CN114105599B - 一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料及其制备方法，属于煤体相似模拟材料技术领域。其原料如下：煤粉、水玻璃、聚羧酸高效PC减水剂、磷酸硅、明胶和水，按质量份数计，煤粉为20~80份，水玻璃为80~20份，水为10~50份，聚羧酸高效PC减水剂的质量占煤粉质量的0.1~1.5%，磷酸硅的质量占水玻璃质量的8~30%，明胶的质量占固料总质量的0.25~1.5%。针对现有技术中难以模拟具有强冲击倾向性的煤等现存问题，本发明提供一种具有强冲击倾向性的煤相似材料及其制备方法，具有来源广、价格低、无毒害等优点，能够模拟具有强冲击倾向性煤的动力破坏特征。

Description

一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料及其制备方法
技术领域
本发明属于煤体相似模拟材料技术领域，具体涉及一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料及其制备方法。
背景技术
我国是世界上最大的煤炭产出国和消费国，煤炭在我国能源结构中占据重要的地位。近年来，市场对煤炭需求量大幅度提升，我国煤矿逐渐向深部延伸开采。随着开挖深度的增加，围岩基本力学行为特性与浅部围岩相比均发生了根本性的变化，受高温、高地压、高岩溶水、瓦斯等影响愈加严重，深部岩体在微观上集聚和储存了大量的能量，在一定条件下可转化宏观变形和破坏，导致冲击地压、分区破裂、大变形等非线性力学行为的发生。因此针对深部冲击地压等动力破坏现象研究是有效控制围岩非线性变形的关键。
由于冲击地压等动力灾害具有瞬时性和突发性，很难在煤矿现场及时监测冲击地压发生的过程和实时精准预测。地质力学模型是公认的一种研究深部岩体力学行为变化的合理方法和有效手段，而相似模拟材料的选择是地质力学模型的研究基础，也是地质力学模型实验成功的先决条件。公告号为CN 104694191 B中国专利公开了一种用于煤与瓦斯突出模拟实验的相似材料及制备方法，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，其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。公告号为CN107117919 B的中国发明专利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，可实现抗压强度在0.5~3.5 MPa的范围调整。
可以看出，以上两件发明专利主要是针对软煤的突出特性展开研究，然而针对具有强冲击倾向性的煤相似材料的研究相对较少。煤的冲击倾向性是随着地质沉积变化而使得天然煤体具有的一种固有属性，也是冲击地压发生的充分条件，而现有的相似材料破坏形态多为葱皮剥落等静力破坏形态，难以模拟强冲击弹射等动力破坏现象，不能满足煤的冲击倾向性多指标要求。并且在铺设三维地质模型时煤体模拟材料只是发生压垮破坏并无冲击现象，较难以还原煤矿现场冲击地压突发性的特征，此外在铺设三维地质模型时若材料强度过大，则在围压传递过程中荷载不断衰减，传递到巷道的荷载难以使其破坏。因此，亟需研发一种低强度强冲击性的煤相似材料，进而为构建和研究冲击地压地质力学模型奠定基础。
发明内容
解决的技术问题：针对上述难以模拟具有低强度、强冲击倾向性的煤相似材料及其在地质力学模型中无弹射动力破坏现象等现存问题，本发明提供一种低强度强冲击性的煤相似材料及其制备方法，具有来源广、价格低、无毒害等优点，能够模拟具有强冲击倾向性煤的动力破坏特征。
技术方案：一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料，其原料如下：煤粉、水玻璃、聚羧酸高效PC减水剂、磷酸硅、明胶和水，按质量份数计，煤粉为20~80份，水玻璃为80~20份，水为5~50份，聚羧酸高效PC减水剂的质量占煤粉质量的0.1~1.5%，磷酸硅的质量占水玻璃质量的8~20%，明胶的质量占固料总质量的0.25~1.5%。
作为优选，所述煤粉由粒度尺寸分别为80目(0.2mm)、20~40目（0.5~1mm）、10~20目（1~2mm）的三种不同粒径煤粉混合而成。
作为优选，所述煤粉由三种不同粒径煤粉的质量各三分之一混合而成。
作为优选，所述水玻璃波美度40、模数3.1~3.3、Na2O 8.46 wt.%、SiO2 27.04wt.%。
作为优选，所述聚羧酸高效PC减水剂中氯离子含量不大于0.6%、总碱量不大于15%，均按折固含量计。
作为优选，所述磷酸硅为水玻璃固化剂，具有加速水玻璃凝固作用，呈白色粉末状。
作为优选，所述明胶为白色或淡黄色粉末状工业明胶，具有悬浮、固水作用，防止浆液中固料沉降造成均质性差、防止凝固浆体后期因失水而导致干裂问题。
作为优选，所述水为常温自来水。
作为优选，按质量份数计，煤粉为50份，水玻璃为50份，水为10份，聚羧酸高效PC减水剂为0.75份，磷酸硅为6.5份，明胶为0.25份。
作为优选，按质量份数计，煤粉为60份，水玻璃为40份，水为10份，聚羧酸高效PC减水剂为0.9份，磷酸硅为5.2份，明胶为0.75份。
作为优选，按质量份数计，煤粉为70份，水玻璃为30份，水为15份，聚羧酸高效PC减水剂为1.05份，磷酸硅为3.9份，明胶为0.875份。
作为优选，按质量份数计，煤粉为80份，水玻璃为20份，水为20份，聚羧酸高效PC减水剂为1.08份，磷酸硅为3份，明胶为1份。
基于上述一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料的制备方法，步骤如下：将煤粉、聚羧酸高效PC减水剂和明胶在搅拌机中预搅拌均匀，并在振动台上震动1~3 min后，再将磷酸硅均匀混合在准备好的水玻璃中，将准备好的水和水玻璃溶液缓慢加入盛有固料搅拌机内，并匀速搅拌，避免出现气泡和浆液断裂面，搅拌至浆液中无絮凝物、无气泡，静置1~2min出机后，将浆液灌入试模养护至初凝状态，再放置电液伺服试验机上以恒定压力压制成型，得到具有强冲击倾向性的煤相似材料试件成品。
作为优选，所述具有强冲击倾向性的煤相似材料试件成品检测方法如下：待初凝结束压制成型后，将凝固试件放置遮阳实验室常温保湿养护箱内养护7天龄期，再进行相关力学性能测试。
作为优选，所述搅拌机为NJ-160型水泥净浆搅拌机。
作为优选，所述电液伺服试压机最大压力量程为1000 KN，试验力测量精度0.5%，采样频率1000 Hz，位移测量精度0.5%，变形测量精度0.5%，所述恒定压力为15~50 KN，需依据不同煤矿埋深进行具体计算。
需要进一步说明的是，本发明中水玻璃为白色或淡黄色粘稠状液体，为工业一级水玻璃，波美度40、模数3.1~3.3、Na2O 8.46 wt.%、SiO2 27.04 wt.%，常用作配制水泥水玻璃双液注浆材料用于煤矿、隧道等注浆加固，本材料应用水玻璃作为相似材料的胶结物，脆性特征明显，起到胶结骨料、增大脆性的作用。
需要进一步说明的是，本发明中聚羧酸高效PC减水剂的作用为：聚羧酸高效(PC)减水剂分子含有亲水性较强的聚醚侧链和由多个活性基团组成的主链。由于PC减水剂的特殊分子结构，促使固体颗粒间产生空间叠阻和静电排斥等作用，PC减水剂的分散能力较强，较其他类型减水剂调节浆液流动性的效果更明显。
聚羧酸高效PC减水剂性能
比重 ( 20 ℃) 浓度 pH (1wt.% 水溶液) 含氯量 冰点
1.09~1.13 40% 6.0~9.0 0 -5 ℃
需要进一步说明的是，本发明掺加明胶，粉末状，白色或淡黄色，多用于药物和食用，如胶囊、果冻等。本材料应用工业明胶，工业明胶被广泛应用于板材、家具等行业及产品中，在此材料中掺量占总固料的0.25~1.5%，起到悬浮作用，防止浆液中固体材料沉降，造成均质性差的问题，同时具有固水性，进一步防止出现材料失水干裂等现象。
有益效果：（1）本发明通过科学配比，将煤粉、水玻璃、聚羧酸高效PC减水剂、磷酸硅、明胶和水进行拌和，得到一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料，能够解决目前煤相似模拟材料冲击动力破坏现象不明显、强度和冲击性不匹配等问题；
（2）本发明可为铺设大型三维相似模型提供必备的基础参数，对研究冲击地压等煤矿动力灾害具有积极的作用和意义；
（3）本发明试制的相似模拟材料在满足相似性条件下，使用明胶做悬浮剂和固水剂，促进试件均质性和均一性较好，同时克服了煤由于裂隙高度发育造成的试件难以加工成型且强度差异性、离散性较大的问题，为对冲击倾向性煤进行量化研究提供了保障和基础；
（4）本发明试制的相似模拟材料以水玻璃为胶结物，在保证满足相似条件的基础上，增大了试件脆性和骨料颗粒间的胶结能力，弥补了以往冲击倾向性煤发生动力破坏现象弱的不足，进而为强冲击倾向性煤相似材料的模拟提供支撑。
（5）本发明提出的制备方法可精确配制任一尺寸的相似模型，材料成型后无需后期打磨切割处理，且具有工艺简单、操作方便等优点；
（6）本发明所需材料种类少、成本低、无毒害、来源广且具有广泛的实用性。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的具有强冲击倾向性的煤相似材料试件成品应力-应变曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
本说明书实施例中，所述煤粉粒度尺寸为80目(0.2mm)、20~40目（0.5~1mm）、10~20目（1~2mm）三种粒径煤粉各三分之一混合而成，购买自郑州蓝科环保净水材料厂；所述水玻璃波美度40、模数3.1~3.3、Na2O 8.46 wt.%、SiO2 27.04 wt.%，购买自邢台力天化工；所述聚羧酸高效PC减水剂氯离子含量不大于0.6%、总碱量不大于15%，均按折固含量计，购买自山东灰霸建材厂；所述磷酸硅为水玻璃固化剂，具有加速水玻璃凝固作用，呈白色粉末状，购买自常州靖诚化工；所述明胶为白色或淡黄色粉末状工业明胶，具有悬浮、固水作用，防止浆液中固料沉降造成均质性差、防止凝固浆体后期因失水而导致干裂问题，购买自徐州金地五金市场；所述水为实验室常温自来水。
所述搅拌机为NJ-160型水泥净浆搅拌机。
所述电液伺服试压机最大压力量程为1000 KN，试验力测量精度0.5%，采样频率1000Hz，位移测量精度0.5%，变形测量精度0.5%，所述恒定压力为15~50 KN，保压时间为15min，需依据不同煤矿埋深进行具体计算。
本说明书实施例中用到的冲击倾向性测试方法如国家标准GB/T 25217.2—2010。
实施例1
本实施例中一种低强度强冲击性的煤相似材料，包括煤粉、水玻璃、聚羧酸高效PC减水剂、磷酸硅、明胶和水，所述煤粉质量份数为50份，水玻璃质量分数为50份，水质量份数为10份，聚羧酸高效PC减水剂质量份数为0.75份，磷酸硅的质量份数为6.5份，明胶的质量份数为0.25份。
所述具有低强度强冲击性的煤相似材料制备过程如下：将不同粒径煤粉、聚羧酸高效PC减水剂和明胶在搅拌机中预搅拌均匀，并在振动台上震动1~3 min后，再将磷酸硅均匀混合在准备好的水玻璃中，将准备好的水和水玻璃溶液缓慢加入盛有固料搅拌机内，并匀速搅拌，避免出现气泡和浆液断裂面，搅拌至浆液中无絮凝物、无气泡，静置1~2 min出机后，将浆液灌入试模并养护至初凝状态，再放置在电液伺服试验机上以恒定压力压制成型，得到具有冲击倾向性的煤相似材料试件成品，本实施例中成品的尺寸为标准岩石力学测试试件尺寸φ50×100 mm。
所述具有低强度强冲击性的煤相似材料试件成品检测前，待初凝结束压制成型后，将凝固试件放置遮阳实验室常温保湿养护箱内养护7天龄期，再进行相关力学性能测试。
为了减小实验误差，用同样的制样方法每组共制作相似材料试件6块，求其平均值为最终实验结果，图1为相似材料试件的应力-应变关系曲线。通过测试得到相似材料试件密度为1351 kg/m3，弹性模量1172 MPa，内摩擦角25°，内凝聚力0.8 MPa，与原煤物理特性较为相似。
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鉴定，得到动态破坏时间为360 ms、弹性能量指数为9.98、冲击能量指数为33.56、单轴抗压强度为4.1 MPa，最后根据模糊综合评价得到结果为III类强冲击倾向性。
实施例2
同实施例1，区别在于，所述煤粉质量份数为60份，水玻璃质量分数为40份，水质量份数为10份，聚羧酸高效PC减水剂质量份数为0.9份，磷酸硅的质量份数为5.2份，明胶的质量份数为0.3份。
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2中的相似材料试件进行冲击倾向性鉴定，得出动态破坏时间为590 ms、弹性能量指数为7.53、冲击能量指数为6.88、单轴抗压强度为6.2 MPa，最后综合评价结果为II类弱冲击倾向性。
实施例3
同实施例1，区别在于，所述煤粉质量份数为80份，水玻璃质量分数为20份，水质量份数为15份，聚羧酸高效PC减水剂质量份数为1.2份，磷酸硅的质量份数为2.6份，明胶的质量份数为0.4份。
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3中的相似材料试件进行冲击倾向性鉴定，得出动态破坏时间为950 ms、弹性能量指数为3.1、冲击能量指数为5.3、单轴抗压强度为7.7 MPa，最后综合评价结果为II类弱冲击倾向性。
实施例4
同实施例1，区别在于，所述煤粉质量份数为20份，水玻璃质量分数为80份，水质量份数为5份，聚羧酸高效PC减水剂质量份数为0.3份，磷酸硅的质量份数为10.4份，明胶的质量份数为0.25份。
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4中的相似材料试件进行冲击倾向性鉴定，得出动态破坏时间为291 ms、弹性能量指数为9.17、冲击能量指数为35.2、单轴抗压强度为12.1 MPa，最后综合评价结果为III类弱冲击倾向性。
实施例5
同实施例1，区别在于，所述煤粉质量份数为50份，石膏质量分数为50份，水质量份数为10份，聚羧酸高效PC减水剂质量份数为0.75份，明胶的质量份数为0.25份。
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5中的相似材料试件进行冲击倾向性鉴定，得出动态破坏时间为9768 ms、弹性能量指数为2.1、冲击能量指数为1.3、单轴抗压强度为11.4 MPa，最后综合评价结果为II类弱冲击倾向性。
综上所述，上述实施例中，实施例1为最佳实施例。实施例5与实施例1区别在于将胶结物由水玻璃更换为石膏，通过实验结果可明显看出，用水玻璃作为胶结物的相似材料（实施例1）动态破坏时间明显缩小9408ms、弹性能量指数增大7.88、冲击能量指数增大32.26、单轴抗压强度减小7.3MPa，冲击性更加明显。同实施例1相比，实施例2、3和4具有弱冲击倾向性，虽弹性能量指数和冲击能量指数属于强冲击性，但其强度均较大，因此实施例1更满足低强度强冲击性的要求。
上述实施例1所得具有低强度强冲击性的煤相似材料，在物理特性方面与原煤相似程度较高，可通过调节材料的比例来保证相似材料具有冲击倾向特性，能够较好的模拟具有低强度强冲击性的煤动力破坏特征。利用本发明制作的试件进行系统的量化研究，可为后期铺设大型冲击地压相似物理模型提供必备、不可或缺的参数，且对实验室再现冲击地压的发生过程和防治的研究都具有积极的意义。同时本发明所需材料种类少、来源广、价格低、工艺简单、便于操作，具有广泛的实用性。

Claims (10)

1.一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料，其特征在于，其原料如下：煤粉、水玻璃、聚羧酸高效PC减水剂、磷酸硅、明胶和水，按质量份数计，煤粉为20~80份，水玻璃为80~20份，水为10~50份，聚羧酸高效PC减水剂的质量占煤粉质量的0.1~1.5%，磷酸硅的质量占水玻璃质量的8~20%，明胶的质量占固料总质量的0.25~1.5%。
2.根据权利要求1所述的一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料，其特征在于，所述煤粉由粒度尺寸分别为80目、20~40目和10~20 目的三种不同粒径煤粉混合而成。
3.根据权利要求1所述的一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料，其特征在于，所述水玻璃波美度40、模数3.1~3.3、Na2O 8.46 wt.%、SiO2 27.04 wt.%。
4.根据权利要求1所述的一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料，其特征在于，所述聚羧酸高效PC减水剂中氯离子含量不大于0.6%、总碱量不大于15%，均按折固含量计。
5.根据权利要求1所述的一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料，其特征在于，所述磷酸硅为水玻璃固化剂。
6.根据权利要求1所述的一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料，其特征在于，所述明胶为白色或淡黄色粉末状工业明胶。
7.根据权利要求1所述的一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料，其特征在于，所述水为常温自来水。
8.根据权利要求1所述的一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料，其特征在于，按质量份计，煤粉为50份，水玻璃为50份，水为10份，聚羧酸高效PC减水剂为0.75份，磷酸硅为6.5份，明胶为0.25份。
9.基于权利要求1所述的一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：将煤粉、聚羧酸高效PC减水剂和明胶在搅拌机中预搅拌均匀，并在振动台上震动1~3 min后，再将磷酸硅均匀混合在准备好的水玻璃中，将准备好的水和水玻璃溶液缓慢加入盛有固料搅拌机内，并匀速搅拌，避免出现气泡和浆液断裂面，搅拌至浆液中无絮凝物、无气泡，静置1~2 min出机后，将浆液灌入试模养护至初凝状态，再放置电液伺服试验机上以恒定压力压制成型得到具有强冲击倾向性的煤相似材料试件成品。
10.根据权利要求9所述的一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料的制备方法，其特征在于，所述具有强冲击倾向性的煤相似材料试件成品检测方法如下：待初凝结束压制成型后，将凝固试件放置遮阳实验室常温保湿养护箱内养护7天龄期，再进行相关力学性能测试。
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