[發明專利]一種含瓦斯煤相似材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201410752192.1
• 申請日: 2014-12-09
• 公開（公告）號: CN104694191A
• 公開（公告）日: 2015-06-10
• 發明（設計）人: 王漢鵬;袁亮;張慶賀;薛俊華;李清川;周偉;張冰
• 申請（專利權）人: 山東大學;淮南礦業（集團）有限責任公司
• 主分類號: C10L5/04
• 分類號: C10L5/04;C10L5/14;B01J20/22;B01J20/30
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及一種含瓦斯煤相似材料及其制備方法。

背景技術

煤炭是我國長期居支配地位的主要能源，在一次性能源消費結構中，煤炭約占70％，我國的能源結構在相當長的時間內仍以煤炭為主。“十二五”期間我國煤炭需求仍將處上升態勢，預計到2015年，我國將達到38億噸的煤炭需求量。我國是世界上發生煤與瓦斯突出災害最嚴重的國家之一，隨著開采強度的增大和開采深度的延深，煤與瓦斯突出的危險性隨之增大，煤與瓦斯突出危險礦井數目快速增加。我國中東部礦區43對礦井開采深度已達1000m,最大的開采深度超過1300m，我國突出礦井的數量呈迅速增加趨勢，2012年已超過1192對，分布于全國26個產煤省中的20個。突出災害已經成為深部煤炭資源開采所面臨的挑戰性難題。然而煤與瓦斯突出是一個高度非線性的氣固耦合的動力破壞問題，其發生機理十分復雜，目前還沒有對瓦斯突出機理和規律的科學解釋。地質力學模型試驗作為研究煤與瓦斯突出機理的重要手段之一，具有獨特的優越性和科學性。

根據相似原理，相似模型及相似材料若能滿足原型的相似條件和相似準則，模型試驗的結果就能準確地反映所模擬的原型規律。因此，合理的相似材料是模型試驗成功的前提和保證。目前有關含瓦斯煤相似材料的研究現狀如下：

《內部分かス壓じよる多孔質材料の破壞づろやスたついてかス突出た關する研究》公開了以co₂的結晶冰、松香或水泥和煤樣混合等制成多孔介質，其缺點是用冰、水泥或松香等這些無瓦斯吸附能力的材料做模型，不論其物化性質或力學性質都與煤相差甚遠；《含瓦斯煤的突出模擬試驗》公開了用1-5mm的突出危險煤層煤樣制成型煤并測定了幾種物理力學參數；《煤與瓦斯突出模擬實驗》公開了選用突出煤層的煤樣，在不加任何添加劑條件下壓結成型模擬IV、V類煤，并測定了型煤抗壓強度與成型壓力的關系，由于型煤單純依靠壓力成型，型煤強度很低；《煤與瓦斯突出模擬試驗臺的研制與應用》公開了用5-100目的煤粉按一定配比在不添加任何添加劑的情況下直接在模型試驗臺架上壓制成型；《煤與瓦斯突出演化過程模擬實驗研究》公開了用煤粉和煤焦油制成型煤，通過控制煤粉和煤焦油的配比將煤樣預制成具有不同物理力學性質的型煤等。

上述相似材料存在以下不足：材料容重和孔隙率與原煤相差較大；材料吸附性效果差；材料強度低，力學參數變化范圍窄等缺點。

地質力學模型試驗是根據一定的相似原理對特定的工程問題進行縮尺研究的一種方法，其中模型材料的選擇對地質力學模型試驗的成功與否起著至關重要的作用。

在煤與瓦斯突出模型試驗中，作為模擬含瓦斯煤物理力學特性的相似材料必須具備容重、孔隙率、滲透率和吸附性與原煤一致的基本特點，此外要求相似材料強度變化范圍廣，能適應不同強度含瓦斯煤的大量試驗。眾所周知，在煤礦井下開采大體積原煤費時費力，采用人工方法進行組合相似材料是科學可行的。根據前人經驗對相似材料的研制，一般應遵循以下基本原則：

(1)相似材料的容重與原煤容重相同時，可以大大簡化模型與實際工程物理參數之間的換算，并且可以更好地體現自重應力場的影響，因此選擇材料時傾向于選擇與原煤重度相當的材料；

(2)煤具有吸附解吸瓦斯的特殊性質，所需的骨料必須具有吸附性，因此選用一定粒度的煤粉作為基本骨料；

(3)根據前人經驗，單純壓縮煤粉制成的型煤強度很低，為配制強度較高且調節范圍較大的型煤，必須添加膠結劑，所選用的膠結劑在保證型煤強度的同時還必須保證相似材料的吸附解吸特性不受影響；

(4)相似材料力學參數具有較大的可調節范圍，以滿足不同強度煤體試驗要求；

(5)應采用價廉易得的原材料，以降低材料制作成本和模型試驗經費；

(6)相似材料制作工藝力求簡化，干燥快速，以加快模型試驗進程；

(7)對人體無任何毒副作用。

現有的相似材料與其制備方法，均無法同時滿足上述要求。因此，需要研發新的相似材料及其制備方法。

發明內容

本發明為了解決上述問題，提出了一種含瓦斯煤相似材料及其制備方法，本相似材料是由一定粒徑分布的煤粉為骨料，以腐植酸鈉水溶液按照一定配比混合攪拌均勻并壓制成型而成的一種復合相似材料，吸附性好，與原煤十分一致；并且具有材料價格低廉、無毒副作用、配比簡單、性能穩定且各物理力學參數調節方便等特點，可用來模擬不同強度原煤。為相關含瓦斯煤力學模型試驗研究提供良好的材料保證。應用前景廣闊。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：