一种水-岩作用下煤样质量变化率的时变模型建立方法技术

一种水‑岩作用下煤样质量变化率的时变模型建立方法，包括：第一步、测量煤样的尺寸及质量，计算质量密度；第二步、利用超声波测速仪测定煤岩声速；第三步、按设定摩尔浓度配制水溶液，测定溶液中初始钙镁离子浓度，选取一组试样，浸泡于给定摩尔浓度及不同pH值的水溶液，每天测得煤样质量、溶液pH值、钙与镁离子浓度；第四步、计算质量变化率与各影响因素的灰色相对关联度，得到最显著性参数，构建煤样质量变化率关于浸泡天数、溶液的即时pH、溶液即时钙、镁离子浓度的GM(0,N)多元灰色预测模型。通过该模型，利用水溶液中现有的pH值和离子浓度，设定浸泡天数即可对煤样质量变化率及水溶液的侵蚀能力做出预测。

【技术实现步骤摘要】
一种水-岩作用下煤样质量变化率的时变模型建立方法
本专利技术涉及一种水-岩作用下煤岩质量的时变模型及其影响因素分析法，特别是煤岩体在开放式浸泡加载条件下其质量变化率与浸泡天数、浸泡液pH、浸泡液钙与镁离子浓度的多元预测模型建立方法，属于岩石力学、材料力学特性研究

技术介绍
煤是沉积岩，煤体内部含有大量的裂隙、孔隙、层理等诸多缺陷，因而具有均质性较差、加工困难、研究结果离散性大等特点。在自然环境中，煤岩更是难以避免与雨水、地下水等不同pH值的水溶液长时间接触。水岩化学作用就是指水溶液渗透到岩体中或水分子附着到可溶性岩石的离子产生离子交换,岩石的原生孔隙扩展导致岩体内部稳态失衡，减少岩体的内聚力。因而水岩化学作用对煤岩造成的化学损伤会给开采挖掘工程带来安全隐患，需要提前预测与评估煤岩体宏观与微观特性的结构特性。质量变化率是对煤岩成分和结构分析中最直观的综合变量，影响质量变化率的因素有：煤赋存的地层地质条件、煤内部的孔隙与裂隙分布、化学液的酸碱度、化学液的成分、空气二氧化碳含量、温度、浸泡程度和时间等。学者们研究发现，煤样内部孔隙以及成分与外界水环境的酸碱度和离子反应是影响水岩作用的重要原因。煤样在浸泡过程中，随着浸泡天数的增加，煤样的矿物成分溶于水或与水中的H+，OH-等发生复分解反应，以离子的形态损失质量与体积，岩样吸水同时发生，水渗入岩样的孔隙，直接导致了煤样质量显著变化。有研究表明煤样浸泡时间越长，浸泡液的酸性越强，岩样受到侵蚀的时间也越长，吸入的水量也越大，发生质量变化越明显。目前，关于溶液矿物盐离子、环境酸碱度、孔隙率等对煤样质量变化率的成果比较多。也有学者研究了质量变化率与干湿循环作用的关系。由于煤的质量变化要取样浸泡并持续测量计算才能得知，且试验结果相对于其他脆性材料的离散性大。因而，目前对煤样质量变化率的预测模型很少，尤其是多元预测模型更少。基于上述研究背景，本专利拟建立一种水-岩作用下煤岩质量的时变模型及其影响因素分析法。利用测定的水溶液钙、镁离子浓度、水溶液pH值以及浸泡天数通过实验建立煤样质量变化率关于浸泡天数、溶液即时pH及即时钙、镁离子浓度的多元回归模型。根据该模型利用测得的pH，溶液钙镁离子浓度及设计的浸泡天数即可得到煤样在相应溶液浸泡下的质量变化曲线，从而对煤样的安全性和致密性做出预测，为预防水-岩作用下煤岩因为质量时变导致煤矿滞后突水事故提供滞后突水时间预测方面的理论指导。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种水-岩作用下煤样质量变化率的时变模型建立方法，通过建立煤样质量变化率关于浸泡天数、溶液即时pH及即时钙、镁离子浓度的灰色多元回归模型，根据该模型，利用测得的pH，溶液钙镁离子浓度及设计的浸泡天数即可得到煤样在相应溶液浸泡下的质量变化曲线，从而对煤样的安全性和致密性做出预测，为预防水-岩作用下煤岩因为质量时变导致煤矿滞后突水事故提供滞后突水时间预测方面的理论指导。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案具体如下：一种水-岩作用下煤样质量变化率的时变模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：制作标准煤样，选择合适标准煤样作为对象，配置不同钙、镁离子浓度和pH的水溶液；S2：将标准煤样浸泡在水溶液中进行浸泡试验，测量不同时刻水溶液的pH、离子浓度和煤样质量，计算不同时刻标准煤样的质量变化率；S3：基于灰色相对关联度理论，分别计算出各时刻质量变化率与对应浸泡天数、溶液相对值、离子浓度的灰色相对关联度，筛选出灰色相对关联度值较大的变量；S4：建立质量变化率关于筛选出的变量的GM(0,N)灰色预测模型，计算出相关系数R，评价拟合效果。进一步的，所述步骤S1具体包括：将采集的煤样加工成若干组标准煤样并测量各标准煤样的尺寸和质量；测量各标准煤样中的声速，选取声速离散性最小的若干组试样作为实验对象；配置不同钙、镁离子浓度和pH的水溶液。进一步的，所述步骤S2具体包括：测量各水溶液的初始钙、镁离子浓度及标准煤样的初始质量，之后一种水溶液中放置一个标准煤样进行浸泡试验，每隔24小时记录一次即时溶液pH、即时钙离子浓度c1、即时镁离子浓度c2和即时质量m，根据即时质量相对初始质量差值除以初始质量计算煤样即时质量变化率η；进一步的，所述步骤S3具体包括：基于灰色相对关联度理论，分别计算出质量变化率与浸泡天数t、即时溶液pH相对值a、即时钙离子浓度c1、即时镁离子浓度c2的灰色相对关联度，若灰色相对关联度的值较大，则表明质量变化率与以上四组变量之间的关联性较大。进一步的，灰色相对关联度的计算公式为：其中，式中对应是Xi(n)均值像的始点零化象，i＝0,1,2,3,4。进一步的，建立的GM(0,N)灰色预测模型为：式中，k为第k次试验，是的预测值，b2,b3,…,bN,a为待求系数，是xi(0)的1-AGO序列，i＝1,2,…N。进一步的，相关性系数R的计算公式为：其中，xi为质量变化率实测序列，yi为质量变化率预测序列，为质量变化率实测数据序列的平均值，为质量变化率预测数据序列的平均值，n为试验次数，i表示第i次试验。本专利技术还提供了一种煤样的安全性和致密性预测方法，包括：基于权利要求1-7任一所述的模型，根据煤样浸泡溶液的pH，钙、镁离子浓度的浸泡时间即可得到煤样在相应溶液浸泡下的质量变化曲线，从而对煤样的安全性和致密性做出预测。与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果：本专利技术通过试验测定了煤样在浸泡过程中水溶液钙、镁离子浓度、水溶液pH值以及记录了浸泡天数。基于试验数据和灰色关联理论，分析了浸泡参数对煤样质量变化率的影响，并建立了煤样质量变化率关于浸泡天数、溶液即时pH及即时钙、镁离子浓度的灰色多元回归模型。根据预测效果较好的模型，利用测得的pH，溶液钙镁离子浓度及设计的浸泡天数即可得到煤样在相应溶液浸泡下的质量变化曲线，从而对煤样的安全性和致密性做出预测。附图说明图1为本专利技术中建立煤样质量变化率多元回归模型建立方法流程图。图2为本专利技术中5个试样的钙镁离子浓度曲线图。图3为本专利技术中5个试样的钙离子浓度曲线图。图4为本专利技术中5个试样的溶液pH变化曲线图。图5为根据试验结果得到的5个煤样的质量变化率曲线。图6为5个煤样质量变化率的预测值与试验值的对比曲线。具体实施方式：实施例如图1所示，一种水-岩作用下煤样质量变化率的时变模型及建立方法，包括以下五个步骤：步骤一：选取试验煤样采集白鹿煤的煤样，加工成公称直径为50mm、高度为100mm的标准试样。取20个煤样，并将20个煤样依次编号为BLM1～BLM20，测量直径及高度。步骤二：测量煤样声速声速由超声波测速仪测定，在每个煤样的上、下端面处贴有一个声发射传感器。声发射门槛值均为40dB。通过对煤样声速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水-岩作用下煤样质量变化率的时变模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：制作标准煤样，选择合适标准煤样作为对象，配置不同钙、镁离子浓度和pH的水溶液；/nS2：将标准煤样浸泡在水溶液中进行浸泡试验，测量不同时刻水溶液的pH、离子浓度和煤样质量，计算不同时刻标准煤样的质量变化率；/nS3：基于灰色相对关联度理论，分别计算出各时刻质量变化率与对应浸泡天数、溶液相对值、离子浓度的灰色相对关联度，筛选出灰色相对关联度值较大的变量；/nS4：建立质量变化率关于筛选出的变量的GM(0,N)灰色预测模型，计算出相关系数R，评价拟合效果。/n

【技术特征摘要】
1.一种水-岩作用下煤样质量变化率的时变模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制作标准煤样，选择合适标准煤样作为对象，配置不同钙、镁离子浓度和pH的水溶液；
S2：将标准煤样浸泡在水溶液中进行浸泡试验，测量不同时刻水溶液的pH、离子浓度和煤样质量，计算不同时刻标准煤样的质量变化率；
S3：基于灰色相对关联度理论，分别计算出各时刻质量变化率与对应浸泡天数、溶液相对值、离子浓度的灰色相对关联度，筛选出灰色相对关联度值较大的变量；
S4：建立质量变化率关于筛选出的变量的GM(0,N)灰色预测模型，计算出相关系数R，评价拟合效果。


2.根据权利要求1所述的一种水-岩作用下煤样质量变化率的时变模型建立方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
将采集的煤样加工成若干组标准煤样并测量各标准煤样的尺寸和质量；
测量各标准煤样中的声速，选取声速离散性最小的若干组试样作为实验对象；
配置不同钙、镁离子浓度和pH的水溶液。


3.根据权利要求1所述的一种水-岩作用下煤样质量变化率的时变模型建立方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
测量各水溶液的初始钙、镁离子浓度及标准煤样的初始质量，之后一种水溶液中放置一个标准煤样进行浸泡试验，每隔24小时记录一次即时溶液pH、即时钙离子浓度c1、即时镁离子浓度c2和即时质量m，根据即时质量相对初始质量差值除以初始质量计算煤样即时质量变化率η；


4.根据权利要求1所述的一种水-岩作用下煤样质量变化率的时变模型建立方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李顺才，薛禾辛，张农，赵云龙，郭晓琦，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32