CN116082015A - 一种煤体相似材料孔隙率调控及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种煤体相似材料孔隙率调控及制备方法，煤体相似材料的原料包括煤粉、水泥、石膏、水和可挥融固粒，以配制煤粉为骨料，以配制可挥融固粒为孔隙调控材料，以水泥和石膏为胶结材料，通过调整骨料和胶结料配比来控制相似材料的强度，通过调整可挥融固粒的重量比来控制相似材料的孔隙率。将骨料、胶结料、水与孔隙调控材料按要求掺混搅拌、压制成型和干燥养护，制备成试件并测定孔隙率，基于试件不同孔隙调控材料重量比及其孔隙率的拟合公式，推算目标相似材料孔隙调控材料的重量比。本发明可兼顾煤的强度性质和孔隙性质，与原煤特性相似程度高，且所用材料来源广，价格低，无毒害，有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于煤体相似材料制备技术领域，具体涉及一种煤体相似材料孔隙率调控及制备方法。
背景技术
我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭在我国一次性能源结构中处于绝对主要地位。我国许多矿区已经进入深部开采，深部开采环境下围岩地应力、孔隙压力和温度明显增加，而围岩由弹脆性向延塑性发展，随着开采深度的延伸及开采强度的增大，煤与瓦斯突出的危险性逐步升级，一些浅部为非突出性煤层转变为突出危险性煤层。由于煤与瓦斯突出是一种极其复杂的动力现象，且不同煤层、不同区域煤与瓦斯突出力学特性可能表现出巨大差异，致使目前人们仍然没有形成对煤与瓦斯突出机理的统一认识。考虑到煤与瓦斯突出难以现场考察，因此通常是在实验室搭建物理模型或采用数值软件开展研究，其中相似模拟实验是在实验室内按相似原理，用相似材料制作与原型相似的模型开展物理实验测试，研究原型中可能发生的物理现象及规律。煤层相似材料的制备主要是将煤粉或细河砂等骨料与水、胶结剂等材料进行掺混搅拌，然后进行铺设养护，现有材料配比制备方法主要考虑煤的强度相似，鲜有考虑煤的孔隙相似，这显然不利于研究含瓦斯多孔介质煤体的瓦斯赋存、运移和突出特性。
公告号为CN104694191B的发明专利公开了一种含瓦斯煤相似材料及其制备方法，所制备的相似材料抗压强度可调范围为0.5-2.8MPa；公告号为CN107117919B的发明专利公开了一种煤层相似材料及其制备方法，所制备的相似材料抗压强度可调范围为0.5-3.5MPa；公告号为CN108164223B的发明专利公开了一种具有弱冲击倾向性的突出煤相似材料及其制备方法，制备的相似材料能够兼具突出和冲击特性；公布号为CN108760441A的发明专利公开了一种不同孔隙率型煤的制作方法，通过设置不同压制载荷，制取不同孔隙率的型煤。
以上主要考虑煤的强度性质，没有考虑煤的孔隙结构这一重要参数，或考虑了煤的孔隙率，但又不能较好地兼顾煤的强度性质，基于此，提出了一种煤体相似材料孔隙率调控及制备方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种煤体相似材料孔隙率调控及制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤体相似材料孔隙率调控及制备方法，制备相似材料的原料主要包括煤粉、水泥、石膏、水和可挥融固粒；
其中，煤粉作为骨料，由不同粒径的煤粉混合而成；
水泥与石膏作为胶结剂，水泥与煤粉的重量比为1：2～1：5，石膏与水泥的重量比为1：2～1：3；水的重量与煤粉、水泥和石膏三者总重量的比值为1：13.5～1：10；
可挥融固粒为樟脑颗粒或冰粒，由三种粒径范围的固粒组成，粒径范围分别为10000目、5000～10000目以及3000～5000目，相应粒径范围固粒的重量比为A(5：3：2)、B(3：2：5)及C(2：5：3)，可挥融固粒的重量占固料总重量的2～10％，通过改变加入可挥融固粒的粒径和重量配比，实现对煤体孔隙率的调控。
进一步的，所述煤粉由三种粒径范围的煤粉组成，粒径范围分别为(0，0.5mm]、(0.5，0.8mm]和(0.8，1mm]，相应粒径范围煤粉的重量比为2：1：1。
进一步的，所述樟脑颗粒的制备、贮藏以及掺混搅拌在常温下进行，冰粒的制备、贮藏以及掺混搅拌温度需要控制在0℃以下，制备好的固粒按粒径进行分类贮藏备用。
进一步的，在掺混搅拌可挥融固粒材料时，自加入可挥融固粒后持续搅拌时间应控制在3min以内。
具体的调控及制备方法包括以下步骤：
S1、将原煤经破碎机破碎，筛分出所需粒径范围的煤粉，按照重量比混合均匀；再将可挥融材料首先经破碎机破碎，再进行研磨、筛分，获得不同粒径范围的可挥融固粒，分别按照重量比混合均匀、贮藏备用；
S2、称重配比好的煤粉、水泥和石膏，并放入搅拌机，掺混搅拌，加入一定量水进行预混均匀，然后掺混配比好的可挥融固粒并快速搅拌均匀，同时做好压制成型准备；
S3、将S2中搅拌均匀的材料快速倒入成型模具中，利用压力机在设定固结压力下将其压实成型，保持一定压制时间，使试件中的骨料与胶结剂充分胶结；
S4、将S3中成型后的成型试件脱模后放入干燥箱中，在设定温度下进行干燥，去除多余水分，同时促使试件中的可挥融固粒消散，通过测量试件重量变化确定干燥时间，干燥后放置在室内进行养护；
S5、养护完成后，在实验室测定试件的孔隙率；
S6、改变可挥融固粒的粒径和重量配比，重复S2～S5，分别获得对应相似实验材料的孔隙率；
S7、利用origin软件绘制不同粒径和重量配比与孔隙率对应关系的散点图，并获得非线性拟合公式，根据拟合公式即可推算出达到目标孔隙率所需的可挥融固粒的粒径和重量配比，进而按照S2～S4即可制备所需的煤体相似材料。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明制备方法简单、所需材料来源广、成本低、无毒害作用，具有广泛的实用性，通过在原料中加入可挥融固粒，利用其挥发或融化后在相似材料中留下的微小孔隙，来实现对煤体孔隙的调控，通过改变可挥融固粒的粒径配比和其在原料中的重量占比，达到调控相似材料孔隙率的目的。能够利用制成的相似材料进行系统的量化研究，为以后的相似模拟实验提供帮助，也利于对煤层瓦斯赋存、渗流和突出等的研究，按本发明的方法所制备的相似实验材料在满足孔隙相似的前提下，以煤粉为骨料，以水泥和石膏作为胶结材料，可通过调整骨料和胶结料的配比控制相似材料的强度；相似材料与原煤特性相似程度高，为以后的含瓦斯煤力学模型试验研究提供良好的材料基础保证。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的相似材料的孔隙率与樟脑颗粒重量拟合曲线。
图2为本发明实施例2制备的相似材料的孔隙率与樟脑颗粒重量拟合曲线。
图3为本发明实施例3制备的相似材料的孔隙率与樟脑颗粒重量拟合曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，本发明提供一种技术方案：一种煤体相似材料孔隙率调控及制备方法，制备相似材料的原料包括煤粉、水泥、石膏、水和樟脑颗粒。
其中水泥的重量和煤粉的重量比为1：2；石膏的重量和水泥的重量比为1：2；水的重量与煤粉、水泥和石膏的总重量的比值为1：10；樟脑颗粒的重量占固料总重量的2％。
将原煤用密封型颚式破碎机破碎，筛分出粒径范围分别为(0，0.5mm]、(0.5，0.8mm]和(0.8，1mm]的三种煤粉，将三种粒径范围的煤粉按2：1：1的重量比称重共计160g，并混合均匀。
所述水泥为普通硅酸盐水泥P.O42.5，称重80g；所述石膏为普通建筑石膏粉，称重40g；所述水为常温自来水，称重28g。
将天然樟脑块首先用密封型颚式破碎机破碎，再经超微气流磨进行研磨，筛分出粒径范围分别为10000目、5000～10000目以及3000～5000目的三种樟脑颗粒，将三种粒径范围的樟脑颗粒按5：3：2的重量比称重共计5.6g，并混合均匀。
具体步骤如下：
将称重配比好的160g煤粉、80g水泥和40g石膏放入NJ-160型水泥净浆搅拌机中搅拌均匀，再加入28g水继续搅拌，搅拌时间5～8min，确保搅拌均匀，然后快速加入5.6g已经制备好的樟脑颗粒并搅拌均匀，自加入樟脑颗粒后持续搅拌时间控制在3min以内；
搅拌结束后快速将混合料倒入实验平台模具中，利用三轴压力试验机将其压制成型，施加压力为20MPa，压制时间为30min；
对成型试件进行脱模，放入干燥箱中干燥，干燥箱温度设置为50℃；在试件干燥期间，每隔20min利用精密电子称对试件进行称重，当前后两次重量变化在0.1g以内时，可认为重量不再变化，停止试件干燥操作，贴上标签，放置在室内进行养护，养护时间不少于48h；
试件养护完成后，在实验室测定其孔隙率。
孔隙率的计算公式为：孔隙率＝(真密度-视密度)/(真密度＊视密度)＊100％。煤的真密度依据GB/T217-2008《煤的真相对密度测定方法》进行测定，煤的视密度可根据试件质量和体积进行计算。
为了减小误差，用同样的制备方法制备相似材料试件3块，求其平均值为实验结果，由此即可计算出加入樟脑颗粒重量为2％时相似实验材料的孔隙率Φ1。
将樟脑颗粒的加入重量改为4％、6％、8％及10％，重复步骤进行，分别测定出相似实验材料的孔隙率Φ2、Φ3、Φ4及Φ5；
试件序号1～5对应樟脑颗粒加入量为2％、4％、6％、8％及10％，试件孔隙率测定结果如表1所示：
表1不同樟脑颗粒加入量试件孔隙率
| 试件序号 | 直径/mm | 高度/mm | 质量/g | <![CDATA[视密度/g·cm<sup>-3</sup>]]> | <![CDATA[真密度/g·cm<sup>-3</sup>]]> | 孔隙率/％ |
| 1 | 50.20 | 103.26 | 277.4 | 1.358 | 1.58 | 10.35 |
| 2 | 50.15 | 103.05 | 273.8 | 1.346 | 1.58 | 11.00 |
| 3 | 50.26 | 104.13 | 275.2 | 1.333 | 1.58 | 11.73 |
| 4 | 50.10 | 103.83 | 269.8 | 1.319 | 1.58 | 12.52 |
| 5 | 50.30 | 105.23 | 272.5 | 1.304 | 1.58 | 13.40 |
利用origin软件绘制试件樟脑颗粒加入量x与孔隙率Φ的关系散点图，进行非线性拟合，获得拟合曲线如图1所示，相应拟合公式为Φ＝a*exp(x/t)+b，其中拟合参数a＝5.7933，b＝3.96148，t＝20.48906，拟合度R2＝0.99999，拟合效果好。
由拟合公式进行推演计算得知，当拟制备试件孔隙率为14％时，需加入配制樟脑颗粒的重量比为11.26％。
实施例2，本发明提供一种技术方案：一种煤体相似材料孔隙率调控及制备方法，与实施例1不同的是，其中水泥的重量和煤粉的重量比为1：2；石膏的重量和水泥的重量比为1：2；水的重量与煤粉、水泥和石膏的总重量的比值为1：10；樟脑颗粒的重量占固料总重量的2％，三种不同粒径范围的樟脑颗粒的重量比为3：2：5，制备过程中，试件序号1～5对应樟脑颗粒加入量为2％、4％、6％、8％及10％，试件孔隙率测定结果如表2所示：
表2不同樟脑颗粒加入量试件孔隙率
利用origin软件绘制试件樟脑颗粒加入量x与孔隙率Φ的关系散点图，进行非线性拟合，获得拟合曲线如图2所示，相应拟合公式为Φ＝a*exp(x/t)+b，其中拟合参数a＝2.92881，b＝7.48945，t＝12.01497，拟合度R2＝0.9993，拟合效果好。
由拟合公式进行推演计算得知，当拟制备试件孔隙率为14％时，需加入配制樟脑颗粒的重量比为9.5979％。
实施例3，本发明提供一种技术方案：一种煤体相似材料孔隙率调控及制备方法，与实施例1不同的是，其中水泥的重量和煤粉的重量比为1：2；石膏的重量和水泥的重量比为1：2；水的重量与煤粉、水泥和石膏的总重量的比值为1：10；樟脑颗粒的重量占固料总重量的2％，三种不同粒径范围的樟脑颗粒的重量比为2：5：3，试件序号1～5对应樟脑颗粒加入量为2％、4％、6％、8％及10％，试件孔隙率测定结果如表3所示：
表3不同樟脑颗粒加入量试件孔隙率
| 试件序号 | 直径/mm | 高度/mm | 质量/g | <![CDATA[视密度/g·cm<sup>-3</sup>]]> | <![CDATA[真密度/g·cm<sup>-3</sup>]]> | 孔隙率/％ |
| 1 | 50.23 | 104.37 | 279.3 | 1.351 | 1.58 | 10.73 |
| 2 | 50.16 | 103.56 | 274.1 | 1.340 | 1.58 | 11.34 |
| 3 | 50.38 | 104.25 | 275.6 | 1.327 | 1.58 | 12.07 |
| 4 | 50.20 | 103.29 | 267.9 | 1.311 | 1.58 | 12.99 |
| 5 | 50.36 | 105.21 | 271.5 | 1.296 | 1.58 | 13.87 |
利用origin软件绘制试件樟脑颗粒加入量x与孔隙率Φ的关系散点图，进行非线性拟合，获得拟合曲线如图3所示，相应拟合公式为Φ＝a*exp(x/t)+b，其中拟合参数a＝4.16306，b＝5.97938，t＝15.57661，拟合度R2＝0.99849，拟合效果好。
由拟合公式进行推演计算得知，当拟制备试件孔隙率为14％时，需加入配制樟脑颗粒的重量比为10.2146％。
综上所述，上述实施例所制备的煤体相似实验材料，在保证相似材料强度性质的同时，通过改变可挥融固粒的粒径和重量配比可以达到调节相似材料孔隙率的目的，能够利用制成的相似材料进行系统的量化研究，为以后的相似模拟实验提供帮助，也对煤层瓦斯赋存、渗流和突出等研究具有一定积极意义。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种煤体相似材料孔隙率调控及制备方法，其特征在于：制备相似材料的原料主要包括煤粉、水泥、石膏、水和可挥融固粒；
其中，煤粉作为骨料，由不同粒径的煤粉混合而成；
水泥与石膏作为胶结剂，水泥与煤粉的重量比为1：2～1：5，石膏与水泥的重量比为1：2～1：3；
水的重量与煤粉、水泥和石膏三者总重量的比值为1：13.5～1：10；
可挥融固粒为樟脑颗粒或冰粒，由三种粒径范围的固粒组成，粒径范围分别为10000目、5000～10000目以及3000～5000目，相应粒径范围固粒的重量比为A(5：3：2)、B(3：2：5)及C(2：5：3)，可挥融固粒的重量占固料总重量的2～10％，通过改变加入可挥融固粒的粒径和重量配比，实现对煤体孔隙率的调控。
2.根据权利要求1所述的一种煤体相似材料孔隙率调控及制备方法，其特征在于，所述煤粉由三种粒径范围的煤粉组成，粒径范围分别为(0，0.5mm]、(0.5，0.8mm]和(0.8，1mm]，相应粒径范围煤粉的重量比为2：1：1。
3.根据权利要求1所述的一种煤体相似材料孔隙率调控及制备方法，其特征在于，所述樟脑颗粒的制备、贮藏以及掺混搅拌在常温下进行，冰粒的制备、贮藏以及掺混搅拌温度需要控制在0℃以下，制备好的固粒按粒径进行分类贮藏备用。
4.根据权利要求1所述的一种煤体相似材料孔隙率调控及制备方法，其特征在于，在掺混搅拌可挥融固粒材料时，自加入可挥融固粒后持续搅拌时间应控制在3min以内。
5.根据权利要求1所述的一种煤体相似材料孔隙率调控及制备方法，其特征在于，具体的调控及制备方法包括以下步骤：
S1、将原煤经破碎机破碎，筛分出所需粒径范围的煤粉，按照重量比混合均匀；再将可挥融材料首先经破碎机破碎，再进行研磨、筛分，获得不同粒径范围的可挥融固粒，分别按照重量比混合均匀、贮藏备用；
S2、称重配比好的煤粉、水泥和石膏，并放入搅拌机，掺混搅拌，加入一定量水进行预混均匀，然后掺混配比好的可挥融固粒并快速搅拌均匀，同时做好压制成型准备；
S3、将S2中搅拌均匀的材料快速倒入成型模具中，利用压力机在设定固结压力下将其压实成型，保持一定压制时间，使试件中的骨料与胶结剂充分胶结；
S4、将S3中成型后的成型试件脱模后放入干燥箱中，在设定温度下进行干燥，去除多余水分，同时促使试件中的可挥融固粒消散，通过测量试件重量变化确定干燥时间，干燥后放置在室内进行养护；
S5、养护完成后，在实验室测定试件的孔隙率；
S6、改变可挥融固粒的粒径和重量配比，重复S2～S5，分别获得对应相似实验材料的孔隙率；
S7、利用origin软件绘制不同粒径和重量配比与孔隙率对应关系的散点图，并获得非线性拟合公式，根据拟合公式即可推算出达到目标孔隙率所需的可挥融固粒的粒径和重量配比，进而按照S2～S4即可制备所需的煤体相似材料。
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