一种用于制备模拟褶曲构造的相似材料组合及其方法

摘要

本发明公开了一种用于制备模拟褶曲构造的相似材料组合及其方法，按照质量百分比相似材料一包括：15％‑37.5％的细砂、37.5％‑60％的石膏粉、1％‑4％的白乳胶与水。按照质量百分比相似材料二包括：15％‑37.5％的煤粉、37.5％‑60％的石膏粉、1％‑3％的白乳胶与水。两相似材料均可以配合对应的辅料，比如1％‑2％的硼砂、0.5％‑1％的皂化油、1％‑2％的云母粉、0％‑2％的铁粉、0％‑2％的细木屑与0.5％‑1％的淀粉糊。其前期具有很强的变形性，可模拟褶曲构造的挤压形成，所制备褶曲构造模型后期又具备稳定的岩石力学性质，可承受一定强度，能实现岩石工程的力学试验及模拟，以满足试验室研究褶曲构造区域围岩稳定性控制的需要。

权利要求

1.一种使用相似材料组合制备模型的方法，其包括以下步骤：A、相似材料一的制备

A1、按照比例称取细砂、石膏粉、硼砂、皂化油、云母粉、铁粉、细木屑，并将其充分搅拌，得混合料一；

A2、按照比例称取白乳胶、水与淀粉糊，按需加入其他添加剂并将其充分搅拌，得到水胶混合液一；

A3、将水胶混合液一分三次倒入混合料一中，均匀搅拌三分钟至五分钟，得到相似材料一；

B、相似材料二的制备

B1、按照比例称取煤粉、石膏粉、硼砂、皂化油、云母粉、铁粉、细木屑，并将其充分搅拌，得混合料二；

B2、按照比例称取白乳胶、水与淀粉糊，按需加入其他添加剂并将其充分搅拌，得到水胶混合液二；

B3、将水胶混合液二分三次倒入混合料二中，均匀搅拌三分钟至五分钟，得到相似材料二；

按照质量百分比相似材料一包括：

细砂          15％-37.5％；

石膏粉        37.5％-60％；

白乳胶        1％-4％；

余量为水；

按照质量百分比相似材料二包括：

煤粉          15％-37.5％；

石膏粉        37.5％-60％；

白乳胶        1％-3％；

余量为水；

上述相似材料一与相似材料二中均包括以下辅料：上述细砂为过16目筛网的天然烘干细河砂；石膏粉为建筑用石膏粉，初凝时间≤30分钟；白乳胶压剪强度大于5MPa，煤粉为400目煤粉研磨机研磨所得；

上述皂化油作为防锈剂；云母粉作为分层材料；铁粉及细木屑用于增大或减小容重；淀粉糊作为增稠剂；

C、模型的制备

C1、单轴模型的制备

将相似材料一、相似材料二分别倒入预制的圆柱体模具中，并在振动台上震荡二至三分钟，除去气泡；

C2、褶曲构造模型的制备

将刚配制好的不同强度的相似材料一、相似材料二，分层平铺于特定的褶曲构造模拟装置中，铺设过程中待上一层振动捣实初步成型后，再铺设下一层；铺设完成后，静置三十分钟，将装置放于试验机进行挤压形成褶曲构造模型；

D、褶曲构造模型的烘干处理

将制备好的褶曲构造模型放入真空烘干箱中，温度控制在70℃-90℃之间，七十二小时后脱模，将脱模后的褶曲构造模型继续放入烘干箱中，二十四小时后取出，对边界进行切割打磨备用。

说明书

一种用于制备模拟褶曲构造的相似材料组合及其方法

技术领域

[0001] 本发明涉及材料技术领域，尤其涉及含褶曲型煤层构造模拟的相似材料组合及其制备方法，主要用于褶曲构造小模型的制备及其巷道开挖、煤层开采相似材料试验。

背景技术

[0002] 地层中有相当比例的煤炭资源赋存于褶皱地质构造之内，但是褶曲构造附近常常发生冲击矿压，褶曲构造又可影响煤体应力强度及采矿工程稳定性，从而给煤矿的开采带来了一定的困难，这严重的制约着煤矿的安全、高效、健康发展。然而对褶曲区应力分布及稳定性分析只在数值模拟上取得一定进展，缺少相应的相似模拟试验来进一步研究。

[0003] 相似模拟试验，可通过选择合适的相似材料和相似比，一系列严格控制的边界条件来模拟力学现象。因此，在模型试验的研究过程中，选择满足物理力学性能相似关系的模型材料是模型试验的基础，也是模型试验是否成功的关键。要制备力学试验所需要的褶曲构造模型，其相似材料不仅要具有强变形性，能完成褶曲构造的形成，还应该具备岩石介质的物理力学性质，可用于实验室工程力学试验。

[0004] 对于目前常用的岩石相似材料，可满足岩石的各种物理力学性质，但因其初凝期变形性质较差、固结时间短，不能模拟褶曲模型的形成过程，因而不宜作为模拟褶曲构造的相似材料。

[0005] 现阶段，对于褶曲构造的模拟均来源于砂箱试验，并发展为构造物理模拟实验平台，用于地质领域及石油领域，研究地质构造的成因机制。实验材料多以松散石英砂为主，加入各种添加剂等。主要有以下几种：

[0006] 1920年W.J.Mead用石蜡在常温下进行了褶皱形成过程的模拟试验；李四光教授用粘土开展了“山”、“歹”、“多”字型构造成因机制的物理模拟实验；

[0007] 2004年单家增采用不同配比的凡士林和石蜡的混合物对对称褶皱和不对称褶皱成因机制的构造物理模拟实验研究；

[0008] 2004年王颖、王英民等用砂+凡士林+石蜡+粘土+水、石膏+水、滑石粉+白乳胶、煤粉+水、砂+粘土+水、粘土+水，6种相对硬度的材料，模拟了褶皱型潜山-庄西潜山的形成过程；

[0009] 2006年周建勋等用粒径0.2～0.5mm松散石英砂通过砂箱物理模拟试验，解释了柴达木盆地北缘反s形褶皱冲断带变形机制；

[0010] 2011年徐子英、孙珍等用松散石英砂模拟脆性上地壳和同构造沉积，用砂+红色硅酮模拟韧性下地壳，用黄色燃料+丙醇模拟软弱体，利用物理模拟方法，设置了6组实验模型，讨论了软弱体对莺-琼两盆地凹陷中心挤压褶皱发育的影响；

[0011] 2012年汪昌亮用干燥石英砂模拟上地层脆性地层，用粘性硅胶模拟上地层膏岩层、滑脱层，对青藏高原东缘新生代隆升机制进行了研究，得到了很好的效果。

[0012] 以上材料均可用于褶曲构造模拟，能很好的反映褶曲构造的演化过程和成因机制，但以石英砂为主的材料较为松散，完整性较差，很难制备成模型试块；上述材料可作为地质模型相似材料，但不宜作为岩石相似材料；所制褶曲模型常伴随断层现象，模型均不可取出或移动，不具备后期加载强度，一般不用于实验室内小模型试件的力学实验分析，也不宜进行诸如巷道开挖或煤层开采等工程模拟。且上述材料性质与煤岩体性质相差较大，不适宜作为煤岩的相似材料。因此，需要研制一种新的岩层及煤层相似材料，既可模拟褶曲构造的挤压形成，又具备稳定的岩石力学性质。

发明内容

[0013] 鉴于上述现有技术的不足，本发明提供的一种用于制备模拟褶曲构造的相似材料组合及其方法。

[0014] 为解决上述技术问题，本发明技术方案包括：

[0015] 一种用于制备模拟褶曲构造的相似材料组合，其包括模拟岩层的相似材料一及模拟煤层的相似材料二；

[0016] 按照质量百分比相似材料一包括：

[0017]

[0018] 按照质量百分比相似材料二包括：

[0019]

[0020] 所述的相似材料组合，其中，上述相似材料一与相似材料二中均包括以下辅料：

[0021]

[0022]

[0023] 所述的相似材料组合，其中，上述细砂为过16目筛网的天然烘干细河砂；石膏粉为建筑用石膏粉，初凝时间≤30分钟；白乳胶压剪强度大于5MPa，煤粉为400目煤粉研磨机研磨所得。

[0024] 所述的相似材料组合，其中，上述皂化油作为防锈剂；云母粉作为分层材料；铁粉及细木屑用于增大或减小容重；淀粉糊作为增稠剂。

[0025] 一种使用所述相似材料组合制备模型的方法，其包括以下步骤：

[0026] A、相似材料一的制备

[0027] A1、按照比例称取细砂、石膏粉、硼砂、皂化油、云母粉、铁粉、细木屑，并将其充分搅拌，得混合料一；

[0028] A2、按照比例称取白乳胶、水与淀粉糊，按需加入其他添加剂并将其充分搅拌，得到水胶混合液一；

[0029] A3、将水胶混合液一分三次倒入混合料一中，均匀搅拌三分钟至五分钟，得到相似材料一；

[0030] B、相似材料二的制备

[0031] B1、按照比例称取煤粉、石膏粉硼砂、皂化油、云母粉、铁粉、细木屑，并将其充分搅拌，得混合料二；

[0032] B2、按照比例称取白乳胶、水与淀粉糊，按需加入其他添加剂并将其充分搅拌，得到水胶混合液二；

[0033] B3、将水胶混合液二分三次倒入混合料二中，均匀搅拌三分钟至五分钟，得到相似材料二；

[0034] C、模型的制备

[0035] C1、单轴模型的制备

[0036] 将相似材料一、相似材料二分别倒入预制的圆柱体模具中，并在振动台上震荡二至三分钟，除去气泡；

[0037] C2、褶曲构造模型的制备

[0038] 将刚配制好的不同强度的相似材料一、相似材料二，分层平铺于特定的褶曲构造模拟装置中，铺设过程中待上一层振动捣实初步成型后，再铺设下一层；铺设完成后，静置三十分钟，将装置放于试验机进行挤压形成褶曲构造模型；

[0039] D、褶曲构造模型的烘干处理

[0040] 将制备好的褶曲构造模型放入真空烘干箱中，温度控制在70℃-90℃之间，七十二小时后脱模，将脱模后的褶曲构造模型继续放入烘干箱中，二十四小时后取出，对边界进行切割打磨备用。

[0041] 本发明提供的一种用于制备模拟褶曲构造的相似材料组合及其方法，采用细砂、石膏粉、白乳胶、水与辅料形成的相似材料一以及采用煤粉、石膏粉、白乳胶、水与辅料形成相似材料二，具有制作工艺简单、材料来源广，无毒等优点，组合材料前期具有很强的变形性，通过相应的方法可模拟褶曲构造的挤压形成，且所制备的褶曲构造模型后期又具备稳定的岩石力学性质，其强度可根据材料配比及白乳胶含量进行较大范围调节，从而实现岩石工程的力学试验，能够进行诸如巷道开挖或煤层开采等工程物理模拟，满足了试验室研究褶曲构造区域围岩稳定性控制的需要。

附图说明

[0042] 图1为实施例1所配制相似材料一模型的单轴压缩应力-应变曲线；

[0043] 图2为实施例1所配制相似材料二模型的单轴压缩应力-应变曲线；

[0044] 图3为实施例2所配制相似材料一模型的单轴压缩应力-应变曲线；

[0045] 图4为实施例2所配制相似材料二模型的单轴压缩应力-应变曲线；

[0046] 图5为实施例3所配制相似材料一模型的单轴压缩应力-应变曲线；

[0047] 图6为实施例3所配制相似材料二模型的单轴压缩应力-应变曲线；

[0048] 图7为实施例4所配制相似材料一模型的单轴压缩应力-应变曲线；

[0049] 图8为实施例4所配制相似材料二模型的单轴压缩应力-应变曲线。

具体实施方式

[0050] 本发明提供了一种用于制备模拟褶曲构造的相似材料组合及其方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0051] 本发明提供了一种用于制备模拟褶曲构造的相似材料组合，按照质量百分比相似材料一包括：15％-37.5％的细砂、37.5％-60％的石膏粉、1％-4％的白乳胶与水。按照质量百分比相似材料二包括：15％-37.5％的煤粉、37.5％-60％的石膏粉、1％-3％的白乳胶与水。当然相似材料一与相似材料二可以配合对应的辅料，比如1％-2％的硼砂、0.5％-1％的皂化油、1％-2％的云母粉、0％-2％的铁粉、0％-2％的细木屑与0.5％-1％的淀粉糊，形成性能更优越的材料。

[0052] 为了更详尽的描述本发明一下列举更为详尽的实施例。

[0053] 实施例1

[0054] 相似材料一包括：30％的细砂、45％的石膏粉、2.3％的白乳胶与22.7％的水；

[0055] 相似材料二包括：30％的煤粉、45％的石膏粉、1.5％的白乳胶与23.5％的水。

[0056] 实施例2

[0057] 相似材料一包括：22.5％的细砂、52.5％的石膏粉、4％的白乳胶、17％的水、1％的硼砂、0.5％的皂化油、2％的云母粉、0.5％的铁粉、0.5％的细木屑与0.5％的淀粉糊；

[0058] 相似材料二包括：22.5％的煤粉、52.5％的石膏粉、1％的白乳胶、18％的水、2％的硼砂、0.5％的皂化油、1％的云母粉、1％的铁粉、1％的细木屑与0.5％的淀粉糊。

[0059] 实施例3

[0060] 相似材料一包括：37.5％的细砂、37.5％的石膏粉、3％的白乳胶、15.5％的水、1.5％的硼砂、1％的皂化油、1％的云母粉、2％的铁粉与1％的淀粉糊；

[0061] 相似材料二包括：37.5％的煤粉、37.5％的石膏粉、2％的白乳胶、17％的水、1％的硼砂、0.5％的皂化油、1％的云母粉、2％的细木屑与0.5％的淀粉糊。

[0062] 实施例4

[0063] 相似材料一包括：15％的细砂、60％的石膏粉、2％的白乳胶、18.5％的水、1％的硼砂、0.5％的皂化油、1％的云母粉、0.5％的铁粉、1％的细木屑与0.5％的淀粉糊；

[0064] 相似材料二包括：15％的煤粉、60％的石膏粉、1％的白乳胶、19.5％的水、1％的硼砂、0.5％的皂化油、1％的云母粉、0.5％的铁粉、1％的细木屑与0.5％的淀粉糊。

[0065] 本发明还提供了一种使用上述相似材料组合制备褶曲构造模型的方法，其具体的是将上述实施例1-实施例4的相似材料按照如下方法操作：

[0066] 步骤A：相似材料一的制备

[0067] 步骤A1：按照比例称取细砂、石膏粉、硼砂、皂化油、云母粉、铁粉、细木屑，并将其充分搅拌，得混合料一；

[0068] 步骤A2：按照比例称取白乳胶、水与淀粉糊，按需加入添加剂并将其充分搅拌，得到水胶混合液一；

[0069] 步骤A3：将水胶混合液一分三次倒入混合料一中，均匀搅拌三分钟至五分钟，得到相似材料一；

[0070] 步骤B：相似材料二的制备

[0071] 步骤B1：按照比例称取煤粉、石膏粉、硼砂、皂化油、云母粉、铁粉、细木屑，并将其充分搅拌，得混合料二；

[0072] 步骤B2：按照比例称取白乳胶、水与淀粉糊，按需加入添加剂并将其充分搅拌，得到水胶混合液二；

[0073] 步骤B3：将水胶混合液二分三次倒入混合料二中，均匀搅拌三分钟至五分钟，得到相似材料二；

[0074] 步骤C：褶曲构造模型的制备

[0075] 将刚配制好的不同强度的相似材料一、相似材料二，分层平铺于特定的褶曲构造模拟装置中，铺设过程中待上一层振动捣实初步成型后，再铺设下一层；铺设完成后，静置三十分钟，将装置放于试验机进行挤压形成褶曲构造模型；

[0076] 步骤D：褶曲构造模型的烘干处理

[0077] 将制备好的褶曲构造模型放入真空烘干箱中，温度控制在70℃-90℃之间，七十二小时后脱模，将脱模后的褶曲构造模型继续放入烘干箱中，二十四小时后取出，对边界进行切割打磨备用。

[0078] 当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。