研究所左保成研制的材料[左保成, 陈从新，刘才华等.相似材料试验研究[J]. 岩土力学，2004，25（11）：1805-1808]、中国专利200510104581.4与201110204190.5研制的材料、中国科学院武汉岩土力学研究所陈陆望研制的材料[陈陆望, 白世伟. 脆性岩体岩爆倾向性的相似材料配比试验研究[J]. 岩土力学，2006，27（S）：1050-1054]、山东大学王汉鹏研制的材料[王汉鹏, 李树才，张强勇. 新型地质力学模型试验相似材料的研制 [J]. 岩石力学与工程学报，2006，25（9）：1842-1847]、山东大学张强勇研制的材料[张强勇, 李树才，郭小红. 铁晶砂胶结新型岩土相似材料的研制及其应用[J]. 岩土力学，2008，29（8）：2126-2131]、重庆大学刘建平研制的材料[刘建平, 姜德义，陈结等. 一种岩盐相似材料的试验研究[J]. 岩土力学，2009，30（12）：3660-3664]、山东大学李利平研制的材料[李利平, 李树才，张庆松. 一种新型高分子注浆材料的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2010，29（S1）：3150-3156]、四川大学李弋研制的材料[李弋, 张少杰，徐进等. 混泥土高坝动力模型材料的试验研究[J]. 岩土力学，2011，32（3）：757-761]、重庆大学任松研制的材料[任松, 郭松涛，姜德义等. 岩盐蠕变相似模型及相似材料研究[J]. 岩土力学，2011，32（S1）：106-110]、中国矿业大学韩涛研制的材料[韩涛, 杨维好，杨志江等. 多孔介质固液耦合相似材料的研制[J]. 岩土力学，2011，32（5）：1411-1417]、华北水利水电学院董金玉研制的材料[董金玉, 杨继红，杨国香等. 基于正交设计的模型试验相似材料的配比试验研究[J]. 煤炭学报，2012，37（1）：44-49].上述类型材料均具备较高的强度与弹性模量，主要用来模拟模型较完整、较坚固与中等坚固的岩体，不适合用来模拟强度较低的软夹层，且材料制备过程中存在高温固化问题，能耗较大，部分材料的固化过程中存在少量的有毒气体。

2、武汉水利电力大学韩伯鲤研制的MIB材料[韩伯鲤, 陈霞龄，宁一乐等.岩体相似材料的研究[J]. 武汉水利电力大学学报，1997，30（2）：6-9]、中国中国专利200910061808.X、201110225121.8以及201110225644.7研制的材料、浙江工业职业技术学院杜时贵研制的材料[杜时贵, 黄曼，罗战友等. 岩石结构面力学原型试验相似材料研究[J]. 岩石力学与工程学报，2010，29（10）：2263-2270]、山东大学李树忱研制的材料[李树忱, 冯现大，李术才等. 新型固流耦合相似材料的研究及其应该用[J]. 岩石力学与工程学报，2010，29（2）：281-288].上述类型材料具备较低的强度与弹性模量，主要用来模拟岩体中的软弱结构面、软岩体，且材料来源广泛，价格低廉，无毒无害，但该类型材料延性不够，不能够模拟深部岩体材料所处高温高压特殊环境下的延性特征，特别是西南滇池区域寒武纪梅树村组经历过高温高压特殊环境沉积而成的磷矿床软岩夹层，且该类型材料中的金属材料配料外膜一旦脱落容易生锈，影响材料的稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述模型材料的缺点，提供一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验相似材料。本发明的另一目的是提供一种制备上述可用于模拟磷矿床软夹层的模型试验相似材料得制备方法。

本发明所述的用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料，该材料按照质量组分计由以下组分构成：120目天然烘干细河砂6份，800目建筑用石膏粉0.6～0.8份，600目重质碳酸钙粉0.9～1.2份，松木屑粉0.1～0.2份，工业酒精0～0.1份，食用明胶0～0.1份，黏土0.2～0.3份，水1.8～2.0份。

    所述的120目天然烘干细河砂，其烘干温度为105摄氏度，烘干时间为12小时。

所述的800目建筑用石膏，其主要成分为b型半水石膏，初凝时间≦3分钟，终凝时间≦8分钟。

所述的工业酒精纯度为75%。

所述的粘土，其主要成分为高岭石，属于工业软质粘土。

所述的水为符合国家生活饮用水卫生标准的自来水。

本发明所述的一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料的制备方法，其方法包括以下步骤：

1）按照比例称取120目天然烘干细河砂、800目建筑用石膏粉、600目重质碳酸钙粉、松木屑粉、食用明胶、黏土；

2）将1）所述的原料倒入搅拌机，均匀搅拌8～10分钟；

3）按照比例称取纯度为75%工业酒精，并将其加入到步骤2）所述的混合料，作进一步的充分搅拌，均匀搅拌3～5分钟，得混合料；

4）按照比例称取符合国家生活饮用水卫生标准的自来水，将其加入到步骤3）所述的混合料，随后进行均匀搅拌3～5分钟，得混合料；

5）将步骤4）所述的混合料倒入预制的高径尺寸为100mm×50mm圆柱体成型钢制磨具中，用振动棒震荡3～5分钟，使混合材料均匀，并去除混合材料中的气体，最后将模型材料表面平整、光滑；

6）将5）所述的制作好成型模型放入烘箱，温度控制在36～40℃，养护2周后供模型试验使用。

本发明所述的该材料采用120目天然烘干细河砂与600目重质碳酸钙粉作为基本骨料；800目建筑用石膏作为胶凝材料，增强模型材料硬化后的延性特征；采用松木屑粉、工业酒精、食用明胶、粘土、水作为调节剂，控制模型材料的强度与弹性模量，调节模型材料颗粒间的摩擦系数与结合度，使模型材料与现实工程的岩体相似性更加贴近，能满足模拟不同性能的磷矿床软夹层的需要。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、采用120目天然烘干细河砂与600目重质碳酸钙粉作为基本骨料制作而成模型材料与实际磷矿床软夹层力学性质比较接近，提高了模型试验结果的准确度。

2、采用800目建筑用石膏作为胶凝材料，建筑石膏是将天然H水石膏等原料在107℃～170℃的温度下煅烧成熟石膏，再经磨细而成的白色粉状物。其主要成分为b型半水石膏。建筑石膏硬化后具有很好的绝热吸音性能和较好的防火性能吸湿性能，可增强模型材料硬化后的延性特征，能够在一定程度上模拟深部岩体材料所处高温高压特殊环境下的延性特征，特别是西南滇池区域寒武纪梅树村组经历过高温高压特殊环境沉积而成的磷矿床软岩夹层，使得模型试验研究与工程实践更为接近，相应的研究成果与现场吻合度更高。

3、采用松木屑粉、工业酒精、食用明胶、粘土、水作为调节剂，控制模型材料的强度与弹性模量，调节模型材料颗粒间的摩擦系数与结合度，提高了材料之间的粘结性，使模型材料与现实工程的岩体相似性更加贴近，可以增大相似材料力学参数的变化范围，能满足模拟不同性能的磷矿床软夹层的需要。

4、本发明所使用的各组成受外界环境影响很小，各组成之间不会发生相互反映，且该类型材料不存在金属材料配料外膜脱落生锈、毒害以及污染的问题，使得材料在自然条件下的力学性质较为稳定，且在材料的制备和使用过程中不会对人体造成伤害。

5、本发明所用的材料来源广泛，整个材料的制备过程简单，仅需要对原料进行简单的搅拌与常规的烘干、护养，其余制备均在室温下进行，因而耗能低，制备效率高，成本低廉。

6、能够控制胶凝材料的初凝与终凝时间，同时通过松木屑粉、工业酒精、食用明胶、粘土、水作等调节剂可以调节材料的可塑性与颗粒空隙度，更贴近现场工程实际情况。

附图说明

附图1为相似材料的标准试样在单轴压缩条件下的应力应变曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不限于实施例。在实施例中，除有特别说明，所有百分含量均为质量百分数。

实施例1

一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验相似材料，其质量组分为：120目天然烘干细河砂6份，800目建筑用石膏粉0.6份，600目重质碳酸钙粉0.9份，松木屑粉0.2份，工业酒精0.1份，食用明胶0.1份，黏土0.2份，水1.8份。

制备方法，包括以下步骤：

1）严格按照比例称取120目天然烘干细河砂、800目建筑用石膏粉、600目重质碳酸钙粉、松木屑粉、食用明胶、黏土；

2）将1）所述的原料倒入搅拌机充分搅拌，均匀搅拌10分钟；

3）严格按照比例称取纯度为75%工业酒精，并将其加入到2）所述的混合料，作进一步的充分搅拌，均匀搅拌5分钟；

4）严格按照比例称取符合国家生活饮用水卫生标准的自来水，将将其加入到3）所述的混合料，随后进行均匀搅拌5分钟；

5）将4）所述的混合料倒入预制的高径尺寸为100mm×50mm圆柱体成型钢制磨具中，用振动棒震荡5分钟，使混合材料均匀，并去除混合材料中的气体，最后将模型材料表面平整、光滑；

6）将5）所述的制作好成型模型放入烘箱，温度控制在40℃，养护2周后供模型试验使用。

实施例2

一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验相似材料，其质量组分为：120目天然烘干细河砂6份，800目建筑用石膏粉0.8份，600目重质碳酸钙粉0.9份，松木屑粉0.1份，工业酒精0份（步骤3是有酒精的称取工艺），食用明胶0.1份，黏土0.3份，水1.8份。

制备方法，包括以下步骤：

1）严格按照比例称取120目天然烘干细河砂、800目建筑用石膏粉、600目重质碳酸钙粉、松木屑粉、食用明胶、黏土；

2）将1）所述的原料倒入搅拌机充分搅拌，均匀搅拌10分钟；

3）严格按照比例称取纯度为75%工业酒精（0份酒精？），并将其加入到2）所述的混合料，作进一步的充分搅拌，均匀搅拌5分钟；

4）严格按照比例称取符合国家生活饮用水卫生标准的自来水，将其加入到3）所述的混合料，随后进行均匀搅拌5分钟；

5）将4）所述的混合料倒入预制的高径尺寸为100mm×50mm圆柱体成型钢制磨具中，用振动棒震荡5分钟，使混合材料均匀，并去除混合材料中的气体，最后将模型材料表面平整、光滑；

6）将5）所述的制作好成型模型放入烘箱，温度控制在40℃，养护2周后供模型试验使用。

实施例3

一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验相似材料，其质量组分为：120目天然烘干细河砂6份，800目建筑用石膏粉0.8份，600目重质碳酸钙粉1.2份，松木屑粉0.1份，工业酒精0.1份，食用明胶0.1份，黏土0.2份，水2.0份。

制备方法，包括以下步骤：

1）严格按照比例称取120目天然烘干细河砂、800目建筑用石膏粉、600目重质碳酸钙粉、松木屑粉、食用明胶、黏土；

2）将1）所述的原料倒入搅拌机充分搅拌，均匀搅拌10分钟；

3）严格按照比例称取纯度为75%工业酒精，并将其加入到2）所述的混合料，作进一步的充分搅拌，均匀搅拌5分钟；

4）严格按照比例称取符合国家生活饮用水卫生标准的自来水，将将其加入到3）所述的混合料，随后进行均匀搅拌5分钟；

5）将4）所述的混合料倒入预制的高径尺寸为100mm×50mm圆柱体成型钢制磨具中，用振动棒震荡5分钟，使混合材料均匀，并去除混合材料中的气体，最后将模型材料表面平整、光滑；

6）将5）所述的制作好成型模型放入烘箱，温度控制在40℃，养护2周后供模型试验使用。

实施例4

一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验相似材料，其质量组分为：120目天然烘干细河砂6份，800目建筑用石膏粉0.7份，600目重质碳酸钙粉1.0份，松木屑粉0.1份，工业酒精0.1份，食用明胶0.1份，黏土0.3份，水1.8份。

制备方法，包括以下步骤：

1）严格按照比例称取120目天然烘干细河砂、800目建筑用石膏粉、600目重质碳酸钙粉、松木屑粉、食用明胶、黏土；

2）将1）所述的原料倒入搅拌机充分搅拌，均匀搅拌10分钟；

3）严格按照比例称取纯度为75%工业酒精，并将其加入到2）所述的混合料，作进一步的充分搅拌，均匀搅拌5分钟；

4）严格按照比例称取符合国家生活饮用水卫生标准的自来水，将将其加入到3）所述的混合料，随后进行均匀搅拌5分钟；

5）将4）所述的混合料倒入预制的高径尺寸为100mm×50mm圆柱体成型钢制磨具中，用振动棒震荡5分钟，使混合材料均匀，并去除混合材料中的气体，最后将模型材料表面平整、光滑；

6）将5）所述的制作好成型模型放入烘箱，温度控制在40℃，养护2周后供模型试验使用。

实施例5

一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验相似材料，其质量组分为：120目天然烘干细河砂6份，800目建筑用石膏粉0.6份，600目重质碳酸钙粉1.1份，松木屑粉0份，工业酒精0.1份，食用明胶0.1份，黏土0.3份，水1.8份。

制备方法，包括以下步骤：

1）严格按照比例称取120目天然烘干细河砂、800目建筑用石膏粉、600目重质碳酸钙粉、松木屑粉、食用明胶、黏土；

2）将1）所述的原料倒入搅拌机充分搅拌，均匀搅拌10分钟；

3）严格按照比例称取纯度为75%工业酒精，并将其加入到2）所述的混合料，作进一步的充分搅拌，均匀搅拌5分钟；

4）严格按照比例称取符合国家生活饮用水卫生标准的自来水，将将其加入到3）所述的混合料，随后进行均匀搅拌5分钟；

5）将4）所述的混合料倒入预制的高径尺寸为100mm×50mm圆柱体成型钢制磨具中，用振动棒震荡5分钟，使混合材料均匀，并去除混合材料中的气体，最后将模型材料表面平整、光滑；

6）将5）所述的制作好成型模型放入烘箱，温度控制在40℃，养护2周后供模型试验使用。

Claims (7)

1.一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料，其特征是，该材料按照质量组分计由以下组分构成：120目天然烘干细河砂6份，800目建筑用石膏粉0.6～0.8份，600目重质碳酸钙粉0.9～1.2份，松木屑粉0.1～0.2份，工业酒精0～0.1份，食用明胶0～0.1份，黏土0.2～0.3份，水1.8～2.0份;所述的用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料按以下方法制得，

1）按照比例称取120目天然烘干细河砂、800目建筑用石膏粉、600目重质碳酸钙粉、松木屑粉、食用明胶、黏土；

2）将1）所述的原料倒入搅拌机，均匀搅拌8～10分钟；

3）按照比例称取纯度为75%工业酒精，并将其加入到步骤2）所述的混合料，作进一步的充分搅拌，均匀搅拌3～5分钟，得混合料；

4）按照比例称取符合国家生活饮用水卫生标准的自来水，将其加入到步骤3）所述的混合料，随后进行均匀搅拌3～5分钟，得混合料；

5）将步骤4）所述的混合料倒入预制的高径尺寸为100mm×50mm圆柱体成型钢制磨具中，用振动棒震荡3～5分钟，使混合材料均匀，并去除混合材料中的气体，最后将模型材料表面平整、光滑；

6）将5）所述的制作好成型模型放入烘箱，温度控制在36～40℃，养护2周后供模型试验使用。

2.按照权利要求1所述的用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料，其特征是，所述的120目天然烘干细河砂，其烘干温度为105摄氏度，烘干时间为12小时。

3.按照权利要求1所述的用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料，其特征是，所述的800目建筑用石膏，其主要成分为b型半水石膏，初凝时间≦3分钟，终凝时间≦8分钟。

4.按照权利要求1所述的用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料，其特征是，所述的工业酒精纯度为75%。

5.按照权利要求1所述的用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料，其特征是，所述的黏土，其主要成分为高岭石，属于工业软质黏土。

6.按照权利要求1所述的用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料，其特征是，所述的水为符合国家生活饮用水卫生标准的自来水。

7.按照权利要求1所述的一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

1）按照比例称取120目天然烘干细河砂、800目建筑用石膏粉、600目重质碳酸钙粉、松木屑粉、食用明胶、黏土；

2）将1）所述的原料倒入搅拌机，均匀搅拌8～10分钟；

3）按照比例称取纯度为75%工业酒精，并将其加入到步骤2）所述的混合料，作进一步的充分搅拌，均匀搅拌3～5分钟，得混合料；

4）按照比例称取符合国家生活饮用水卫生标准的自来水，将其加入到步骤3）所述的混合料，随后进行均匀搅拌3～5分钟，得混合料；

5）将步骤4）所述的混合料倒入预制的高径尺寸为100mm×50mm圆柱体成型钢制磨具中，用振动棒震荡3～5分钟，使混合材料均匀，并去除混合材料中的气体，最后将模型材料表面平整、光滑；

6）将5）所述的制作好成型模型放入烘箱，温度控制在36～40℃，养护2周后供模型试验使用。