CN107117919A - 一种煤层相似材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤层相似材料及其制备方法，原料质量百分比为：煤粉15～36%，铝酸盐水泥18～45%，石膏10%～35%，活性炭0.5～3.6%，聚羧酸减水剂0.4～1.8%，十二烷基磺酸钠0.2～1.0%，羧甲基纤维素0.3%～1.5%，水10～35%。按比例称取原料；将煤粉、铝酸盐水泥、石膏、活性炭和羧甲基纤维素混合均匀，制成粉料A；将聚羧酸减水剂和十二烷基磺酸钠加入水，搅拌均匀，制成液料B；将粉料A加入液料B中，混合均匀；然后将其放入模具中，压制成型；将成型后材料养护14d，即得到相似材料。所述相似材料与真实煤层接近，且制备方法简单、操作容易、稳定性好，具有广泛的实用性。

Description

一种煤层相似材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种煤层相似材料及其制备方法，具体涉及一种适用于模拟不同强度高突煤层的相似材料及其制备方法。
背景技术
中国是一次能源以煤为主的国家，煤炭作为最主要的能源，在一次能源生产和消费结构中占70%左右。2015年全国原煤产量37.5亿吨，占全球总产量的47.7%，而煤炭消费量占全球总量的50.0%。据权威机构预测，在未来的30~50年内，随着新能源、可再生能源、水电和核电的发展和推广，煤炭在一次能源结构中的比重将不断下降，但煤炭在我国能源构成中仍将处于主导地位。研究煤层在人类活动影响下的受力、变形、破坏等过程，对于解决采矿工程中的相关科学问题、揭示煤层开采中相关规律具有重要意义。采用实验方法开展研究时往往需要大量煤样，然而煤样的采集与制备具有难度大、成本高、成功率低等缺点，严重制约了实验研究的深入开展。
采用相似材料代替煤样是目前实验研究中较为常用的一种方法，其中相似材料配比和制备方法对模拟煤样的性能具有很大影响。目前常用的相似材料多是通过煤粉添加一些胶结剂后制成，相似材料制成后的力学参数、孔隙度、吸附性等与真实煤层差异较大，难以满足科学研究的要求。因此，需要开发新的煤层相似材料及其制备方法，为煤层相似实验的开展提供保障。
发明内容
本发明旨在提供一种煤层相似材料及其制备方法，该材料的力学参数、吸附特性、孔隙度等与真实煤体较为接近。
本发明提供了一种煤层相似材料，包括以下质量百分比的组分：
煤粉：15～36%，
铝酸盐水泥：18～45%，
石膏：10%～35%，
活性炭：0.5～3.6%，
聚羧酸减水剂：0.4～1.8%，
十二烷基磺酸钠：0.2～1.0%，
羧甲基纤维素：0.3%～1.5%，
水：10～35%。
所述的煤层相似材料中，煤粉的粒径范围为60目~80目；活性炭的粒径范围为100目~150目；所述聚羧酸减水剂为粉剂。
本发明提供了上述煤层相似材料的制备方法，包括以下步骤：
a）、按比例称取制备相似材料的各种原料；
b）、将煤粉、铝酸盐水泥、石膏、活性炭和羧甲基纤维素混合并搅拌均匀，制成粉料A；
c）、将聚羧酸减水剂和十二烷基磺酸钠加入水，并搅拌均匀，制成液料B；
d）、将粉料A加入液料B中，充分搅拌混合均匀；
e）、将混合好的材料放入模具中，压制成型；
f）、将成型后的材料养护14d后，即得到相似材料。
所述步骤e）中，将混合好的材料放入模具中，使用压力机在15~30MPa压力下压制20~40min，然后脱模成型。
所述养护环境为：温度为25℃、湿度≥95%，养护时间为14~21d。
本发明提供的煤层相似材料，其基体组分中增加了煤粉、活性炭，保障了相似材料在孔隙度、吸附性方面与真实煤层保持相似，为模拟真实煤层孔隙/吸附特性变化提供了可能；本发明通过改变组分中铝酸盐水泥、石膏和羧甲基纤维素的配比，可以实现相似材料抗压强度在0.5~3.5MPa的调整，提高了材料的模拟度。
本发明的有益效果：
（1）本发明提供的煤层相似材料，在制成后的力学参数、孔隙度、吸附性等与真实煤层接近，相似模拟度较高，能够满足多种科学研究需求，具有良好的应用前景；
（2）本发明所得相似材料强度可调范围较大，通过改变配比可以实现抗压强度在0.5~3.5MPa的调整，能够满足不同强度煤层相似材料的模拟要求，适用范围较广；
（3）本发明相似材料的制备方法简单、操作容易、可靠性高、稳定性好，可以为科学研究提供有效保障，有利于相似模拟实验的准确预测和可重复性；
（4）本发明所得相似材料成本低廉，使得本发明具有广泛的实用性。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
各组分的质量百分比如下：煤粉18.0%，铝酸盐水泥38.0%，石膏15.5%，活性炭2.5%，聚羧酸减水剂1.1%，十二烷基磺酸钠0.4%，羧甲基纤维素0.5%，水24.0%；
将上述物质按质量百分比分别称取作为原料，其中取出的煤粉粒径范围为60目~80目，活性炭粒径范围为100目~150目；将取出的煤粉、铝酸盐水泥、石膏、活性炭和羧甲基纤维素混合并搅拌均匀，制成粉料A；将聚羧酸减水剂和十二烷基磺酸钠加入水，并搅拌均匀，制成液料B；将粉料A加入液料B中，充分搅拌混合均匀；将混合好的材料放入模具中，在15MPa压力下压制30min，然后脱模成型；将成型后的材料在温度为25℃、湿度≥95%的环境中养护14d，即得到煤层相似材料。
经检测，本实施例得到的相似材料抗压强度为3.11MPa，抗剪强度为0.52MPa；该相似材料的孔隙度为6.88%、Langmuir体积为21.44ml/g、Langmuir压力为1.83MPa，孔隙结构、吸附特性与高突煤层相似，有利于相似模拟实验的准确预测和可重复性。
实施例2：
各组分的质量百分比如下：煤粉30.0%，铝酸盐水泥25.0%，石膏23.5%，活性炭1.2%，聚羧酸减水剂0.8%，十二烷基磺酸钠0.6%，羧甲基纤维素0.9%，水18.0%；
将上述物质按质量百分比分别称取作为原料，其中取出的煤粉粒径范围为60目~80目，活性炭粒径范围为100目~150目；将取出的煤粉、铝酸盐水泥、石膏、活性炭和羧甲基纤维素混合并搅拌均匀，制成粉料A；将聚羧酸减水剂和十二烷基磺酸钠加入水，并搅拌均匀，制成液料B；将粉料A加入液料B中，充分搅拌混合均匀；将混合好的材料放入模具中，在15MPa压力下压制30min，然后脱模成型；将成型后的材料在温度为25℃、湿度≥95%的环境中养护14d，即得到煤层相似材料。
经检测，本实施例得到的相似材料抗压强度为1.78MPa，抗剪强度为0.45MPa。该相似材料的孔隙度为4.75%、Langmuir体积为23.05ml/g、Langmuir压力为1.21MPa，孔隙结构、吸附特性与松软高突煤层相似，且具有较好的可靠性与稳定性，可以广泛应用于松软高突煤层的相关科学研究中。

Claims (7)

1.一种煤层相似材料，其特征在于：包括以下质量百分比的组分：
煤粉：15～36%，
铝酸盐水泥：18～45%，
石膏：10%～35%，
活性炭：0.5～3.6%，
聚羧酸减水剂：0.4～1.8%，
十二烷基磺酸钠：0.2～1.0%，
羧甲基纤维素：0.3%～1.5%，
水：10～35%。
2.根据权利要求1所述的煤层相似材料，其特征在于：所述煤粉的粒径范围为60目~80目。
3.根据权利要求1所述的煤层相似材料，其特征在于：所述活性炭的粒径范围为100目~150目。
4.根据权利要求1所述的煤层相似材料，其特征在于：所述聚羧酸减水剂为粉剂。
5.一种权利要求1~4任一项所述的煤层相似材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a）、按比例称取制备相似材料的各种原料；
b）、将煤粉、铝酸盐水泥、石膏、活性炭和羧甲基纤维素混合并搅拌均匀，制成粉料A；
c）、将聚羧酸减水剂和十二烷基磺酸钠加入水，并搅拌均匀，制成液料B；
d）、将粉料A加入液料B中，充分搅拌混合均匀；
e）、将混合好的材料放入模具中，压制成型；
f）、将成型后的材料养护14d后，即得到相似材料。
6.根据权利要求5所述的煤层相似材料的制备方法，其特征在于：所述步骤e）中，将混合好的材料放入模具中，使用压力机在15~30MPa压力下压制20~40min，然后脱模成型。
7.根据权利要求5所述的煤层相似材料的制备方法，其特征在于：所述养护环境为：温度为25℃、湿度≥95%，养护时间为14~21d。
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