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

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，本发明专利技术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。能够模拟具有强冲击倾向性煤的动力破坏特征。能够模拟具有强冲击倾向性煤的动力破坏特征。

【技术实现步骤摘要】
一种低强度强冲击性的煤相似模拟材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于煤体相似模拟材料
，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。
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技术介绍

[0003]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。
[0004]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的中国专利技术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。
[0005]可以看出，以上两件专利技术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。
[0006]
技术实现思路

[0007]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，本专利技术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。
[0008]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%。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]作为优选，所述水玻璃波美度40、模数3.1~3.3、Na2O 8.46 wt.%、SiO
2 27.04 wt.%。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]作为优选，所述水为常温自来水。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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1~2 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。
[0021]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。
[0022]作为优选，所述搅拌机为NJ
‑
160型水泥净浆搅拌机。
[0023]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。
[0024]需要进一步说明的是，本专利技术中水玻璃为白色或淡黄色粘稠状液体，为工业一级水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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.%、SiO
2 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...

【专利技术属性】
技术研发人员：柏建彪，李延辉，王襄禹，闫帅，徐营，高富强，王晓卿，王学宁，任卓鑫，付豪，
申请(专利权)人：天地科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：