CN110411795A - 一种实验室中模拟等效现场软煤的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实验室中模拟等效现场软煤的方法，包括如下步骤：选取软煤煤样，记录埋深，测试反算原煤的单轴抗压强度；测定原煤的孔隙率n1、原煤的平均含水率w；将筛选好的干燥的原煤加入该质量下根据原煤平均含水率w所计算的水分，混合均匀；根据埋深H，压制型煤；测定型煤孔隙率n2，测试型煤试件的单轴抗压强度R；对比10f与R，n1与n2：若10f≈R，n1≈n2，证明型煤制作所加水率合适，参数准确，型煤的强度和孔隙性等效原煤的强度和孔隙性；否则并增加或减少成型水分，直至测算10f≈R，n1≈n2。本发明能够充分利用原煤本身的粘结性质和所含水分进行等效实验室煤体成型，使制作出的型煤准确反映出待研究软煤的强度和变形特性。

Description

一种实验室中模拟等效现场软煤的方法
技术领域
本发明涉及一种型煤制作方法，尤其涉及一种实验室中模拟等效现场软煤的方法，属于煤矿开采实验技术领域。
背景技术
松散软煤体是一种受地质构造影响的大部分呈现块粒状的煤体，块体手捏即碎，煤颗粒多，强度极低，开采后难以成型。为揭示井下松散软煤体的力学及变形特性，所选取的研究载体很关键。现阶段对于易于取得试验样品的煤岩试验已经开展很多，取得了富有成效的研究成果。而对松散煤体介质，因其往往呈现破碎、松散状，取样及其困难，更是难以加工成型，研究载体缺乏，试验研究往往陷入困境。
虽然现在存在一些评价软煤的强度的方法如坚固性系数f法，但是该方法无评价软煤的变形特征，而变形特性是反映软煤性质的关键指标如软煤层的大变形、长时间流变等现象，它严重影响着煤矿的高效生产与开采。另外，松散煤体的孔隙结构也能反映其力学强度，一般强度越高，孔隙率越低，但是孔隙特征也无法完全表征软煤的变形行为。为对该类松散软煤进行综合的评价包括力学特征和变形特征，有必要在实验室内构建完整的等效于现场松散原煤的试件，并以此为载体进行相关的研究。
型煤作为研究煤的特性的介质，已经在煤与瓦斯突出，煤的渗透性等方面得到了应用，但实验室所用的型煤往往是用粉碎过的煤粒，并添加粘结剂如水泥、石膏等，这些所用的破碎煤粉和粘结材料很大程度上改变了原煤的性质，无法完全等效现场原煤。
综上所述，目前缺乏完整成型的实验室试件，用于研究松散软煤的变形特性；并且，现阶段实验室的型煤在性质与原煤相差甚远，无法与现场原煤等效，研究效果无法保证。因此，十分有必要提出一种在实验室中，模拟与现场松散原煤高度等效的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种实验室中模拟等效现场软煤的方法，通过本方法，能够在实验室中使制作出的型煤高度等效地模拟出现场软媒特性，继而反映出待研究软煤的强度和变形特性。
为实现上述目的，本发明采用的一种实验室中模拟等效现场软煤的方法，包括如下步骤：
S1：松散破碎软煤的选取：在新暴露的软煤层中选取松散破碎煤样作为原煤，记录地点埋深H；
S2：根据国标GB/T23561.12-2010测定选取的煤样的软煤坚固性系数f，并反算成原煤的单轴抗压强度，单轴抗压强度为10f；
S3：根据GB/T 23561.2-2009和GB/T 50266-99，测定原煤的T真密度和视密度A，并根据实验结果，求出原煤的孔隙率n1；
孔隙率计算公式为其中T为真密度，即扣除孔隙裂隙后煤体的密度，g/cm3；A为视密度，即包含孔隙裂隙在内的煤体的密度，g/cm3；
S4：根据GB-23561.6-2009-T取煤层赋存范围内的三个不同位置的原煤，并测定含水率的取值范围w1～w2，并计算均值w；
S5：晾晒并分筛步骤S1取的原煤，将尺寸较大的煤块筛除，避免实验波动；
S6：松散软煤实验室成型：a、将筛选好的干燥的原煤加入该质量下根据原煤平均含水率w所计算的水分，混合均匀；b、根据埋深H，计算相应的标准圆柱尺寸试样成型压力，，标准圆柱试样尺寸为D×h＝50mm×100mm，成型压力P＝πr2·γH，γ为煤层上覆岩层容重，一般取25000KN/m3，r为圆柱试样的半径D/2；c、将步骤a中加水后的原煤均匀添加到标准尺寸圆柱形模具置于压力机下按成型压力进行压制；c、保压一定时间；d、成型后置于自然状态下一定时间，形成型煤；
S7：测定型煤的高度h、直径D和质量M，计算其视密度A1，原煤真密度已于步骤S3测定完，据此计算型煤孔隙率n2；
型煤孔隙率T为原煤的真密度，g/cm3；A1为型煤的视密度，g/cm3。根据公式计算式中M为型煤质量，g，D为试件直径，mm，h为试件高度，mm；
S8：测试型煤试件的单轴抗压强度R；
S9：对比10f与R，n1与n2：若10f≈R，n1≈n2，证明型煤制作所加水率合适，参数准确，型煤的强度和孔隙性等效原煤的强度和孔隙性，即型煤与原煤等效；若10f>R，n1>n2，则需重复步骤S6并减少成型水分，重复步骤S7、S8，直至测算10f≈R，n1≈n2，型煤的强度和孔隙性等效原煤的强度和孔隙性，即型煤与原煤等效；若10f<R，n1<n2，需重复步骤S6并增加成型水分，重复步骤S7、S8，直至测算10f≈R，n1≈n2型煤的强度和孔隙性等效原煤的强度和孔隙性，即型煤与原煤等效。
通过上述方法，能够高度模拟出等效现场的软媒，通过测定型煤的物理力学性质，继而反映出现场软煤的特性。
进一步的，所述步骤S9中，若10f与R之间误差小于5％即认为两者等效，n1与n2之间误差小于5％即认为两者等效。
优选的，所述步骤S5中，将直径大于35mm的大颗粒煤块筛除，避免成型过程中大颗粒煤块碎裂，影响成型煤体强度。
优选的，所述步骤S6中，步骤c保压20min；步骤d成型后置于自然状态7天。
本发明的有益效果：1、按照原煤的含水率取值范围，向实验室烘干的散煤体内添加成型水分，作为强度调节剂，不添加任何额外的人工合成的胶结剂，充分利用原煤本身的粘结性质和所含水分进行等效实验室煤体成型，最大程度上还原了松散原煤的赋存状态。2、根据该方法，通过制作型煤，并不断调试加水率，以使型煤达到原煤的物理力学性质，从而能在实验室构建的型煤高度等效了原煤的强度特性和孔隙特性，可靠度高，可以用该成型试件研究松散软煤的力学及变形特性，利于推广应用。
附图说明
图1是一种实验室中模拟等效现场软煤的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
一种实验室中模拟等效现场软煤的方法，如图1，包括如下步骤：
S1：松散破碎软煤的选取：在新暴露的软煤层中选取松散破碎煤样作为原煤，记录地点埋深H；
S2：根据国标GB/T23561.12-2010测定选取的煤样的软煤坚固性系数f，并反算成原煤的单轴抗压强度，单轴抗压强度为10f；
S3：根据GB/T 23561.2-2009和GB/T 50266-99，测定原煤的T真密度和视密度A，并根据实验结果，求出原煤的孔隙率n1；
孔隙率计算公式为其中T为真密度，即扣除孔隙裂隙后煤体的密度，g/cm3；A为视密度，即包含孔隙裂隙在内的煤体的密度，g/cm3；
S4：根据GB-23561.6-2009-T取煤层赋存范围内的三个不同位置的原煤，并测定含水率的取值范围w1～w2，并计算均值w；
原煤含水率计算公式w0为煤样的含水率；M1为天然水分试件质量，g；M2为烘干的试件质量，g；原煤含水率波动范围为w1～w2，平均为w；
S5：晾晒并分筛步骤S1取的原煤，将尺寸较大的煤块筛除，避免实验波动；
S6：松散软煤实验室成型：a、将筛选好的干燥的原煤加入该质量下根据原煤平均含水率w所计算的水分，混合均匀；b、根据埋深H，计算相应的标准圆柱尺寸试样成型压力，，标准圆柱试样尺寸为D×h＝50mm×100mm，成型压力P＝πr2·γH，γ为煤层上覆岩层容重，一般取25000KN/m3，r为圆柱试样的半径D/2；c、将步骤a中加水后的原煤均匀添加到标准尺寸圆柱形模具置于压力机下按成型压力进行压制；c、保压一定时间；d、成型后置于自然状态下一定时间，形成型煤；
S7：测定型煤的高度h、直径D和质量M，计算其视密度A1，原煤真密度已于步骤S3测定完，据此计算型煤孔隙率n2；
型煤孔隙率T为原煤的真密度，g/cm3；A1为型煤的视密度，g/cm3。根据公式计算式中M为型煤质量，g，D为试件直径，mm，h为试件高度，mm；
S8：测试型煤试件的单轴抗压强度R；
S9：对比10f与R，n1与n2：若10f≈R，n1≈n2，证明型煤制作所加水率合适，参数准确，型煤的强度和孔隙性等效原煤的强度和孔隙性，即型煤与原煤等效；若10f>R，n1>n2，则需重复步骤S6并减少成型水分，重复步骤S7、S8，直至测算10f≈R，n1≈n2，型煤的强度和孔隙性等效原煤的强度和孔隙性，即型煤与原煤等效；若10f<R，n1<n2，需重复步骤S6并增加成型水分，重复步骤S7、S8，直至测算10f≈R，n1≈n2型煤的强度和孔隙性等效原煤的强度和孔隙性，即型煤与原煤等效。
通过本方法，能够高度模拟出等效现场的软媒，通过测定型煤的物理力学性质，继而反映出现场软煤的特性。
为了明确10f与R的对比结果，进一步的，步骤S9中，若10f与R之间误差小于5％即认为两者等效，n1与n2之间误差小于5％即认为两者等效；即两者之差小于任意一着的5％，认为10f≈R或n1≈n2。
优选的，步骤S5中，将直径大于35mm的大颗粒煤块筛除，避免成型过程中大颗粒煤块碎裂，影响成型煤体强度。
为了使型煤成型效果更好，更接近于现场原煤情况，优选的，步骤S6中，步骤c保压20min；步骤d成型后置于自然状态7天。
本发明的有益效果：1、按照原煤的含水率取值范围，向实验室烘干的散煤体内添加成型水分，作为强度调节剂，不添加任何额外的人工合成的胶结剂，充分利用原煤本身的粘结性质和所含水分进行等效实验室煤体成型，最大程度上还原了松散原煤的赋存状态。2、根据该方法，通过制作型煤，并不断调试加水率，以使型煤达到原煤的物理力学性质，从而能在实验室构建的型煤高度等效了原煤的强度特性和孔隙特性，可靠度高，可以用该成型试件研究松散软煤的力学及变形特性，利于推广应用。
下面结合甲煤矿实际情况，作为实施例具体说明：
(1)构造软煤的选取：以甲煤矿作为研究对象，该矿煤层为构造的松散破碎软煤，在该煤矿埋深800m的采区，选取新暴露的煤层中的软煤煤样；记录埋深H＝800m；
(2)煤样坚固性系数f1测定：选取步骤(1)取得的块度较为完整的煤样，根据国标《煤的坚固性系数测定方法(GB/T23561.12-2010)》测定其坚固性系数f1＝0.4，由此反算完整原煤的单轴抗压强度为10f，即4MPa；
(3)根据GB/T 23561.2-2009和GB/T 50266-99，测定原煤的真密度和视密度，分别为1.63g/cm3，1.42g/cm3，并根据公式，求出原煤的孔隙率n1为12.88％。
(4)根据GB-23561.6-2009-T取煤层赋存范围内的三个不同位置的原煤，分别根据公式测定含水率为，2.3％，4.6％，4.9％，该煤层含水率的取值范围2.3％～4.9％。则平均含水率为3.9％。
(5)晾晒并分筛原煤，将尺寸大于35mm的煤块筛除，避免实验波动。
(6)松散软煤实验室成型：1、将筛选好的干燥的原煤按质量加入其3.9％的水，混合搅拌均匀。2、根据埋深800m，利用成型压力公式计算相应的标准圆柱尺寸试样的成型压力，成型压力公式为：，其中γ测得值为25kN/m3，，则P＝39.25kN；3、将原煤均匀添加到标准尺寸圆柱形模具置于压力机下按成型压力P＝39.25kN进行压制，保压20min。4、成型后置于自然状态7天时间。
(7)测定型煤的高度100.31mm，直径49.89mm，和质量280.2g，计算其视密度1.43g/cm3，原煤真密度已于步骤3测定完1.63g/cm3，据此计算型煤孔隙率n2为12.29％。
(8)测试型煤试件的单轴抗压强度R为3.91MPa。
(9)对比10f与R，n1与n2。发现成型煤体与原煤的孔隙率误差为4.5％，强度误差为2.3％，符合两者误差小于5％，即认为两者等效的原则，即10f≈R，n1≈n2，证明型煤制作所加水率合适，参数准确，型煤的强度和孔隙性等效原煤的强度和孔隙性，即型煤与原煤等效。

Claims (4)

1.一种实验室中模拟等效现场软煤的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：松散破碎软煤的选取：在新暴露的软煤层中选取松散破碎煤样作为原煤，记录地点埋深H；
S2：根据国标GB/T23561.12-2010测定选取的煤样的软煤坚固性系数f，并反算成原煤的单轴抗压强度，单轴抗压强度为10f；
S3：根据GB/T 23561.2-2009和GB/T 50266-99，测定原煤的T真密度和视密度A，并根据实验结果，求出原煤的孔隙率n1；
孔隙率计算公式为其中T为真密度，即扣除孔隙裂隙后煤体的密度，g/cm3；A为视密度，即包含孔隙裂隙在内的煤体的密度，g/cm3；
S4：根据GB-23561.6-2009-T取煤层赋存范围内的三个不同位置的原煤，并测定含水率的取值范围w1～w2，并计算均值w；
S5：晾晒并分筛步骤S1取的原煤，将尺寸较大的煤块筛除，避免实验波动；
S6：松散软煤实验室成型：a、将筛选好的干燥的原煤加入该质量下根据原煤平均含水率w所计算的水分，混合均匀；b、根据埋深H，计算相应的标准圆柱尺寸试样成型压力，，标准圆柱试样尺寸为D×h＝50mm×100mm，成型压力P＝πr2·γH，γ为煤层上覆岩层容重，一般取25000KN/m3，r为圆柱试样的半径D/2；c、将步骤a中加水后的原煤均匀添加到标准尺寸圆柱形模具置于压力机下按成型压力进行压制；c、保压一定时间；d、成型后置于自然状态下一定时间，形成型煤；
S7：测定型煤的高度h、直径D和质量M，计算其视密度A1，原煤真密度已于步骤S3测定完，据此计算型煤孔隙率n2；
型煤孔隙率T为原煤的真密度，g/cm3；A1为型煤的视密度，g/cm3。根据公式计算式中M为型煤质量，g，D为试件直径，mm，h为试件高度，
S8：测试型煤试件的单轴抗压强度R；
S9：对比10f与R，n1与n2：若10f≈R，n1≈n2，证明型煤制作所加水率合适，参数准确，型煤的强度和孔隙性等效原煤的强度和孔隙性，即型煤与原煤等效；若10f>R，n1>n2，则需重复步骤S6并减少成型水分，重复步骤S7、S8，直至测算10f≈R，n1≈n2，型煤的强度和孔隙性等效原煤的强度和孔隙性，即型煤与原煤等效；若10f<R，n1<n2，需重复步骤S6并增加成型水分，重复步骤S7、S8，直至测算10f≈R，n1≈n2型煤的强度和孔隙性等效原煤的强度和孔隙性，即型煤与原煤等效。
2.根据权利要求1所述的一种实验室中模拟等效现场软煤的方法，其特征在于，所述步骤S9中，若10f与R之间误差小于5％即认为两者等效，n1与n2之间误差小于5％即认为两者等效。
3.根据权利要求2所述的一种实验室中模拟等效现场软煤的方法，其特征在于，所述步骤S5中，将直径大于35mm的大颗粒煤块筛除，避免成型过程中大颗粒煤块碎裂，影响成型煤体强度。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种实验室中模拟等效现场软煤的方法，其特征在于，所述步骤S6中，步骤c保压20min；步骤d成型后置于自然状态7天。
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