專利名稱：用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗相似材料及其制備方法，屬于材料科學技術領域。該相似材料主要用于磷礦床地下開采中相似材料模型試驗研究。
背景技術：
目前采礦工程的研究主要依賴四種手段理論研究、相似材料模型試驗、數值分析以及現場工程實測。理論研究往往拘泥于各種理想條件假設，所得結果與真實情況存在較大出入；采用數值分析以理想的理論公理為運算基礎，對復雜地質條件的礦山工程，往往受到限制；現場工程實測，往往受制于現有的采礦與測量儀器條件，不能獲取足夠數據，同時耗費大量的人力、物力、財力。而相似材料模型試驗以實驗力學為基礎，能較好地模擬復雜工程的施工工藝、荷載的作用方式及時問效應等，能研究工程的受力全過程，從彈性到塑性，一直到破壞，用這種試驗不僅可以研究工程的正常受力狀態，還可以研究工程的極限荷載及破壞形態。隨著結構模型試驗技術的不斷發展和創新而具有獨特優勢，尤其是對復雜地質條件的礦山工程，采用相似材料模型試驗可以有效得到解決。因此，基于相似材料模型試驗技術具有上述獨特的優越性，該研究手段當前在國內外礦山工程界得到廣泛應用。
根據相似理論，在模型試驗研究中應采用相似材料來制作模型。因此，是否能夠選擇一種能夠全面、正確反映原型物理力學性能的相似材料對對模型試驗的成功與否起著決定性作用，進而決定了整個研究結果的成敗。當前，國內外許多從事結構模型試驗的單位和個人，都把相似材料的研究作為最重要的內容之一。
目前在我國的礦山開采工程中，特別是位處西南地區的滇池周圍區域的磷礦開采中，出現了大量的軟弱巖體，一般以規模大小不等的夾層形式賦存于礦體中，此類夾層巖體強度與彈性模量低、延性好，對采礦工程的安全性帶來極為不利的影響，因此有必要找出一種合適的模型試驗相似材料來模擬此類軟夾層以便開展相應的模型試驗研究，解決含軟夾層磷礦地下開采工程問題。
目前正在使用的模型試驗相似材料主要有如下幾種I、以環氧樹脂為膠凝劑的重晶石粉和石灰材料的混合物[Oberti G, Fumagalli E. Static-geomechanical model of the RidracoIiarch-grabity dam, 4th ISRM, 1979]、清華大學馬芳平研制的[OS模型材料[馬芳平，李仲奎，羅光福.NIOS模型材料及其在地質力學相似模型試驗中的應用[J].水力發電學報，2004，23 (1):48-51]、中國科學院武漢巖土力學研究所左保成研制的材料[左保成，陳從新，劉才華等.相似材料試驗研究[J] · 巖土力學，2004，25 (11) :1805-1808]、中國專利 200510104581. 4 與 201110204190. 5 研制的材料、中國科學院武漢巖土力學研究所陳陸望研制的材料[陳陸望，白世偉.脆性巖體巖爆傾向性的相似材料配比試驗研究[J].巖土力學，2006,27 (S) :1050-1054]、山東大學王漢鵬研制的材料[王漢鵬，李樹才，張強勇.新型地質力學模型試驗相似材料的研制[J]·巖石力學與工程學報，2006,25 (9M842-1847]、山東大學張強勇研制的材料[張強勇，李樹才，郭小紅.鐵晶砂膠結新型巖土相似材料的研制及其應用[J].巖土力學，2008,29 (8) :2126-2131]、重慶大學劉建平研制的材料[劉建平，姜德義，陳結等.一種巖鹽相似材料的試驗研究[J].巖土力學，2009，30 (12) :3660-3664]、山東大學李利平研制的材料[李利平，李樹才，張慶松.一種新型高分子注漿材料的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2010，29 (SI) :3150-3156]、四川大學李弋研制的材料[李弋，張少杰，徐進等.混泥土高壩動力模型材料的試驗研究[J]·巖土力學，2011,32 (3):757-761]、重慶大學任松研制的材料[任松，郭松濤，姜德義等.巖鹽蠕變相似模型及相似材料研究[J]. 巖土力學，2011, 32 (SI) :106-110]、中國礦業大學韓濤研制的材料[韓濤，楊維好,楊志江等.多孔介質固液耦合相似材料的研制[J]·巖土力學，2011,32 (5):1411-1417]、華北水利水電學院董金玉研制的材料[董金玉，楊繼紅，楊國香等.基于正交設計的模型試驗相似材料的配比試驗研究[J].煤炭學報，2012,37 (1):44-49].上述類型材料均具備較高的強度與彈性模量，主要用來模擬模型較完整、較堅固與中等堅固的巖體，不適合用來模擬強度較低的軟夾層，且材料制備過程中存在高溫固化問題，能耗較大，部分材料的固化過程中存在少量的有毒氣體。
2、武漢水利電力大學韓伯鯉研制的MIB材料[韓伯鯉，陳霞齡，寧一樂等.巖體相似材料的研究[J].武漢水利電力大學學報，1997，30 (2) :6-9]、中國中國專利 200910061808. X,201110225121. 8以及201110225644. 7研制的材料、浙江工業職業技術學院杜時貴研制的材料[杜時貴，黃曼，羅戰友等.巖石結構面力學原型試驗相似材料研究 [J].巖石力學與工程學報，2010,29 (10) :2263-2270]、山東大學李樹忱研制的材料[李樹忱，馮現大，李術才等.新型固流耦合相似材料的研究及其應該用[J].巖石力學與工程學報，2010,29 (2):281-288].上述類型材料具備較低的強度與彈性模量，主要用來模擬巖體中的軟弱結構面、軟巖體，且材料來源廣泛，價格低廉，無毒無害，但該類型材料延性不夠，不能夠模擬深部巖體材料所處高溫高壓特殊環境下的延性特征，特別是西南滇池區域寒武紀梅樹村組經歷過高溫高壓特殊環境沉積而成的磷礦床軟巖夾層，且該類型材料中的金屬材料配料外膜一旦脫落容易生銹，影響材料的穩定性。發明內容
本發明的目的是為了克服上述模型材料的缺點，提供一種用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗相似材料。本發明的另一目的是提供一種制備上述可用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗相似材料得制備方法。
本發明所述的用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗材料，該材料按照質量組分計由以下組分構成120目天然烘干細河砂6份，800目建筑用石膏粉O. 6 O. 8份，600目重質碳酸鈣粉O. 9 I. 2份，松木屑粉O. I O. 2份，工業酒精O O. I份，食用明膠O O. I 份，黏土 O. 2 O. 3份，水I. 8 2. O份。
所述的120目天然烘干細河砂，其烘干溫度為105攝氏度，烘干時間為12小時。
所述的800目建筑用石膏，其主要成分為b型半水石膏，初凝時間=3分鐘，終凝時間蘭8分鐘。
所述的工業酒精純度為75%。
所述的粘土，其主要成分為高嶺石，屬于工業軟質粘土。
所述的水為符合國家生活飲用水衛生標準的自來水。
本發明所述的一種用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗材料的制備方法，其方法包括以下步驟1)按照比例稱取120目天然烘干細河砂、800目建筑用石膏粉、600目重質碳酸鈣粉、松木屑粉、食用明膠、黏土；2)將I)所述的原料倒入攪拌機，均勻攪拌8 10分鐘；3)按照比例稱取純度為75%工業酒精，并將其加入到步驟2)所述的混合料，作進一步的充分攪拌，均勻攪拌3 5分鐘，得混合料；4)按照比例稱取符合國家生活飲用水衛生標準的自來水，將其加入到步驟3)所述的混合料，隨后進行均勻攪拌3 5分鐘，得混合料；5)將步驟4)所述的混合料倒入預制的高徑尺寸為IOOmmX50mm圓柱體成型鋼制磨具中，用振動棒震蕩3 5分鐘，使混合材料均勻，并去除混合材料中的氣體，最后將模型材料表面平整、光滑；6)將5)所述的制作好成型模型放入烘箱，溫度控制在36 40°C，養護2周后供模型試驗使用。
本發明所述的該材料采用120目天然烘干細河砂與600目重質碳酸鈣粉作為基本骨料；800目建筑用石膏作為膠凝材料，增強模型材料硬化后的延性特征；采用松木屑粉、 工業酒精、食用明膠、粘土、水作為調節劑，控制模型材料的強度與彈性模量，調節模型材料顆粒間的摩擦系數與結合度，使模型材料與現實工程的巖體相似性更加貼近，能滿足模擬不同性能的磷礦床軟夾層的需要。
本發明與現有技術相比，具有如下優點I、采用120目天然烘干細河砂與600目重質碳酸鈣粉作為基本骨料制作而成模型材料與實際磷礦床軟夾層力學性質比較接近，提高了模型試驗結果的準確度。
2、采用800目建筑用石膏作為膠凝材料，建筑石膏是將天然H水石膏等原料在 107°C 170°C的溫度下煅燒成熟石膏，再經磨細而成的白色粉狀物。其主要成分為b型半水石膏。建筑石膏硬化后具有很好的絕熱吸音性能和較好的防火性能吸濕性能，可增強模型材料硬化后的延性特征，能夠在一定程度上模擬深部巖體材料所處高溫高壓特殊環境下的延性特征，特別是西南滇池區域寒武紀梅樹村組經歷過高溫高壓特殊環境沉積而成的磷礦床軟巖夾層，使得模型試驗研究與工程實踐更為接近，相應的研究成果與現場吻合度更聞。
3、采用松木屑粉、工業酒精、食用明膠、粘土、水作為調節劑，控制模型材料的強度與彈性模量，調節模型材料顆粒間的摩擦系數與結合度，提高了材料之間的粘結性，使模型材料與現實工程的巖體相似性更加貼近，可以增大相似材料力學參數的變化范圍，能滿足模擬不同性能的磷礦床軟夾層的需要。
4、本發明所使用的各組成受外界環境影響很小，各組成之間不會發生相互反映， 且該類型材料不存在金屬材料配料外膜脫落生銹、毒害以及污染的問題，使得材料在自然條件下的力學性質較為穩定，且在材料的制備和使用過程中不會對人體造成傷害。
5、本發明所用的材料來源廣泛，整個材料的制備過程簡單，僅需要對原料進行簡單的攪拌與常規的烘干、護養，其余制備均在室溫下進行，因而耗能低，制備效率高，成本低廉MTv ο
6、能夠控制膠凝材料的初凝與終凝時間，同時通過松木屑粉、工業酒精、食用明膠、粘土、水作等調節劑可以調節材料的可塑性與顆粒空隙度，更貼近現場工程實際情況。
附圖I為相似材料的標準試樣在單軸壓縮條件下的應力應變曲線圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步的說明，但不限于實施例。在實施例中，除有特別說明，所有百分含量均為質量百分數。
實施例I一種用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗相似材料，其質量組分為120目天然烘干細河砂6份，800目建筑用石膏粉O. 6份，600目重質碳酸鈣粉O. 9份，松木屑粉O. 2份，工業酒精O. I份，食用明膠O. I份，黏土 O. 2份，水I. 8份。
制備方法，包括以下步驟1)嚴格按照比例稱取120目天然烘干細河砂、800目建筑用石膏粉、600目重質碳酸鈣粉、松木屑粉、食用明膠、黏土；2)將I)所述的原料倒入攪拌機充分攪拌，均勻攪拌10分鐘；3)嚴格按照比例稱取純度為75%工業酒精，并將其加入到2)所述的混合料，作進一步的充分攪拌，均勻攪拌5分鐘；4)嚴格按照比例稱取符合國家生活飲用水衛生標準的自來水，將將其加入到3)所述的混合料，隨后進行均勻攪拌5分鐘；5)將4)所述的混合料倒入預制的高徑尺寸為100_X50_圓柱體成型鋼制磨具中， 用振動棒震蕩5分鐘，使混合材料均勻，并去除混合材料中的氣體，最后將模型材料表面平整、光滑；6)將5)所述的制作好成型模型放入烘箱，溫度控制在40°C，養護2周后供模型試驗使用。
實施例2一種用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗相似材料，其質量組分為120目天然烘干細河砂6份，800目建筑用石膏粉O. 8份，600目重質碳酸鈣粉O. 9份，松木屑粉O. I份，工業酒精O份(步驟3是有酒精的稱取工藝)，食用明膠O. I份，黏土 O. 3份，水I. 8份。
制備方法，包括以下步驟1)嚴格按照比例稱取120目天然烘干細河砂、800目建筑用石膏粉、600目重質碳酸鈣粉、松木屑粉、食用明膠、黏土；2)將I)所述的原料倒入攪拌機充分攪拌，均勻攪拌10分鐘；3)嚴格按照比例稱取純度為75%工業酒精(O份酒精？)，并將其加入到2)所述的混合料，作進一步的充分攪拌，均勻攪拌5分鐘；4)嚴格按照比例稱取符合國家生活飲用水衛生標準的自來水，將其加入到3)所述的混合料，隨后進行均勻攪拌5分鐘；5)將4)所述的混合料倒入預制的高徑尺寸為IOOmmX50mm圓柱體成型鋼制磨具中，用振動棒震蕩5分鐘，使混合材料均勻，并去除混合材料中的氣體，最后將模型材料表面平整、光滑；6)將5)所述的制作好成型模型放入烘箱，溫度控制在40°C，養護2周后供模型試驗使用。
實施例3一種用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗相似材料，其質量組分為120目天然烘干細河砂6份，800目建筑用石膏粉O. 8份，600目重質碳酸鈣粉I. 2份，松木屑粉O. I份，工業酒精O. I份，食用明膠O. I份，黏土 O. 2份，水2. O份。
制備方法，包括以下步驟1)嚴格按照比例稱取120目天然烘干細河砂、800目建筑用石膏粉、600目重質碳酸鈣粉、松木屑粉、食用明膠、黏土；2)將I)所述的原料倒入攪拌機充分攪拌，均勻攪拌10分鐘；3)嚴格按照比例稱取純度為75%工業酒精，并將其加入到2)所述的混合料，作進一步的充分攪拌，均勻攪拌5分鐘；4)嚴格按照比例稱取符合國家生活飲用水衛生標準的自來水，將將其加入到3)所述的混合料，隨后進行均勻攪拌5分鐘；5)將4)所述的混合料倒入預制的高徑尺寸為100_X50_圓柱體成型鋼制磨具中， 用振動棒震蕩5分鐘，使混合材料均勻，并去除混合材料中的氣體，最后將模型材料表面平整、光滑；6)將5)所述的制作好成型模型放入烘箱，溫度控制在40°C，養護2周后供模型試驗使用。
實施例4一種用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗相似材料，其質量組分為120目天然烘干細河砂6份，800目建筑用石膏粉O. 7份，600目重質碳酸鈣粉I. O份，松木屑粉O. I份，工業酒精O. I份，食用明膠O. I份，黏土 O. 3份，水I. 8份。
制備方法，包括以下步驟1)嚴格按照比例稱取120目天然烘干細河砂、800目建筑用石膏粉、600目重質碳酸鈣粉、松木屑粉、食用明膠、黏土；2)將I)所述的原料倒入攪拌機充分攪拌，均勻攪拌10分鐘；3)嚴格按照比例稱取純度為75%工業酒精，并將其加入到2)所述的混合料，作進一步的充分攪拌，均勻攪拌5分鐘；4)嚴格按照比例稱取符合國家生活飲用水衛生標準的自來水，將將其加入到3)所述的混合料，隨后進行均勻攪拌5分鐘；5)將4)所述的混合料倒入預制的高徑尺寸為100_X50_圓柱體成型鋼制磨具中， 用振動棒震蕩5分鐘，使混合材料均勻，并去除混合材料中的氣體，最后將模型材料表面平整、光滑；6)將5)所述的制作好成型模型放入烘箱，溫度控制在40°C，養護2周后供模型試驗使用。
實施例5一種用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗相似材料，其質量組分為120目天然烘干細河砂6份，800目建筑用石膏粉O. 6份，600目重質碳酸鈣粉I. I份，松木屑粉O份，工業酒精O. I份，食用明膠O. I份，黏土 O. 3份，水I. 8份。
制備方法，包括以下步驟1)嚴格按照比例稱取120目天然烘干細河砂、800目建筑用石膏粉、600目重質碳酸鈣粉、松木屑粉、食用明膠、黏土；2)將I)所述的原料倒入攪拌機充分攪拌，均勻攪拌10分鐘；3)嚴格按照比例稱取純度為75%工業酒精，并將其加入到2)所述的混合料，作進一步的充分攪拌，均勻攪拌5分鐘；4)嚴格按照比例稱取符合國家生活飲用水衛生標準的自來水，將將其加入到3)所述的混合料，隨后進行均勻攪拌5分鐘；5)將4)所述的混合料倒入預制的高徑尺寸為100_X50_圓柱體成型鋼制磨具中， 用振動棒震蕩5分鐘，使混合材料均勻，并去除混合材料中的氣體，最后將模型材料表面平整、光滑；6)將5)所述的制作好成型模型放入烘箱，溫度控制在40°C，養護2周后供模型試驗使用。
權利要求
1.一種用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗材料，其特征是，該材料按照質量組分計由以下組分構成120目天然烘干細河砂6份，800目建筑用石膏粉O. 6 O. 8份，600目重質碳酸鈣粉O. 9 I. 2份，松木屑粉O. I O. 2份，工業酒精O O. I份，食用明膠O O. I份，黏土 O. 2 O. 3份，水I. 8 2. O份。
2.按照權利要求I所述的用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗材料，其特征是，所述的120目天然烘干細河砂，其烘干溫度為105攝氏度，烘干時間為12小時。
3.按照權利要求I所述的用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗材料，其特征是，所述的800目建筑用石膏，其主要成分為b型半水石膏，初凝時間=3分鐘，終凝時間=8分鐘。
4.按照權利要求I所述的用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗材料，其特征是，所述的工業酒精純度為75%。
5.按照權利要求I所述的用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗材料，其特征是，所述的粘土,其主要成分為高嶺石,屬于工業軟質粘土。
6.按照權利要求I所述的用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗材料，其特征是，所述的水為符合國家生活飲用水衛生標準的自來水。
7.按照權利要求I所述的一種用于模擬磷礦床軟夾層的模型試驗材料的制備方法，其特征是，包括以下步驟 1)按照比例稱取120目天然烘干細河砂、800目建筑用石膏粉、600目重質碳酸鈣粉、松木屑粉、食用明膠、黏土； 2)將I)所述的原料倒入攪拌機，均勻攪拌8 10分鐘； 3)按照比例稱取純度為75%工業酒精，并將其加入到步驟2)所述的混合料，作進一步的充分攪拌，均勻攪拌3 5分鐘，得混合料； 4)按照比例稱取符合國家生活飲用水衛生標準的自來水，將其加入到步驟3)所述的混合料，隨后進行均勻攪拌3 5分鐘，得混合料； 5)將步驟4)所述的混合料倒入預制的高徑尺寸為IOOmmX50mm圓柱體成型鋼制磨具中，用振動棒震蕩3 5分鐘，使混合材料均勻，并去除混合材料中的氣體，最后將模型材料表面平整、光滑； 6)將5)所述的制作好成型模型放入烘箱，溫度控制在36 40°C，養護2周后供模型試驗使用。
全文摘要
本發明涉及一種用于模型試驗中模擬磷礦床軟夾層的材料及其制備方法。該模型相似材料以質量份計由以下組分構成120目天然烘干細河砂6份，800目建筑用石膏粉0.6～0.8份，600目重質碳酸鈣粉0.9～1.2份，松木屑粉0.1～0.2份，工業酒精0～0.1份，食用明膠0～0.1份，黏土0.2～0.3份，水1.8～2.0份。本發明還公布了該材料的制備方法。本發明提供的相似材料的強度、彈性模量均較低，延性較強，泊松比較大，且所用材料來源廣泛，不含毒害雜質，無污染，制備過程簡單，制備效率高，成本低廉，可作為較理想的模擬磷礦床軟夾層的模型試驗的相似材料。
文檔編號C04B28/14GK102976700SQ201210453560
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月13日 優先權日2012年11月13日
發明者李耀基, 李小雙, 王清生, 何林, 陽楊, 王孟來, 趙雷, 王建勇, 李銘輝 申請人:云南磷化集團有限公司