CN104694191A - 一种含瓦斯煤相似材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含瓦斯煤相似材料及其制备方法，相似材料选择一定粒径分布的煤粉和腐植酸钠水溶液作为原料，其中煤粉作为骨料，腐植酸钠水溶液作为胶结剂；严格按照配比量取一定粒径分布的煤粉、水和腐植酸钠并充分搅拌均匀，将拌和好的混合料倒入钢制模具内，并在压力机下以一定压力将混合料压制成型；将模具拆开，取出成型试件，放置在常温下或干燥箱内干燥。物理力学参数试验表明：材料具有容重、孔隙率与原煤相当；吸附性与原煤十分接近；单轴抗压强度高，力学参数变化范围广等优势，并且材料制作工艺简单,性能稳定，价格低廉，没有任何毒副作用等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种含瓦斯煤相似材料及其制备方法。
背景技术
煤炭是我国长期居支配地位的主要能源，在一次性能源消费结构中，煤炭约占70％，我国的能源结构在相当长的时间内仍以煤炭为主。“十二五”期间我国煤炭需求仍将处上升态势，预计到2015年，我国将达到38亿吨的煤炭需求量。我国是世界上发生煤与瓦斯突出灾害最严重的国家之一，随着开采强度的增大和开采深度的延深，煤与瓦斯突出的危险性随之增大，煤与瓦斯突出危险矿井数目快速增加。我国中东部矿区43对矿井开采深度已达1000m,最大的开采深度超过1300m，我国突出矿井的数量呈迅速增加趋势，2012年已超过1192对，分布于全国26个产煤省中的20个。突出灾害已经成为深部煤炭资源开采所面临的挑战性难题。然而煤与瓦斯突出是一个高度非线性的气固耦合的动力破坏问题，其发生机理十分复杂，目前还没有对瓦斯突出机理和规律的科学解释。地质力学模型试验作为研究煤与瓦斯突出机理的重要手段之一，具有独特的优越性和科学性。
根据相似原理，相似模型及相似材料若能满足原型的相似条件和相似准则，模型试验的结果就能准确地反映所模拟的原型规律。因此，合理的相似材料是模型试验成功的前提和保证。目前有关含瓦斯煤相似材料的研究现状如下：
《内部分かス压じよる多孔质材料の破坏づろやスたついてかス突出た关する研究》公开了以co2的结晶冰、松香或水泥和煤样混合等制成多孔介质，其缺点是用冰、水泥或松香等这些无瓦斯吸附能力的材料做模型，不论其物化性质或力学性质都与煤相差甚远；《含瓦斯煤的突出模拟试验》公开了用1-5mm的突出危险煤层煤样制成型煤并测定了几种物理力学参数；《煤与瓦斯突出模拟实验》公开了选用突出煤层的煤样，在不加任何添加剂条件下压结成型模拟IV、V类煤，并测定了型煤抗压强度与成型压力的关系，由于型煤单纯依靠压力成型，型煤强度很低；《煤与瓦斯突出模拟试验台的研制与应用》公开了用5-100目的煤粉按一定配比在不添加任何添加剂的情况下直接在模型试验台架上压制成型；《煤与瓦斯突出演化过程模拟实验研究》公开了用煤粉和煤焦油制成型煤，通过控制煤粉和煤焦油的配比将煤样预制成具有不同物理力学性质的型煤等。
上述相似材料存在以下不足：材料容重和孔隙率与原煤相差较大；材料吸附性效果差；材料强度低，力学参数变化范围窄等缺点。
地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定的工程问题进行缩尺研究的一种方法，其中模型材料的选择对地质力学模型试验的成功与否起着至关重要的作用。
在煤与瓦斯突出模型试验中，作为模拟含瓦斯煤物理力学特性的相似材料必须具备容重、孔隙率、渗透率和吸附性与原煤一致的基本特点，此外要求相似材料强度变化范围广，能适应不同强度含瓦斯煤的大量试验。众所周知，在煤矿井下开采大体积原煤费时费力，采用人工方法进行组合相似材料是科学可行的。根据前人经验对相似材料的研制，一般应遵循以下基本原则：
(1)相似材料的容重与原煤容重相同时，可以大大简化模型与实际工程物理参数之间的换算，并且可以更好地体现自重应力场的影响，因此选择材料时倾向于选择与原煤重度相当的材料；
(2)煤具有吸附解吸瓦斯的特殊性质，所需的骨料必须具有吸附性，因此选用一定粒度的煤粉作为基本骨料；
(3)根据前人经验，单纯压缩煤粉制成的型煤强度很低，为配制强度较高且调节范围较大的型煤，必须添加胶结剂，所选用的胶结剂在保证型煤强度的同时还必须保证相似材料的吸附解吸特性不受影响；
(4)相似材料力学参数具有较大的可调节范围，以满足不同强度煤体试验要求；
(5)应采用价廉易得的原材料，以降低材料制作成本和模型试验经费；
(6)相似材料制作工艺力求简化，干燥快速，以加快模型试验进程；
(7)对人体无任何毒副作用。
现有的相似材料与其制备方法，均无法同时满足上述要求。因此，需要研发新的相似材料及其制备方法。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种含瓦斯煤相似材料及其制备方法，本相似材料是由一定粒径分布的煤粉为骨料，以腐植酸钠水溶液按照一定配比混合搅拌均匀并压制成型而成的一种复合相似材料，吸附性好，与原煤十分一致；并且具有材料价格低廉、无毒副作用、配比简单、性能稳定且各物理力学参数调节方便等特点，可用来模拟不同强度原煤。为相关含瓦斯煤力学模型试验研究提供良好的材料保证。应用前景广阔。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种含瓦斯煤相似材料，包括煤粉、水和腐植酸钠，其中，煤粉为骨料，且包括不同粒径的煤粉，煤粉总重量与水的重量配比范围为13：1-10：1；腐植酸钠和水配制的溶液作为胶结剂，腐植酸钠和水的质量比范围为1：100-20：100。
所述煤粉的粒径范围为(0，3mm]。
所述煤粉中，粒径为(0，1mm]的煤粉与粒径为(1，3mm]的煤粉的粒径分布质量比范围为4:1-3:1。
所述相似材料抗压强度高，可调范围达0.5-2.8MPa。
优选地，所述煤粉的粒径分布为0.76:0.24。
优选地，所述煤粉和水重量配比为1:0.08。
基于上述相似材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)先把原煤粉碎，筛分出所需粒径的煤粉，按照设定的粒径分布混合均匀；
(2)按照设定值配制腐植酸钠溶液，在煤粉中加入腐植酸钠溶液进一步拌和；
(3)将拌和好的混合料倒入钢制模具内，并在压力机下将混合料压实；
(4)将模具拆开，取出压制成型的试件，在试件表面贴上标签，进行干燥。
所述步骤(3)中，压力机的压强设置为14-16MPa。
所述步骤(4)中，放置在常温下干燥5-8天或干燥箱内35-45℃内干燥8-12h。
干燥后的相似材料试件先称量重量，测量高度，测定真密度，计算容重、密度和孔隙率。随后在试验机上测试材料试件的力学参数，主要包括弹性模量E、泊松比μ、抗压强度σc、抗拉强度σt、内聚力c和内摩擦角。最后将试件粉碎为0.2mm以下作为样品，依据MT/T752—1997《煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)》测定相似材料的吸附性。
材料的吸附性参数在WY-98型吸附常数测定仪上测定，材料的力学参数在电子万能试验机和三轴剪切仪上进行，经过100多组、300多个材料试件的物理力学参数测试，研制成功含瓦斯煤相似材料。
材料物理力学参数试验表明：成型压力15MPa下相似材料的容重、孔隙率与原煤十分接近；相似材料抗压强度高，可调范围达0.5-2.8MPa，抗压强度与胶结剂浓度近似成y＝-0.0025x2+0.1697x+0.454关系；相似材料的吸附性好，与原煤十分一致；并且具有材料价格低廉、无毒副作用、配比简单、性能稳定且各物理力学参数调节方便等特点，可用来模拟不同强度原煤。为相关含瓦斯煤力学模型试验研究提供良好的材料保证。应用前景广阔。
本发明的有益效果为：
(1)相似材料的容重、孔隙率与原煤十分接近；相似材料抗压强度高，可调范围达0.5-2.8MPa，抗压强度与胶结剂浓度近似成y＝-0.0025x2+0.1697x+0.454关系；
(2)相似材料的吸附性好，与原煤十分一致；并且具有材料价格低廉、无毒副作用、配比简单、性能稳定且各物理力学参数调节方便等特点，可用来模拟不同强度原煤；
(3)力学参数变化范围宽，为相关含瓦斯煤力学模型试验研究提供良好的材料保证，应用前景广阔；
(4)选用腐植酸钠溶液作为胶结剂，保证型煤强度的同时还必须保证相似材料的吸附解吸特性不受影响；
(5)制备方法简单、工艺要求低，干燥快速，加快模型试验进程。
附图说明
图1为相似材料试件典型的应力应变关系曲线，其中σ为应力，ε为应变；
图2为两个相同配比相似材料试件和三种不同配比的应力应变关系曲线，其中σ为应力，ε为应变；
图3为相似材料试件的干燥试件曲线；
图4为相似材料试件孔隙率与成型压力的关系曲线；。
图5为相似材料试件容重与成型压力的关系曲线；。
图6为相似材料与原煤吸附等温线对比曲线；
图7为相似材料试件强度与成型压力关系曲线；
图8为相似材料试件强度与胶结剂浓度关系曲线。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定的工程问题进行缩尺研究的一种方法，其中模型材料的选择对地质力学模型试验的成功与否起着至关重要的作用。在煤与瓦斯突出模型试验中，作为模拟含瓦斯煤物理力学特性的相似材料必须具备容重、孔隙率、渗透率和吸附性与原煤一致的基本特点，此外要求相似材料强度变化范围广，能适应不同强度含瓦斯煤的大量试验。众所周知，在煤矿井下开采大体积原煤费时费力，采用人工方法进行组合相似材料是科学可行的。根据前人经验对相似材料的研制，一般应遵循以下基本原则：
(1)相似材料的容重与原煤容重相同时，可以大大简化模型与实际工程物理参数之间的换算，并且可以更好地体现自重应力场的影响，因此选择材料时倾向于选择与原煤重度相当的材料。(2)煤具有吸附解吸瓦斯的特殊性质，所需的骨料必须具有吸附性，因此选用一定粒度的煤粉作为基本骨料。(3)根据前人经验，单纯压缩煤粉制成的型煤强度很低，为配制强度较高且调节范围较大的型煤，必须添加胶结剂。所选用的胶结剂在保证型煤强度的同时还必须保证相似材料的吸附解吸特性不受影响。(4)相似材料力学参数具有较大的可调节范围，以满足不同强度煤体试验要求(5)应采用价廉易得的原材料，以降低材料制作成本和模型试验经费。(6)相似材料制作工艺力求简化，干燥快速，以加快模型试验进程。(7)对人体无任何毒副作用。
根据上述相似材料的研究原则，我们进行了100多组，300多试件的材料物理力学参数测试，研制成功一种新型含瓦斯煤相似材料。它是由一定粒径分布的煤粉为骨料，以腐植酸钠水溶液按照一定配比混合搅拌均匀并压制成型而成的一种复合相似材料。
本发明的含瓦斯煤相似材料的技术方案是：选择原煤并破碎，筛选煤粉作为基本骨料，选择腐植酸钠水溶液作为胶结剂。优选得到的材料配比构成是：煤粉粒径分布为0-1mm:1-3mm＝0.76:0.24，腐植酸钠溶液为胶结剂，水作为溶液的溶剂，其总重为煤粉的8％，溶液的浓度为1％～20％。
本发明含瓦斯煤相似材料的制作工艺是：先把原煤放在破碎机中破碎并筛分粒径分布为0-1mm:1-3mm＝0.76:0.24的煤粉并充分搅拌均匀。将腐植酸钠倒入水中混合配制腐植酸钠溶液，将腐植酸钠溶液倒入煤粉中进一步搅拌。将混合料倒入钢制模具并在压力机下以一定压力压实。最后将模具拆开、取出压制成型的试件，在试件表面贴上标签，放置在常温下或干燥箱(40℃)内干燥。
干燥后的相似材料试件先称量重量，测量高度，测定真密度，计算容重、密度和孔隙率。随后在试验机上测试材料试件的力学参数，主要包括弹性模量E、泊松比μ、抗压强度σc、抗拉强度σt、内聚力c和内摩擦角。最后将试件粉碎为0.2mm以下作为样品，依据MT/T752—1997《煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)》测定相似材料的吸附性。
材料的吸附性参数在WY-98型吸附常数测定仪上测定，材料的力学参数在电子万能试验机和三轴剪切仪上进行，经过100多组、300多个材料试件的物理力学参数测试，研制成功含瓦斯煤相似材料。
采用粒径分布为0-1mm:1-3mm＝0.76:0.24的煤粉为骨料，腐植酸钠溶液作为胶结剂，研制成功一种新型含瓦斯煤相似材料。材料物理力学参数试验表明：成型压力15MPa下相似材料的容重、孔隙率与原煤十分接近；相似材料抗压强度高，可调范围达0.5-2.8MPa，抗压强度与胶结剂浓度近似成y＝-0.0025x2+0.1697x+0.454关系；相似材料的吸附性好，与原煤十分一致；并且具有材料价格低廉、无毒副作用、配比简单、性能稳定且各物理力学参数调节方便等特点，可用来模拟不同强度原煤。为相关含瓦斯煤力学模型试验研究提供良好的材料保证。应用前景广阔。
如图1-图8所示，在粒径分布为0-1mm:1-3mm＝0.76:0.24的煤粉，水占煤粉重量的8％，腐植酸钠浓度为7.5％这种材料配比状态下，按照确定配比和浓度，先把此粒径分布的煤粉充分搅拌均匀，再把腐植酸钠溶入水中配制腐植酸钠溶液胶结剂，将胶结剂倒入煤粉进一步搅拌，最后将混合料倒入钢制模具，在压力机下以15MPa压力将混合料压实。稳定5min后将模具拆开、取出压制成型的试件，放置在干燥箱内(40℃)干燥10h。最后测试干燥后材料试件的物理力学参数。测得相应配比材料的物理力学参数是：材料容重为13.6KN/m2,孔隙率为8.5％,吸附性常数a＝49.65m3/t、b＝0.974MPa-1，试样单轴抗压强度1.6MPa，弹性模量0.26GPa，抗拉强度0.15MPa，内摩擦角29°，内聚力0.16MPa，泊松比0.25。可用来模拟强度不高的煤体。
图1为相似材料试件典型的应力应变关系曲线，其中σ为应力，ε为应变；
图2为两个相同配比相似材料试件和三种不同配比的应力应变关系曲线，其中σ为应力，ε为应变，图2表明相似材料稳定性很好；
图3为相似材料试件的干燥试件曲线，图3表明干燥箱(40℃)干燥能明显加快干燥速度，常温下试件7d能完全干燥，干燥箱条件下10h能完全干燥。
图4为相似材料试件孔隙率与成型压力的关系曲线，图4表明相似材料容重与成型压力P存在＝-0.0011P3+0.0669P2-1.3263P+17.002的关系。
图5为相似材料试件容重与成型压力的关系曲线，图5表明相似材料容重γ与成型压力P存在γ＝-0.0011P3+0.0669P2-1.3263P+17.002的关系。
图6为相似材料与原煤吸附等温线对比曲线，图6表明新型相似材料吸附性与原煤十分接近。
图7为相似材料试件强度与成型压力关系曲线，图7表明相似材料试件强度与成型压力存在Rc＝-0.0019P2+0.0881P+0.7891的关系。
图8为相似材料试件强度与胶结剂浓度关系曲线，图8表明相似材料试件强度与胶结剂浓度存在Rc＝y＝0.1175P+0.6194的关系。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种含瓦斯煤相似材料，其特征是：包括煤粉、水和腐植酸钠，其中，煤粉为骨料，且包括不同粒径的煤粉，煤粉总重量与水的重量配比范围为13：1-10：1；腐植酸钠和水配制的溶液作为胶结剂，腐植酸钠和水的质量比范围为1：100-20：100。
2.如权利要求1所述的一种含瓦斯煤相似材料，其特征是：所述煤粉的粒径范围为(0，3mm]。
3.如权利要求2所述的一种含瓦斯煤相似材料，其特征是：所述煤粉中，粒径为(0，1mm]的煤粉与粒径为(1，3mm]的煤粉的粒径分布质量比范围为4:1-3:1。
4.如权利要求1所述的一种含瓦斯煤相似材料，其特征是：所述相似材料抗压强度高，可调范围达0.5-2.8MPa。
5.如权利要求3所述的一种含瓦斯煤相似材料，其特征是：所述煤粉的粒径分布质量比为76:24。
6.如权利要求1所述的一种含瓦斯煤相似材料，其特征是：所述煤粉和水重量配比为12.5:1。
7.如权利要求1-6中任一项所述的相似材料的制备方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)先把原煤粉碎，筛分出所需粒径的煤粉，按照设定的粒径分布混合均匀；
(2)按照设定值配制腐植酸钠溶液，在煤粉中加入腐植酸钠溶液进一步拌和；
(3)将拌和好的混合料倒入钢制模具内，并在压力机下将混合料压实；
(4)将模具拆开，取出压制成型的试件，在试件表面贴上标签，进行干燥。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征是：所述步骤(3)中，压力机的压强设置为14-16MPa。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征是：所述步骤(4)中，放置在常温下干燥5-8天或干燥箱内35-45℃内干燥8-12h。
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