[发明专利]一种含瓦斯煤相似材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含瓦斯煤相似材料及其制备方法。

背景技术

煤炭是我国长期居支配地位的主要能源，在一次性能源消费结构中，煤炭约占70％，我国的能源结构在相当长的时间内仍以煤炭为主。“十二五”期间我国煤炭需求仍将处上升态势，预计到2015年，我国将达到38亿吨的煤炭需求量。我国是世界上发生煤与瓦斯突出灾害最严重的国家之一，随着开采强度的增大和开采深度的延深，煤与瓦斯突出的危险性随之增大，煤与瓦斯突出危险矿井数目快速增加。我国中东部矿区43对矿井开采深度已达1000m,最大的开采深度超过1300m，我国突出矿井的数量呈迅速增加趋势，2012年已超过1192对，分布于全国26个产煤省中的20个。突出灾害已经成为深部煤炭资源开采所面临的挑战性难题。然而煤与瓦斯突出是一个高度非线性的气固耦合的动力破坏问题，其发生机理十分复杂，目前还没有对瓦斯突出机理和规律的科学解释。地质力学模型试验作为研究煤与瓦斯突出机理的重要手段之一，具有独特的优越性和科学性。

根据相似原理，相似模型及相似材料若能满足原型的相似条件和相似准则，模型试验的结果就能准确地反映所模拟的原型规律。因此，合理的相似材料是模型试验成功的前提和保证。目前有关含瓦斯煤相似材料的研究现状如下：

《内部分かス压じよる多孔质材料の破坏づろやスたついてかス突出た关する研究》公开了以co₂的结晶冰、松香或水泥和煤样混合等制成多孔介质，其缺点是用冰、水泥或松香等这些无瓦斯吸附能力的材料做模型，不论其物化性质或力学性质都与煤相差甚远；《含瓦斯煤的突出模拟试验》公开了用1-5mm的突出危险煤层煤样制成型煤并测定了几种物理力学参数；《煤与瓦斯突出模拟实验》公开了选用突出煤层的煤样，在不加任何添加剂条件下压结成型模拟IV、V类煤，并测定了型煤抗压强度与成型压力的关系，由于型煤单纯依靠压力成型，型煤强度很低；《煤与瓦斯突出模拟试验台的研制与应用》公开了用5-100目的煤粉按一定配比在不添加任何添加剂的情况下直接在模型试验台架上压制成型；《煤与瓦斯突出演化过程模拟实验研究》公开了用煤粉和煤焦油制成型煤，通过控制煤粉和煤焦油的配比将煤样预制成具有不同物理力学性质的型煤等。

上述相似材料存在以下不足：材料容重和孔隙率与原煤相差较大；材料吸附性效果差；材料强度低，力学参数变化范围窄等缺点。

地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定的工程问题进行缩尺研究的一种方法，其中模型材料的选择对地质力学模型试验的成功与否起着至关重要的作用。

在煤与瓦斯突出模型试验中，作为模拟含瓦斯煤物理力学特性的相似材料必须具备容重、孔隙率、渗透率和吸附性与原煤一致的基本特点，此外要求相似材料强度变化范围广，能适应不同强度含瓦斯煤的大量试验。众所周知，在煤矿井下开采大体积原煤费时费力，采用人工方法进行组合相似材料是科学可行的。根据前人经验对相似材料的研制，一般应遵循以下基本原则：

(1)相似材料的容重与原煤容重相同时，可以大大简化模型与实际工程物理参数之间的换算，并且可以更好地体现自重应力场的影响，因此选择材料时倾向于选择与原煤重度相当的材料；

(2)煤具有吸附解吸瓦斯的特殊性质，所需的骨料必须具有吸附性，因此选用一定粒度的煤粉作为基本骨料；

(3)根据前人经验，单纯压缩煤粉制成的型煤强度很低，为配制强度较高且调节范围较大的型煤，必须添加胶结剂，所选用的胶结剂在保证型煤强度的同时还必须保证相似材料的吸附解吸特性不受影响；

(4)相似材料力学参数具有较大的可调节范围，以满足不同强度煤体试验要求；

(5)应采用价廉易得的原材料，以降低材料制作成本和模型试验经费；

(6)相似材料制作工艺力求简化，干燥快速，以加快模型试验进程；

(7)对人体无任何毒副作用。

现有的相似材料与其制备方法，均无法同时满足上述要求。因此，需要研发新的相似材料及其制备方法。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种含瓦斯煤相似材料及其制备方法，本相似材料是由一定粒径分布的煤粉为骨料，以腐植酸钠水溶液按照一定配比混合搅拌均匀并压制成型而成的一种复合相似材料，吸附性好，与原煤十分一致；并且具有材料价格低廉、无毒副作用、配比简单、性能稳定且各物理力学参数调节方便等特点，可用来模拟不同强度原煤。为相关含瓦斯煤力学模型试验研究提供良好的材料保证。应用前景广阔。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：