一种用于模拟煤岩样的可视化材料及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及煤矿开采技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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
°
。
5.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。


技术实现要素：

6.鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明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。
7.本发明的目的之二在于提供一种与目的之一相对应的制备方法。
8.本发明的目的之三在于提供一种与上述目的相对应的应用。
9.为实现上述目的之一，本发明采取的技术方案如下：
10.一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，所以有必要发明一种透明的材料模拟煤岩样。不希望受到理论的束缚，本技术的发明人在研究中发现，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，本技术的发明人还发现，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]
在本发明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]
根据本发明，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]
根据本发明，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]
根据本发明，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]
根据本发明，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]
在本发明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]
根据本发明，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]
根据本发明，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，本发明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，直至得到的透明固体的硬度满足式(6)；
[0031]
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)的透明固体作为所述可视化材料，
[0032][0033][0034][0035]
式(4)中，p1表示步骤s2制得的透明固体的抗压强度，k1＇表示所述煤岩样的抗压强度，
[0036]
式(5)中，p2表示步骤s2制得的透明固体的抗剪强度，k2＇表示所述煤岩样的抗剪强度，
[0037]
式(6)中，p3表示步骤s2制得的透明固体的硬度，k3＇表示所述煤岩样的硬度。
[0038]
根据本发明，可以针对不同的步骤s2制得的透明固体分别进行抗压、抗剪强度测试和硬度测试。由此可以避免对某一样品进行重复测试导致数据不准的缺陷。
[0039]
本技术的发明人在研究中发现，以水和玻璃纤维为原料，通过本发明所提供的方法能够制得抗压强度、抗剪强度和硬度与待测煤岩样相当的透明材料，可以将无法直接观察到的煤岩内部的变化通过可视化材料展现出来，可以用于煤炭开采的相似模拟实验中，从而研究煤炭开采时，煤岩体内部的变形、破坏情况。
[0040]
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤s1中，所述玻璃纤维的初始用量与所述水的质量比为1:(10～100)，优选为1:(20～80)。
[0041]
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤s2中，所述冷却处理的初始处理条件包括：初始处理温度为-5℃～0℃，和/或初始处理时间为5min～10min。
[0042]
根据本发明，可以在冰柜中进行所述冷却处理。
[0043]
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤s3中，所述的调整玻璃纤维的用量包括每次增加或减少的量为所述玻璃纤维的初始用量的1％～10％，优选为3％～5％。
[0044]
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤s4中，所述的调整冷却处理的条件包括提高或降低冷却处理的温度，优选地，每次提高或降低1℃～10℃，优选为3℃～7℃。
[0045]
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤s3和s4中，进行所述测试时，环境温度与步骤s2制得的透明固体的温度相差-2℃～2℃，优选为-1℃～1℃，更优选为-0.5℃～0.5℃。
[0046]
根据本发明，可以将制得的可视化材料储存在与其自身温度相同的环境中。
[0047]
为实现上述目的之三，本发明采取的技术方案如下：
[0048]
一种上述的可视化材料或根据上述的制备方法制得的可视化材料在煤炭开采的相似模拟实验中的应用，尤其是在煤炭开采的相似模拟实验中模拟煤岩样的应用。
[0049]
本发明中，术语“水”为工业上或实验室中的常规用水，可以是自来水、蒸馏水或纯净水。
[0050]
本发明的有益效果至少在于：本发明利用水与玻璃纤维形成的固体混合物模拟现场煤岩样(也成煤岩体)，通过加入玻璃纤维的量来控制模拟材料的抗压、抗剪强度，通过温度来控制模拟材料的硬度，使之达到与现场实际相符的条件，同时水与玻璃纤维的混合液具有很好的透明性，凝固成固体后具有很好的可视化，可以直观的模拟出地下煤炭开采过程中煤岩体内部的变形与破坏，为煤炭开采过程中煤岩体内部变形破坏的研究提供了很好的研究思路。
具体实施方式
[0051]
以下通过实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于下述说明。
[0052]
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购途径获得的常规产品。
[0053]
在下述实施方式中：
[0054]
抗压强度为单轴抗压强度(单轴抗压强度即为p/s，s为标准试样上表面的面积，p为加载的力)，其中，标准试样是直径为50mm，高径比为2的圆柱体。
[0055]
抗剪强度用直剪仪测量，测定时将待测试试样置于直剪仪上下金属盒之间，通过传压板和滚珠对土样施以一定的垂直压力，然后对下盒施加水平推力，使试样沿上下盒水平接触面发生剪切位移直至破坏，之后在仪器上读取抗剪强度。
[0056]
硬度采用划痕法测试试件的莫氏硬度值，即以莫氏硬度计通过划痕法刻划所测试试件的表面，再根据划痕的深度对照《莫氏硬度标准表》来判断被测物的硬度值。
[0057]
若无特殊说明，测试时的环境温度为待测样品自身的温度。
[0058]
在下述实施方式中，若无特殊说明，则采用的水为自来水，采用的玻璃纤维的长度范围为50mm～60mm。
[0059]
实施例1
[0060]
本实施例中，以某矿区开采出的抗压强度k1＇为10mpa、抗剪强度k2＇为3mpa，以及硬度为5的煤岩样为模拟对象，制备能够模拟该煤岩样的可视化材料。
[0061]
步骤一：将1g玻璃纤维加入到1500g水中，以每分钟40～60转的转速搅拌均匀后得到含有玻璃纤维的悬浮液；
[0062]
步骤二：将步骤一制得的悬浮液置于冰柜中，在0℃的温度下冷冻1小时，得到透明固体1；
[0063]
步骤三：测试步骤二制得的透明固体1的抗压强度和抗剪强度，结果显示步骤二制得的透明固体1的抗压强度p1为1mpa，抗剪强度p2为0.5mpa；
[0064]
经计算，步骤二制得的透明固体1的抗压强度与煤岩样的抗压强度之间的差异(即∣p
1-k1＇∣/k1＇)为90％，大于5％，抗剪强度与煤岩样的抗剪强度之间的差异(即∣p
2-k2＇∣/k2＇)为83％，大于5％，因此，需要重新制样；
[0065]
步骤四：将玻璃纤维的用量调整为10g，其余条件不变，再次进行步骤一至三，得到透明固体2，测试步骤二制得的透明固体2的抗压强度和抗剪强度，结果显示步骤二制得的透明固体2的抗压强度p1为5mpa，抗剪强度p2为1.5mpa；
[0066]
经计算，步骤二制得的透明固体2的抗压强度与煤岩样的抗压强度之间的差异为50％，大于5％，抗剪强度与煤岩样的抗剪强度之间的差异为50％，大于5％，因此，仍需要重新制样；
[0067]
步骤五：将玻璃纤维的用量调整为20g，其余条件不变，再次进行步骤一至三，得到透明固体3，测试步骤二制得的透明固体3的抗压强度和抗剪强度，结果显示步骤二制得的透明固体3的抗压强度p1为10.3mpa，抗剪强度p2为2.9mpa；
[0068]
经计算，步骤二制得的透明固体3的抗压强度与煤岩样的抗压强度之间的差异为3％，小于5％，抗剪强度与煤岩样的抗剪强度之间的差异为3.33％，小于5％；
[0069]
步骤六：测试透明固体3的硬度，结果表明，透明固体3的硬度p3为2，经计算，透明固体3的硬度与煤岩样的硬度之间的差异(即∣p
3-k3＇∣/k3＇)为60％，大于5％，
[0070]
步骤七：将透明固体3在-5℃的温度下继续冷冻1小时，得到透明固体4，测试透明固体4的硬度，结果表明，透明固体4的硬度p4为4，经计算，透明固体4的硬度与煤岩样的硬度之间的差异为20％，大于5％。
[0071]
步骤八：将透明固体4在-10℃的温度下冷冻1小时，得到透明固体5，测试透明固体5的硬度，结果表明，透明固体4的硬度p4为5，经计算，透明固体5的硬度与煤岩样的硬度之间的差异为0，小于5％，将透明固体5作为可视化材料在-10℃的条件下储存。
[0072]
实施例2
[0073]
本实施例中，以某矿区开采出的抗压强度k1＇为20mpa、抗剪强度k2＇为10mpa以及硬度为4的煤岩样为模拟对象，制备能够模拟该煤岩样的可视化材料。
[0074]
步骤一：将5g玻璃纤维加入到500g水中，搅拌均匀后得到含有玻璃纤维的悬浮液；
[0075]
步骤二：将步骤一制得的悬浮液置于冰柜中，在0℃的温度下冷冻1小时，得到透明固体1；
[0076]
步骤三：测试步骤二制得的透明固体1的抗压强度和抗剪强度，结果显示步骤二制得的透明固体1的抗压强度p1为5mpa，抗剪强度p2为2.5mpa；
[0077]
经计算，步骤二制得的透明固体1的抗压强度与煤岩样的抗压强度之间的差异(即∣p1-k1＇∣/k1＇)为75％，大于5％，抗剪强度与煤岩样的抗剪强度之间的差异(即∣p2-k2＇∣/k2＇)为75％，大于5％，因此，需要重新制样；
[0078]
步骤四：将玻璃纤维的用量调整为10g，其余条件不变，再次进行步骤一至三，得到透明固体2，测试步骤二制得的透明固体2的抗压强度和抗剪强度，结果显示步骤二制得的透明固体2的抗压强度p1为10mpa，抗剪强度p2为5mpa；
[0079]
经计算，步骤二制得的透明固体2的抗压强度与煤岩样的抗压强度之间的差异为50％，大于5％，抗剪强度与煤岩样的抗剪强度之间的差异为50％，大于5％，因此，仍需要重新制样；
[0080]
步骤五：将玻璃纤维的用量调整为20g，其余条件不变，再次进行步骤一至三，得到透明固体3，测试步骤二制得的透明固体3的抗压强度和抗剪强度，结果显示步骤二制得的透明固体3的抗压强度p1为20mpa，抗剪强度p2为10mpa；
[0081]
经计算，步骤二制得的透明固体3的抗压强度与煤岩样的抗压强度之间的差异为0，小于5％，抗剪强度与煤岩样的抗剪强度之间的差异为0，小于5％；
[0082]
步骤六：测试透明固体3的硬度，结果表明，透明固体3的硬度p3为2，经计算，透明固体3的硬度与煤岩样的硬度之间的差异(即∣p3-k3＇∣/k3＇)为50％，大于5％。
[0083]
步骤七：将透明固体3在-5℃的温度下冷冻1小时，得到透明固体4，测试透明固体4的硬度，结果表明，透明固体4的硬度p4为4，经计算，透明固体4的硬度与煤岩样的硬度之间的差异为0，小于5％，将透明固体5作为可视化材料在-5℃的条件下储存。
[0084]
对比例1
[0085]
本对比例中，以某矿区开采出的抗压强度k1＇为20mpa、抗剪强度k2＇为10mpa以及硬度为4的煤岩样为模拟对象，制备能够模拟该煤岩样的可视化材料。
[0086]
步骤一：将100g玻璃纤维加入到1000g水中，搅拌均匀后得到含有玻璃纤维的悬浮液；
[0087]
步骤二：将步骤一制得的悬浮液置于冰柜中，在0℃的温度下冷冻1小时，得到透明固体1。
[0088]
由于玻璃纤维量太多，导致溶液浑浊，制得的透明固体1透明性不好，无法有效的模拟煤岩样内部的变化。
[0089]
对比例2
[0090]
本对比例中，以某矿区开采出的抗压强度k1＇为20mpa、抗剪强度k2＇为10mpa以及硬度为4的煤岩样为模拟对象，制备能够模拟该煤岩样的可视化材料。
[0091]
步骤一：将1g玻璃纤维加入到10000g水中，搅拌均匀后得到含有玻璃纤维的悬浮液；
[0092]
步骤二：将步骤一制得的悬浮液置于冰柜中，在0℃的温度下冷冻1小时，得到透明固体1；
[0093]
步骤三：测试步骤二制得的透明固体1的抗压强度和抗剪强度，结果显示步骤二制得的透明固体1的抗压强度p1为0.1mpa。
[0094]
由于玻璃纤维的量太少，水太多，导致透明固体1的抗压强度太小，仅为0.1mpa，无法模拟煤岩样的强度。
[0095]
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出
修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

技术特征：
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)的透明固体作为所述可视化材料，可视化材料，可视化材料，式(4)中，p1表示步骤s2制得的透明固体的抗压强度，k1＇表示所述煤岩样的抗压强度，式(5)中，p2表示步骤s2制得的透明固体的抗剪强度，k2＇表示所述煤岩样的抗剪强度，式(6)中，p3表示步骤s2制得的透明固体的硬度，k3＇表示所述煤岩样的硬度。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述玻璃纤维的初始用量与所述水的质量比为1:(10～100)，优选为1:(20～80)。6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述冷却处理的初始处理条件包括：初始处理温度为-5℃～0℃，和/或初始处理时间为5min～10min。7.根据权利要求4-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述的调整玻璃纤维的用量包括每次增加或减少的量为所述玻璃纤维的初始用量的3％～5％。8.根据权利要求4-7中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述的调整冷却处理的条件包括提高或降低冷却处理的温度，优选地，每次提高或降低1℃～10℃，优选为3℃～7℃。9.根据权利要求4-8中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤s3和s4中，进行所述测试时，环境温度与步骤s2制得的透明固体的温度相差-2℃～2℃，优选为-1℃～1℃，更优选为-0.5℃～0.5℃。10.一种权利要求1-3中任一项所述的可视化材料或根据权利要求4-9中任一项所述的制备方法制得的可视化材料在煤炭开采的相似模拟实验中的应用，尤其是在煤炭开采的相似模拟实验中模拟煤岩样的应用。

技术总结
本发明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。


技术研发人员：张凯 杨胜利 李全生 杨英明 郭俊廷
受保护的技术使用者：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
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2023/9/23