一种用于模拟煤岩样的可视化材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种用于模拟煤岩样的可视化材料，包括：固体水，以及掺杂在所述固体水中的玻璃纤维，其中，所述可视化材料的抗压强度满足式(1)，所述可视化材料的抗剪强度满足式(2)，所述可视化材料的硬度满足式(3)，式(1)中，k1表示所述可视化材料的抗压强度，k1＇表示所述煤岩样的抗压强度，式(2)中，k2表示所述可视化材料的抗剪强度，k2＇表示所述煤岩样的抗剪强度，式(3)中，k3表示所述可视化材料的硬度，k3＇表示所述煤岩样的硬度。该可视化材料具有很好的透明性，可以实现岩土体内部变形的可视化，且原材料为水与玻璃纤维，成本低，效率高，具有很好的推广性。的推广性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于模拟煤岩样的可视化材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及煤矿开采
，具体涉及一种用于模拟煤岩样的可视化材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]煤炭开采中，85％来源于井工开采，井工开采相当于一个“黑箱”，无法看到内部煤的具体变形及破坏，要想准确的掌握煤炭开采时覆岩的运动规律，就要了解内部煤岩的变形及破坏规律，而目前大多数预测内部变形的方法是通过在内部预留传感器或者打孔窥视观察，这类方法首先破坏了煤岩的原始状态，其次误差较大，很难得出准确可靠的规律，所以进行煤矿开采可视化研究具有重要的意义。
[0003]CN 111058849A中公开了一种煤炭智能开采地质力学模拟试验方法，其步骤包括：1)进行相似材料配比试验，寻找合适的配比来模拟岩层和煤层；2)对煤层的底板分层铺设已搅拌均匀的底板岩层相似材料，并夯实和养护；3)煤层底板上部铺设下隔板；4)在下隔板上方布置滑动装置；5)在滑动装置上方铺设上隔板；6)对非开采的煤层铺设煤层相似材料，并夯实和养护；7)对煤层的顶板分层铺设已搅拌均匀的顶板岩层相似材料，埋设检测元件，并夯实和养护；8)对模型架进行模拟的地应力加载；9)动力部分将滑动装置拉动至平台，以滑动装置沿工作面向前移动来模拟煤层开采。
[0004]CN 105353104A中公开了一种高仿真煤炭开采模拟系统，设置在相似模拟模型中，所述相似模拟模型包括架体、设置在所述架体上的煤层及设置在其底部的两侧的支撑杆，设置于所述煤层上部和下部的其他岩层，其特征在于：所述高仿真煤炭开采模拟系统设置在所述煤层中，在所述支撑杆上运行，所述高仿真煤炭开采模拟系统包括采煤模拟装置和位于其后侧的液压支架模拟装置，所述液压支架模拟装置包括底板、顶板、应力计量器、驱动装置和挡板，其中，所述应力计量器的顶部和底部分别与所述顶板和底板连接，所述挡板的上端与所述顶板的后端相连，所述挡板与所述顶板之间的角度为钝角，驱动装置驱动所述液压支架模拟装置移动；所述顶板与水平面之间的角度为3
°
，所述顶板的后端高于前端，所述挡板与所述顶板之间的角度为130
°
。
[0005]目前来说，研究人员主要针对实验方法和实验装置进行了一系列研究，还没有研究人员针对模拟煤岩样的材料展开研究。

技术实现思路

[0006]鉴于上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的之一在于提供一种用于模拟煤岩样的可视化材料，其具有很好的透明性，可以实现岩土体内部变形的可视化，且原材料为水与玻璃纤维，成本低，效率高，具有很好的推广性。
[0007]本专利技术的目的之二在于提供一种与目的之一相对应的制备方法。
[0008]本专利技术的目的之三在于提供一种与上述目的相对应的应用。
[0009]为实现上述目的之一，本专利技术采取的技术方案如下：
[0010]一种用于模拟煤岩样的可视化材料，包括：固体水，以及掺杂在所述固体水中的玻璃纤维，其中，所述可视化材料的抗压强度满足式(1)，所述可视化材料的抗剪强度满足式(2)，所述可视化材料的硬度满足式(3)，
[0011][0012][0013][0014]式(1)中，k1表示所述可视化材料的抗压强度，k1＇表示所述煤岩样的抗压强度，
[0015]式(2)中，k2表示所述可视化材料的抗剪强度，k2＇表示所述煤岩样的抗剪强度，
[0016]式(3)中，k3表示所述可视化材料的硬度，k3＇表示所述煤岩样的硬度。
[0017]由于煤矿上覆岩层的不可见性，无法了解上覆岩层的运动情况，所以有必要专利技术一种透明的材料模拟煤岩样。不希望受到理论的束缚，本申请的专利技术人在研究中发现，由于水具有透明性，冷冻成冰后具有一定的强度，并且可以看到内部的变化，故提出了用冰来模拟煤岩样。进一步地，本申请的专利技术人还发现，通过加入玻璃纤维，可以增加水内部的黏聚力，从而增强混合液体的强度，达到模拟材料需要的强度，并且，冰的硬度会随着温度的下降而增加，所以通过降低温度来模拟煤岩样的硬度。由此制得的可视化材料，具有有待模拟的煤岩样相差无几的抗压强度、抗剪强度和硬度，能够很好的模拟煤岩样的受力状态。
[0018]在本专利技术的一些优选的实施方式中，所述固体水与所述玻璃纤维的质量比为(10～300):1，优选为(30～200):1，更优选为(50～150):1，进一步优选为(50～100):1，更进一步优选为(60～90):1。
[0019]根据本专利技术，所述固体水与所述玻璃纤维的质量比与待模拟的煤岩样有关。当待模拟的煤岩样的抗压强度或抗剪强度较高时，采用较高比例的玻璃纤维，反之，则采用较低比例的玻璃纤维。
[0020]根据本专利技术，上述所述固体水与所述玻璃纤维的质量比范围制得的可视化材料涵盖了自然界中已知的煤岩样。
[0021]根据本专利技术，示例性地，若待模拟的煤岩样的抗压强度k1＇为10MPa、抗剪强度k2＇为3MPa，则所述固体水与所述玻璃纤维的质量比最优选为(60～90):1，在此范围内，有利于使制得的可视化材料与计划模拟的煤岩样之间的性能更加接近。实验表明，当所述固体水与所述玻璃纤维的质量比在60:1、65:1、70:1、75:1、80:1、85:1、90:1或这些比值之间的任意值时，均可以制得满足模拟需求的可视化材料。
[0022]根据本专利技术，示例性地，若待模拟的煤岩样的抗压强度k1＇为20MPa、抗剪强度k2＇为10MPa，则所述固体水与所述玻璃纤维的质量比最优选为(15～40):1，在此范围内，有利于使制得的可视化材料与计划模拟的煤岩样之间的性能更加接近。实验表明，当所述固体水与所述玻璃纤维的质量比在15:1、20:1、25:1、30:1、35:1、40:1或这些比值之间的任意值时，均可以制得满足模拟需求的可视化材料。
[0023]在本专利技术的一些优选的实施方式中，所述玻璃纤维的长度为10mm～100mm，优选为20mm～80mm，更优选为30mm～70mm，进一步优选为50mm～60mm。
[0024]根据本专利技术，当所述玻璃纤维的长度在上述特定的范围内时，有利于使制得的可视化材料与计划模拟的煤岩样之间的性能更加接近。
[0025]根据本专利技术，可以将所述可视化材料储存在与其自身温度相同的环境中。
[0026]为实现上述目的之二，本专利技术采取的技术方案如下：
[0027]S1.将玻璃纤维加入到水中，得到含有所述玻璃纤维的悬浮液；
[0028]S2.对所述悬浮液进行冷却处理，得到透明固体；
[0029]S3.测试步骤S2制得的透明固体的抗压强度和抗剪强度，若步骤S2制得的透明固体的抗压强度不满足式(4)和/或抗剪强度不满足式(5)，则调整玻璃纤维的用量并重复进行步骤S1和S2，直至得到的透明固体的抗压强度满足式(4)且抗剪强度满足式(5)；
[0030]S4.测试步骤S2制得的透明固体的硬度，若步骤S2制得的透明固体的硬度不满足式(6)，则调整冷却处理的条件并重复进行步骤S2，直至得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于模拟煤岩样的可视化材料，包括：固体水，以及掺杂在所述固体水中的玻璃纤维，其中，所述可视化材料的抗压强度满足式(1)，所述可视化材料的抗剪强度满足式(2)，所述可视化材料的硬度满足式(3)，(2)，所述可视化材料的硬度满足式(3)，(2)，所述可视化材料的硬度满足式(3)，式(1)中，k1表示所述可视化材料的抗压强度，k1＇表示所述煤岩样的抗压强度，式(2)中，k2表示所述可视化材料的抗剪强度，k2＇表示所述煤岩样的抗剪强度，式(3)中，k3表示所述可视化材料的硬度，k3＇表示所述煤岩样的硬度。2.根据权利要求1所述的可视化材料，其特征在于，所述固体水与所述玻璃纤维的质量比为(10～300):1，优选为(30～200):1，更优选为(50～150):1，进一步优选为(50～100):1，更进一步优选为(60～90):1。3.根据权利要求1或2所述的可视化材料，其特征在于，所述玻璃纤维的长度为10mm～100mm，优选为20mm～80mm，更优选为30mm～70mm，进一步优选为50mm～60mm。4.一种权利要求1
‑
3中任一项所述的可视化材料的制备方法，包括下述步骤：S1.将玻璃纤维加入到水中，得到含有所述玻璃纤维的悬浮液；S2.对所述悬浮液进行冷却处理，得到透明固体；S3.测试步骤S2制得的透明固体的抗压强度和抗剪强度，若步骤S2制得的透明固体的抗压强度不满足式(4)和/或抗剪强度不满足式(5)，则调整玻璃纤维的用量并重复进行步骤S1和S2，直至得到的透明固体的抗压强度满足式(4)且抗剪强度满足式(5)；S4.测试步骤S2制得的透明固体的硬度，若步骤S2制得的透明固体的硬度不满足式(6)，则调整冷却处理的条件并重复进行步骤S2，直至得到的透明固体的硬度满足式(6)；S5.将抗压强度满足式(4)、抗剪强度满足式(5)且硬度满足式(6)的透明固...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，杨胜利，李全生，杨英明，郭俊廷，
申请(专利权)人：北京低碳清洁能源研究院国家能源投资集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：