CN108344617B - 一种兼具突出和冲击特性的煤的相似材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼具突出和冲击特性的煤的相似材料的制备方法，将相似材料的各组分进行混合并搅拌均匀，称取质量为m1的相似材料填入成型模具，设定成型参数进行压制；试件脱模并测量质量为m1的相似材料的成型试件的高度h1，计算成型试件的密度ρ；根据研究需要制作高度为h2的试件，称取质量为m2的相似材料填入成型模具，设定成型参数进行压制；试件脱模、养护，制作完成；相似材料包括煤粉、水泥、腐殖酸钠和水，煤粉的重量和水泥的重量比范围为7:3‑8:2；水的重量与煤粉和水泥的总重量比范围为1:12.5‑1:10；腐殖酸钠的重量和水的重量比范围为0.15:1‑0.35:1。本发明所需材料种类少，成本低廉，具有广泛的实用性。

Description

一种兼具突出和冲击特性的煤的相似材料的制备方法
技术领域
本发明属于类岩石材料制备技术领域，尤其涉及一种兼具突出和冲击特性的煤的相似材料的制备方法。
背景技术
我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭在我国能源结构中占有重要地位。然而，煤炭资源作为一种非可再生能源，其在我国地域分布不均以及地区需求不均使得我国的煤炭资源面临的形式也极为严峻，为满足对煤炭资源高强度需求，我国的东部矿井不得不转向深部开采且开采深度逐年增加，近年来这种趋势愈加明显。随着煤矿向深部开采，受高温、高地压、高岩溶水以及瓦斯影响愈加显著，一些矿井动力灾害既表现出煤与瓦斯突出的部分特征，又有冲击地压的部分特征，两种动力灾害互为共存、互相影响、相互复合。因此，深部含瓦斯煤层的突出-冲击耦合特征需要进一步深入研究。
考虑到煤本身节理裂隙高度发育，选用天然煤样存在取样成功率极低以及即使制取试件其力学特性也存在较大的离散性，很难对某些指标开展具体的量化研究。采用相似材料配制与原煤力学特性相似的材料进行研究已成为一种公认的合理方法和有效手段。发明专利CN 103771781 A公开了一种用于煤与瓦斯突出模拟实验的相似材料及其制备方法，具体适用于模拟Ⅲ～Ⅴ类破坏煤的物理力学性质及瓦斯吸附特性；发明专利CN 104694191A公开了一种含瓦斯煤相似材料及其制备方法，相似材料抗压强度可调范围达0.5-2.8MPa；发明专利CN 107117919 A公开了一种煤层相似材料及其制备方法，可实现抗压强度在0.5-3.5MPa的调整。不难发现，以上主要基于软煤的突出特性开展研究，较少考虑深部具有突出危险性的含瓦斯煤层的冲击特性。因此，需要研发新的相似材料及其制备方法，以期为矿井深部开采复合动力灾害(突出-冲击)的研究提供一种合理方法和有效手段。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种兼具突出和冲击特性的煤的相似材料的制备方法，为矿井深部开采复合动力灾害(突出-冲击)的研究提供一种合理方法和有效手段。
为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种兼具突出和冲击特性的煤的相似材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤(a)、将确定的相似材料的各组分进行混合并搅拌均匀，称取搅拌均匀后的质量为m1的相似材料填入成型模具，设定成型参数进行压制；
步骤(b)、试件脱模并测量质量为m1的相似材料的成型试件高度h1，计算成型试件的密度ρ；
步骤(c)、根据研究需要制作高度为h2的试件，称取质量为m2的相似材料填入成型模具，设定成型参数进行压制；
步骤(d)、试件脱模、养护，制作完成；
所述相似材料包括煤粉、水泥、腐殖酸钠和水，其中煤粉的重量和水泥的重量比范围为7:3-8:2；水的重量与煤粉和水泥的总重量比范围为1:12.5-1:10；腐殖酸钠的重量和水的重量比范围为0.15:1-0.35:1。
进一步，所述煤粉为粒径[0.250mm，0.425mm]和粒径0.180mm的混合物，其中粒径为[0.250mm，0.425mm]和0.180mm煤粉的重量比范围为2:5-3:4。
进一步，所述水泥为CA50-Ⅱ(G6)型高强度水泥。
进一步，步骤(a)中所述成型参数包括加载方式、加载速度、成型压力及保压时间。
进一步，步骤(a)中所述成型参数与步骤(c)中所述成型参数相同。
进一步，步骤(a)中所述成型模具与步骤(c)中所述成型模具的形状相同，都为半径为r，高度为h3的圆柱形结构，其中h3＞h1且h3＞h2。
进一步，步骤(b)中所述成型试件的密度ρ为：ρ＝m1/(πr2h1)。
进一步，所述步骤(c)中m2满足m2＝ρπr2h2＝m1h2/h1。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明提供的煤层相似材料，能够兼具突出和冲击特性且利用本发明制成的试件进行系统的量化研究，可为后期的大型相似模拟实验提供必备的基础参数，而且对于冲击地压-煤与瓦斯突出等煤矿复合动力灾害的防治也具有积极意义。
2.本发明配置的相似材料在满足相似性的前提下，均一性、均质度均较好，能够满足强度的统一，克服了煤由于节理裂隙高度发育造成的试件难以加工成型，强度差异性较大的难题，为对煤(煤-岩)进行量化研究提供了可靠、有效保证。
3.本发明提出的制备方法可精确配制任一尺寸的相似材料，试件一次成型无需后续切割打磨且具有精度高，工艺简单的特点。
4.本发明所需材料种类少，成本低廉，具有广泛的实用性。
附图说明
图1为实施例1相似材料试件与原煤试件的等温吸附曲线。
图2为实施例1相似材料试件的应力-应变关系曲线。
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。
实施例1
一种兼具突出和冲击特性的煤的相似材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤(a)、将确定的相似材料的各组分进行混合并搅拌均匀，称取搅拌均匀后的质量为m1(270g)的相似材料填入成型模具，设定成型参数进行压制；
步骤(b)、试件脱模并测量质量为m1(270g)的相似材料的成型试件高度h1(9.89cm)，计算成型试件的密度ρ(1.39g·cm-3)；
步骤(c)、根据研究需要制作高度为h2(10cm)的试件，称取质量为m2(273g)的相似材料填入成型模具，设定成型参数进行压制；
步骤(d)、试件脱模、养护，制作完成。
所述步骤(a)和步骤(b)中质量为m1(270g)的相似材料与所述步骤(c)中质量为m2(273g)的相似材料的组分及各组分比例相同，都包括煤粉、水泥、腐殖酸钠和水，其中煤粉的重量和水泥的重量比为7:3；水的重量与煤粉和水泥的总重量比为1:11；腐殖酸钠的重量和水的重量比为0.35:1。
所述煤粉为粒径[0.250mm，0.425mm]和粒径0.180mm的混合物，其中粒径为[0.250mm，0.425mm]和0.180mm煤粉的重量比为3:4。
所述水泥为CA50-Ⅱ(G6)型高强度水泥。
步骤(a)中所述成型参数包括：加载方式为负荷加载、加载速度为300N/s、成型压力为40MPa、保压时间为15min。
步骤(a)中所述成型参数与步骤(c)中所述成型参数相同。
步骤(a)中所述成型模具与步骤(c)中所述成型模具的形状相同，都为半径为r(5cm)，高度为h3(20cm)的圆柱形结构，其中h3＞h1且h3＞h2。
步骤(b)中所述成型试件的密度ρ为：ρ＝m1/(πr2h1)。
所述步骤(c)中m2满足m2＝ρπr2h2＝m1h2/h1。
对制取的试件脱模，放入50°恒温干燥箱干燥6h，用同样的制备方法制取相似材料试件6块进行力学性质测试并基于力学指标平均值进行判定，图2为相似材料试件的应力-应变关系曲线，依据GB/T 25217.2-2010《煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法》对实施例中的相似材料试件进行冲击倾向性判定，得出动态破坏时间360ms；弹性能量指数3.5，冲击能量指数2.25，单轴抗压强度为4.9MPa，最后综合评判结果为Ⅱ类即弱冲击倾向，原煤的冲击倾向性判别同样为弱冲击倾向，二者具有较好的一致性；图1为相似材料试件与原煤试件的等温吸附曲线，图1表明新型相似材料吸附性与原煤十分接近。
实施例2
本实施例的一种兼具突出和冲击特性的煤的相似材料，包括煤粉、水泥、腐殖酸钠和水，其中煤粉的重量和水泥的重量比为8:2；水的重量与煤粉和水泥的总重量比为1:12.5；腐殖酸钠的重量和水的重量比为0.15:1。
其制备方法与实施例1类似，此处不再赘述。
实施例3
本实施例的一种兼具突出和冲击特性的煤的相似材料，包括煤粉、水泥、腐殖酸钠和水，其中煤粉的重量和水泥的重量比为3:1；水的重量与煤粉和水泥的总重量比为1:11.5；腐殖酸钠的重量和水的重量比为0.2:1。
其制备方法与实施例1类似，此处不再赘述。
实施例4
本实施例的一种兼具突出和冲击特性的煤的相似材料，包括煤粉、水泥、腐殖酸钠和水，其中煤粉的重量和水泥的重量比为5:2；水的重量与煤粉和水泥的总重量比为1:10；腐殖酸钠的重量和水的重量比为0.18:1。
其制备方法与实施例1类似，此处不再赘述。
实施例2-4制得的兼具突出和冲击特性的煤的相似材料的性质与实施例1性质相似，因此不再赘述。
综上所述，上述实施例所得的煤的相似材料，能够兼具突出和冲击特性，在物理力学性质上与原煤相似程度较高，可通过调节材料的比例保证相似材料与兼具突出和冲击特性煤的物理力学性质及吸附性能的相似性。利用本发明制成的试件进行系统的量化研究，可为后期的大型相似模拟实验提供必备的基础参数，而且对于冲击地压-煤与瓦斯突出等煤矿复合动力灾害的防治也具有积极意义。同时，本发明所需材料种类少，成本低廉，工艺流程少，具有广泛的实用性。上述实施例中，实施例1的工艺和配比最佳，为最佳实施例。
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 (5)

1.一种兼具突出和冲击特性的煤的相似材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤(a)、将确定的相似材料的各组分进行混合并搅拌均匀，称取搅拌均匀后的质量为m1的相似材料填入成型模具，设定成型参数进行压制；
步骤(b)、试件脱模并测量质量为m1的相似材料的成型试件高度h1，计算成型试件的密度ρ；
步骤(c)、根据研究需要制作高度为h2的试件，称取质量为m2的相似材料填入成型模具，设定成型参数进行压制；
步骤(d)、试件脱模、养护，制作完成；
所述相似材料包括煤粉、水泥、腐殖酸钠和水，其中煤粉的重量和水泥的重量比范围为7:3-8:2；水的重量与煤粉和水泥的总重量比范围为1:12.5-1:10；腐殖酸钠的重量和水的重量比范围为0.15:1-0.35:1；
所述煤粉为粒径[0.250mm，0.425mm]和粒径0.180mm的混合物，其中粒径为[0.250mm，0.425mm]和0.180mm煤粉的重量比范围为2:5-3:4；
步骤(a)中所述成型参数包括加载方式、加载速度、成型压力及保压时间；步骤(a)中所述成型参数与步骤(c)中所述成型参数相同。
2.根据权利要求1所述的一种兼具突出和冲击特性的煤的相似材料的制备方法，其特征是，所述水泥为CA50-Ⅱ(G6)型高强度水泥。
3.根据权利要求1所述的一种兼具突出和冲击特性的煤的相似材料的制备方法，其特征是，步骤(a)中所述成型模具与步骤(c)中所述成型模具的形状相同，都为半径为r，高度为h3的圆柱形结构，其中h3＞h1且h3＞h2。
4.根据权利要求3所述的一种兼具突出和冲击特性的煤的相似材料的制备方法，其特征是，步骤(b)中所述成型试件的密度ρ为：ρ＝m1/(πr2h1)。
5.根据权利要求3或4任一所述的一种兼具突出和冲击特性的煤的相似材料的制备方法，其特征是，所述步骤(c)中m2满足m2＝ρπr2h2＝m1h2/h1。
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