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1、(10)申请公布号 CN 102976700 A (43)申请公布日 2013.03.20 CN 102976700 A *CN102976700A* (21)申请号 201210453560.3 (22)申请日 2012.11.13 C04B 28/14(2006.01) (71)申请人 云南磷化集团有限公司 地址 650600 云南省昆明市晋宁县昆阳镇 (72)发明人 李耀基 李小双 王清生 何林 阳杨 王孟来 赵雷 王建勇 李铭辉 (74)专利代理机构 昆明合众智信知识产权事务 所 53113 代理人 范严生 张媛德 (54) 发明名称 用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料及其 制备方法 。
2、(57) 摘要 本发明涉及一种用于模型试验中模拟磷矿床 软夹层的材料及其制备方法。该模型相似材料以 质量份计由以下组分构成 ： 120 目天然烘干细河 砂6份， 800目建筑用石膏粉0.6 0.8 份， 600 目 重质碳酸钙粉 0.9 1.2 份， 松木屑粉 0.1 0.2 份， 工业酒精0 0.1 份， 食用明胶0 0.1 份， 黏 土 0.2 0.3 份， 水 1.8 2.0 份。本发明还公布 了该材料的制备方法。本发明提供的相似材料的 强度、 弹性模量均较低， 延性较强， 泊松比较大， 且 所用材料来源广泛， 不含毒害杂质， 无污染， 制备 过程简单， 制备效率高， 成本低廉， 可作为。
3、较理想 的模拟磷矿床软夹层的模型试验的相似材料。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 1 页 1/1 页 2 1. 一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料， 其特征是， 该材料按照质量组分计由 以下组分构成 ： 120 目天然烘干细河砂 6 份， 800 目建筑用石膏粉 0.6 0.8 份， 600 目重质 碳酸钙粉 0.9 1.2 份， 松木屑粉 0.1 0.2 份， 工业酒精 0 0.1 份， 食用明胶 0 0.1 份， 黏土 0.2 0.3 份， 水。
4、 1.8 2.0 份。 2. 按照权利要求 1 所述的用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料， 其特征是， 所述的 120 目天然烘干细河砂， 其烘干温度为 105 摄氏度， 烘干时间为 12 小时。 3. 按照权利要求 1 所述的用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料， 其特征是， 所述的 800 目建筑用石膏， 其主要成分为 b 型半水石膏， 初凝时间 3 分钟， 终凝时间 8 分钟。 4. 按照权利要求 1 所述的用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料， 其特征是， 所述的 工业酒精纯度为 75%。 5. 按照权利要求 1 所述的用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料， 其特征是， 所述的 粘土， 其主。
5、要成分为高岭石， 属于工业软质粘土。 6. 按照权利要求 1 所述的用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料， 其特征是， 所述的 水为符合国家生活饮用水卫生标准的自来水。 7. 按照权利要求 1 所述的一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料的制备方法， 其 特征是， 包括以下步骤 ： 1） 按照比例称取120目天然烘干细河砂、 800目建筑用石膏粉、 600目重质碳酸钙粉、 松 木屑粉、 食用明胶、 黏土 ； 2） 将 1） 所述的原料倒入搅拌机， 均匀搅拌 8 10 分钟 ； 3） 按照比例称取纯度为 75% 工业酒精， 并将其加入到步骤 2） 所述的混合料， 作进一步 的充分搅拌， 均匀搅拌 。
6、3 5 分钟， 得混合料 ； 4） 按照比例称取符合国家生活饮用水卫生标准的自来水， 将其加入到步骤 3） 所述的混 合料， 随后进行均匀搅拌 3 5 分钟， 得混合料 ； 5） 将步骤 4） 所述的混合料倒入预制的高径尺寸为 100mm50mm 圆柱体成型钢制磨具 中， 用振动棒震荡35分钟， 使混合材料均匀， 并去除混合材料中的气体， 最后将模型材料 表面平整、 光滑 ； 6） 将 5） 所述的制作好成型模型放入烘箱， 温度控制在 36 40， 养护 2 周后供模型 试验使用。 权 利 要 求 书 CN 102976700 A 2 1/6 页 3 用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料及其制备。
7、方法 技术领域 0001 本发明涉及一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验相似材料及其制备方法， 属于 材料科学技术领域。该相似材料主要用于磷矿床地下开采中相似材料模型试验研究。 背景技术 0002 目前采矿工程的研究主要依赖四种手段 ： 理论研究、 相似材料模型试验、 数值分析 以及现场工程实测。理论研究往往拘泥于各种理想条件假设， 所得结果与真实情况存在较 大出入 ； 采用数值分析以理想的理论公理为运算基础， 对复杂地质条件的矿山工程， 往往 受到限制 ； 现场工程实测， 往往受制于现有的采矿与测量仪器条件， 不能获取足够数据， 同 时耗费大量的人力、 物力、 财力。而相似材料模型试验以实验力。
8、学为基础， 能较好地模拟复 杂工程的施工工艺、 荷载的作用方式及时问效应等， 能研究工程的受力全过程， 从弹性到塑 性， 一直到破坏， 用这种试验不仅可以研究工程的正常受力状态， 还可以研究工程的极限荷 载及破坏形态。随着结构模型试验技术的不断发展和创新而具有独特优势， 尤其是对复杂 地质条件的矿山工程， 采用相似材料模型试验可以有效得到解决。 因此， 基于相似材料模型 试验技术具有上述独特的优越性， 该研究手段当前在国内外矿山工程界得到广泛应用。 0003 根据相似理论， 在模型试验研究中应采用相似材料来制作模型。 因此， 是否能够选 择一种能够全面、 正确反映原型物理力学性能的相似材料对对。
9、模型试验的成功与否起着决 定性作用， 进而决定了整个研究结果的成败。 当前， 国内外许多从事结构模型试验的单位和 个人， 都把相似材料的研究作为最重要的内容之一。 0004 目前在我国的矿山开采工程中， 特别是位处西南地区的滇池周围区域的磷矿开采 中， 出现了大量的软弱岩体， 一般以规模大小不等的夹层形式赋存于矿体中， 此类夹层岩体 强度与弹性模量低、 延性好， 对采矿工程的安全性带来极为不利的影响， 因此有必要找出一 种合适的模型试验相似材料来模拟此类软夹层以便开展相应的模型试验研究， 解决含软夹 层磷矿地下开采工程问题。 0005 目前正在使用的模型试验相似材料主要有如下几种 ： 1、 以。
10、环氧树脂为胶凝剂的重晶石粉和石灰材料的混合物 Oberti G, Fumagalli E. Static-geomechanical model of the Ridracoliarch-grabity dam, 4th ISRM, 1979、 清 华大学马芳平研制的 NIOS 模型材料 马芳平 , 李仲奎， 罗光福 .NIOS 模型材料及其在地 质力学相似模型试验中的应用 J. 水力发电学报， 2004， 23（1） ： 48-51、 中国科学院武汉 岩土力学研究所左保成研制的材料 左保成 , 陈从新， 刘才华等 . 相似材料试验研究 J. 岩土力学， 2004， 25（11） ： 1805。
11、-1808、 中国专利 200510104581.4 与 201110204190.5 研制 的材料、 中国科学院武汉岩土力学研究所陈陆望研制的材料 陈陆望 , 白世伟 . 脆性岩 体岩爆倾向性的相似材料配比试验研究 J. 岩土力学， 2006， 27（S） ： 1050-1054、 山东大 学王汉鹏研制的材料 王汉鹏 , 李树才， 张强勇 . 新型地质力学模型试验相似材料的研 制 J. 岩石力学与工程学报， 2006， 25（9） ： 1842-1847、 山东大学张强勇研制的材料 张 强勇 , 李树才， 郭小红 . 铁晶砂胶结新型岩土相似材料的研制及其应用 J. 岩土力学， 说 明 书 C。
12、N 102976700 A 3 2/6 页 4 2008， 29（8） ： 2126-2131、 重庆大学刘建平研制的材料 刘建平 , 姜德义， 陈结等 . 一种 岩盐相似材料的试验研究 J. 岩土力学， 2009， 30（12） ： 3660-3664、 山东大学李利平研 制的材料 李利平 , 李树才， 张庆松 . 一种新型高分子注浆材料的试验研究 J. 岩石力 学与工程学报， 2010， 29（S1） ： 3150-3156、 四川大学李弋研制的材料 李弋 , 张少杰， 徐 进等 . 混泥土高坝动力模型材料的试验研究 J. 岩土力学， 2011， 32（3） ： 757-761、 重庆 大。
13、学任松研制的材料任松, 郭松涛， 姜德义等. 岩盐蠕变相似模型及相似材料研究J. 岩土力学， 2011， 32（S1） ： 106-110、 中国矿业大学韩涛研制的材料 韩涛 , 杨维好， 杨志 江等 . 多孔介质固液耦合相似材料的研制 J. 岩土力学， 2011， 32（5） ： 1411-1417、 华北 水利水电学院董金玉研制的材料董金玉, 杨继红， 杨国香等. 基于正交设计的模型试验 相似材料的配比试验研究 J. 煤炭学报， 2012， 37（1） ： 44-49. 上述类型材料均具备较高 的强度与弹性模量， 主要用来模拟模型较完整、 较坚固与中等坚固的岩体， 不适合用来模拟 强度较低。
14、的软夹层， 且材料制备过程中存在高温固化问题， 能耗较大， 部分材料的固化过程 中存在少量的有毒气体。 0006 2、 武汉水利电力大学韩伯鲤研制的 MIB 材料 韩伯鲤 , 陈霞龄， 宁一乐等 . 岩 体相似材料的研究 J. 武汉水利电力大学学报， 1997， 30（2） ： 6-9、 中国中国专利 200910061808.X、 201110225121.8 以及 201110225644.7 研制的材料、 浙江工业职业技术学 院杜时贵研制的材料杜时贵, 黄曼， 罗战友等. 岩石结构面力学原型试验相似材料研究 J. 岩石力学与工程学报， 2010， 29（10） ： 2263-2270、 。
15、山东大学李树忱研制的材料 李 树忱 , 冯现大， 李术才等 . 新型固流耦合相似材料的研究及其应该用 J. 岩石力学与工 程学报， 2010， 29（2） ： 281-288. 上述类型材料具备较低的强度与弹性模量， 主要用来模拟 岩体中的软弱结构面、 软岩体， 且材料来源广泛， 价格低廉， 无毒无害， 但该类型材料延性不 够， 不能够模拟深部岩体材料所处高温高压特殊环境下的延性特征， 特别是西南滇池区域 寒武纪梅树村组经历过高温高压特殊环境沉积而成的磷矿床软岩夹层， 且该类型材料中的 金属材料配料外膜一旦脱落容易生锈， 影响材料的稳定性。 发明内容 0007 本发明的目的是为了克服上述模型材。
16、料的缺点， 提供一种用于模拟磷矿床软夹层 的模型试验相似材料。 本发明的另一目的是提供一种制备上述可用于模拟磷矿床软夹层的 模型试验相似材料得制备方法。 0008 本发明所述的用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料， 该材料按照质量组分计由 以下组分构成 ： 120 目天然烘干细河砂 6 份， 800 目建筑用石膏粉 0.6 0.8 份， 600 目重质 碳酸钙粉 0.9 1.2 份， 松木屑粉 0.1 0.2 份， 工业酒精 0 0.1 份， 食用明胶 0 0.1 份， 黏土 0.2 0.3 份， 水 1.8 2.0 份。 0009 所述的 120 目天然烘干细河砂， 其烘干温度为 105 摄氏。
17、度， 烘干时间为 12 小时。 0010 所述的 800 目建筑用石膏， 其主要成分为 b 型半水石膏， 初凝时间 3 分钟， 终凝 时间 8 分钟。 0011 所述的工业酒精纯度为 75%。 0012 所述的粘土， 其主要成分为高岭石， 属于工业软质粘土。 0013 所述的水为符合国家生活饮用水卫生标准的自来水。 说 明 书 CN 102976700 A 4 3/6 页 5 0014 本发明所述的一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验材料的制备方法， 其方法包 括以下步骤 ： 1） 按照比例称取120目天然烘干细河砂、 800目建筑用石膏粉、 600目重质碳酸钙粉、 松 木屑粉、 食用明胶、 黏。
18、土 ； 2） 将 1） 所述的原料倒入搅拌机， 均匀搅拌 8 10 分钟 ； 3） 按照比例称取纯度为 75% 工业酒精， 并将其加入到步骤 2） 所述的混合料， 作进一步 的充分搅拌， 均匀搅拌 3 5 分钟， 得混合料 ； 4） 按照比例称取符合国家生活饮用水卫生标准的自来水， 将其加入到步骤 3） 所述的混 合料， 随后进行均匀搅拌 3 5 分钟， 得混合料 ； 5） 将步骤 4） 所述的混合料倒入预制的高径尺寸为 100mm50mm 圆柱体成型钢制磨具 中， 用振动棒震荡35分钟， 使混合材料均匀， 并去除混合材料中的气体， 最后将模型材料 表面平整、 光滑 ； 6） 将 5） 所述的。
19、制作好成型模型放入烘箱， 温度控制在 36 40， 养护 2 周后供模型 试验使用。 0015 本发明所述的该材料采用120目天然烘干细河砂与600目重质碳酸钙粉作为基本 骨料 ； 800 目建筑用石膏作为胶凝材料， 增强模型材料硬化后的延性特征 ； 采用松木屑粉、 工业酒精、 食用明胶、 粘土、 水作为调节剂， 控制模型材料的强度与弹性模量， 调节模型材料 颗粒间的摩擦系数与结合度， 使模型材料与现实工程的岩体相似性更加贴近， 能满足模拟 不同性能的磷矿床软夹层的需要。 0016 本发明与现有技术相比， 具有如下优点 ： 1、 采用120目天然烘干细河砂与600目重质碳酸钙粉作为基本骨料制作。
20、而成模型材料 与实际磷矿床软夹层力学性质比较接近， 提高了模型试验结果的准确度。 0017 2、 采用 800 目建筑用石膏作为胶凝材料， 建筑石膏是将天然 H 水石膏等原料在 107 170的温度下煅烧成熟石膏， 再经磨细而成的白色粉状物。其主要成分为 b 型半 水石膏。建筑石膏硬化后具有很好的绝热吸音性能和较好的防火性能吸湿性能， 可增强模 型材料硬化后的延性特征， 能够在一定程度上模拟深部岩体材料所处高温高压特殊环境下 的延性特征， 特别是西南滇池区域寒武纪梅树村组经历过高温高压特殊环境沉积而成的磷 矿床软岩夹层， 使得模型试验研究与工程实践更为接近， 相应的研究成果与现场吻合度更 高。。
21、 0018 3、 采用松木屑粉、 工业酒精、 食用明胶、 粘土、 水作为调节剂， 控制模型材料的强度 与弹性模量， 调节模型材料颗粒间的摩擦系数与结合度， 提高了材料之间的粘结性， 使模型 材料与现实工程的岩体相似性更加贴近， 可以增大相似材料力学参数的变化范围， 能满足 模拟不同性能的磷矿床软夹层的需要。 0019 4、 本发明所使用的各组成受外界环境影响很小， 各组成之间不会发生相互反映， 且该类型材料不存在金属材料配料外膜脱落生锈、 毒害以及污染的问题， 使得材料在自然 条件下的力学性质较为稳定， 且在材料的制备和使用过程中不会对人体造成伤害。 0020 5、 本发明所用的材料来源广泛，。
22、 整个材料的制备过程简单， 仅需要对原料进行简 单的搅拌与常规的烘干、 护养， 其余制备均在室温下进行， 因而耗能低， 制备效率高， 成本低 廉。 说 明 书 CN 102976700 A 5 4/6 页 6 0021 6、 能够控制胶凝材料的初凝与终凝时间， 同时通过松木屑粉、 工业酒精、 食用明 胶、 粘土、 水作等调节剂可以调节材料的可塑性与颗粒空隙度， 更贴近现场工程实际情况。 附图说明 0022 附图 1 为相似材料的标准试样在单轴压缩条件下的应力应变曲线图。 具体实施方式 0023 下面结合实施例对本发明作进一步的说明， 但不限于实施例。 在实施例中， 除有特 别说明， 所有百分含。
23、量均为质量百分数。 0024 实施例 1 一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验相似材料， 其质量组分为 ： 120 目天然烘干细 河砂 6 份， 800 目建筑用石膏粉 0.6 份， 600 目重质碳酸钙粉 0.9 份， 松木屑粉 0.2 份， 工业 酒精 0.1 份， 食用明胶 0.1 份， 黏土 0.2 份， 水 1.8 份。 0025 制备方法， 包括以下步骤 ： 1） 严格按照比例称取 120 目天然烘干细河砂、 800 目建筑用石膏粉、 600 目重质碳酸钙 粉、 松木屑粉、 食用明胶、 黏土 ； 2） 将 1） 所述的原料倒入搅拌机充分搅拌， 均匀搅拌 10 分钟 ； 3） 严格按照。
24、比例称取纯度为 75% 工业酒精， 并将其加入到 2） 所述的混合料， 作进一步 的充分搅拌， 均匀搅拌 5 分钟 ； 4） 严格按照比例称取符合国家生活饮用水卫生标准的自来水， 将将其加入到 3） 所述的 混合料， 随后进行均匀搅拌 5 分钟 ； 5） 将 4） 所述的混合料倒入预制的高径尺寸为 100mm50mm 圆柱体成型钢制磨具中， 用振动棒震荡 5 分钟， 使混合材料均匀， 并去除混合材料中的气体， 最后将模型材料表面平 整、 光滑 ； 6） 将 5） 所述的制作好成型模型放入烘箱， 温度控制在 40， 养护 2 周后供模型试验使 用。 0026 实施例 2 一种用于模拟磷矿床软夹层。
25、的模型试验相似材料， 其质量组分为 ： 120 目天然烘干细 河砂 6 份， 800 目建筑用石膏粉 0.8 份， 600 目重质碳酸钙粉 0.9 份， 松木屑粉 0.1 份， 工业 酒精 0 份 （步骤 3 是有酒精的称取工艺） ， 食用明胶 0.1 份， 黏土 0.3 份， 水 1.8 份。 0027 制备方法， 包括以下步骤 ： 1） 严格按照比例称取 120 目天然烘干细河砂、 800 目建筑用石膏粉、 600 目重质碳酸钙 粉、 松木屑粉、 食用明胶、 黏土 ； 2） 将 1） 所述的原料倒入搅拌机充分搅拌， 均匀搅拌 10 分钟 ； 3） 严格按照比例称取纯度为 75% 工业酒精 。
26、（0 份酒精？ ） ， 并将其加入到 2） 所述的混合 料， 作进一步的充分搅拌， 均匀搅拌 5 分钟 ； 4） 严格按照比例称取符合国家生活饮用水卫生标准的自来水， 将其加入到 3） 所述的混 合料， 随后进行均匀搅拌 5 分钟 ； 5） 将 4） 所述的混合料倒入预制的高径尺寸为 100mm50mm 圆柱体成型钢制磨具中， 说 明 书 CN 102976700 A 6 5/6 页 7 用振动棒震荡 5 分钟， 使混合材料均匀， 并去除混合材料中的气体， 最后将模型材料表面平 整、 光滑 ； 6） 将 5） 所述的制作好成型模型放入烘箱， 温度控制在 40， 养护 2 周后供模型试验使 用。。
27、 0028 实施例 3 一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验相似材料， 其质量组分为 ： 120 目天然烘干细 河砂 6 份， 800 目建筑用石膏粉 0.8 份， 600 目重质碳酸钙粉 1.2 份， 松木屑粉 0.1 份， 工业 酒精 0.1 份， 食用明胶 0.1 份， 黏土 0.2 份， 水 2.0 份。 0029 制备方法， 包括以下步骤 ： 1） 严格按照比例称取 120 目天然烘干细河砂、 800 目建筑用石膏粉、 600 目重质碳酸钙 粉、 松木屑粉、 食用明胶、 黏土 ； 2） 将 1） 所述的原料倒入搅拌机充分搅拌， 均匀搅拌 10 分钟 ； 3） 严格按照比例称取纯度为 7。
28、5% 工业酒精， 并将其加入到 2） 所述的混合料， 作进一步 的充分搅拌， 均匀搅拌 5 分钟 ； 4） 严格按照比例称取符合国家生活饮用水卫生标准的自来水， 将将其加入到 3） 所述的 混合料， 随后进行均匀搅拌 5 分钟 ； 5） 将 4） 所述的混合料倒入预制的高径尺寸为 100mm50mm 圆柱体成型钢制磨具中， 用振动棒震荡 5 分钟， 使混合材料均匀， 并去除混合材料中的气体， 最后将模型材料表面平 整、 光滑 ； 6） 将 5） 所述的制作好成型模型放入烘箱， 温度控制在 40， 养护 2 周后供模型试验使 用。 0030 实施例 4 一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验相似材料。
29、， 其质量组分为 ： 120 目天然烘干细 河砂 6 份， 800 目建筑用石膏粉 0.7 份， 600 目重质碳酸钙粉 1.0 份， 松木屑粉 0.1 份， 工业 酒精 0.1 份， 食用明胶 0.1 份， 黏土 0.3 份， 水 1.8 份。 0031 制备方法， 包括以下步骤 ： 1） 严格按照比例称取 120 目天然烘干细河砂、 800 目建筑用石膏粉、 600 目重质碳酸钙 粉、 松木屑粉、 食用明胶、 黏土 ； 2） 将 1） 所述的原料倒入搅拌机充分搅拌， 均匀搅拌 10 分钟 ； 3） 严格按照比例称取纯度为 75% 工业酒精， 并将其加入到 2） 所述的混合料， 作进一步 的。
30、充分搅拌， 均匀搅拌 5 分钟 ； 4） 严格按照比例称取符合国家生活饮用水卫生标准的自来水， 将将其加入到 3） 所述的 混合料， 随后进行均匀搅拌 5 分钟 ； 5） 将 4） 所述的混合料倒入预制的高径尺寸为 100mm50mm 圆柱体成型钢制磨具中， 用振动棒震荡 5 分钟， 使混合材料均匀， 并去除混合材料中的气体， 最后将模型材料表面平 整、 光滑 ； 6） 将 5） 所述的制作好成型模型放入烘箱， 温度控制在 40， 养护 2 周后供模型试验使 用。 0032 实施例 5 说 明 书 CN 102976700 A 7 6/6 页 8 一种用于模拟磷矿床软夹层的模型试验相似材料， 。
31、其质量组分为 ： 120 目天然烘干细 河砂 6 份， 800 目建筑用石膏粉 0.6 份， 600 目重质碳酸钙粉 1.1 份， 松木屑粉 0 份， 工业酒 精 0.1 份， 食用明胶 0.1 份， 黏土 0.3 份， 水 1.8 份。 0033 制备方法， 包括以下步骤 ： 1） 严格按照比例称取 120 目天然烘干细河砂、 800 目建筑用石膏粉、 600 目重质碳酸钙 粉、 松木屑粉、 食用明胶、 黏土 ； 2） 将 1） 所述的原料倒入搅拌机充分搅拌， 均匀搅拌 10 分钟 ； 3） 严格按照比例称取纯度为 75% 工业酒精， 并将其加入到 2） 所述的混合料， 作进一步 的充分搅拌， 均匀搅拌 5 分钟 ； 4） 严格按照比例称取符合国家生活饮用水卫生标准的自来水， 将将其加入到 3） 所述的 混合料， 随后进行均匀搅拌 5 分钟 ； 5） 将 4） 所述的混合料倒入预制的高径尺寸为 100mm50mm 圆柱体成型钢制磨具中， 用振动棒震荡 5 分钟， 使混合材料均匀， 并去除混合材料中的气体， 最后将模型材料表面平 整、 光滑 ； 6） 将 5） 所述的制作好成型模型放入烘箱， 温度控制在 40， 养护 2 周后供模型试验使 用。 说 明 书 CN 102976700 A 8 1/1 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 102976700 A 9 。