[发明专利]一种用于模拟采空区温度场的自发热相似材料及制备方法

说明书

本发明一种用于模拟采空区温度场的自发热相似材料及制备方法，结合了铁粉的氧化还原性和煤体的多孔介质特性，研制了一种与煤的氧化升温特原理相似，并且能在室温下就能进行自氧化自发热的相似材料，用来在实验室模拟采空区遗煤的氧化升温过程。该相似材料由自热材料和煤体组成，利用煤作为多孔介质骨架，将自热材料附着在煤体表面进行产热，可通过选用不同粒径的煤来实现采空区的非均质特性。本发明中煤和自发热材料的最佳配比为1：1，其中自热材料的最优配比为56%，还原铁粉，23%水分，5%NaCl，5%活性炭，10%蛭石，1%高吸水性树脂。本发明材料室温下放热量大，发热效果好，放热持续时间长，是一种高性能的自发热相似材料。

技术领域：

本发明涉及一种用于模拟采空区温度场的自发热相似材料。

背景技术：

采空区自然发火一直都是煤矿安全领域研究的重点问题。由于采空区地质条件极其复杂，其内部氧浓度与温度的监测监控在现场难以实施，因此，一般会采用理论计算或模拟的方法对其规律进行研究。但数学模型理想化参数过多，一般都是静态的模拟或者在工作面不推动时进行瞬态模拟研究，实际都是静态的采空区模型，而相似实验台的研究多集中于风流场的研究，忽略煤体本身的氧化升温过程，然而，仅根据内部风流渗透规律来确定遗煤自然发火的位置并不准确。

采用煤在实验室进行实验时，其氧化过程极慢且对蓄热条件极高，所以，一般都会采用相似材料来代替煤进行实验，但目前为止并没有一种相似材料与煤的氧化过程相似，并且能在室温下形成明显温度场。

发明内容：

本发明的目的在于，研制一种模拟采空区温度场的自发热相似材料，与煤的氧化机理相似，且能在室温下形成明显的温度场，具有适用性强、稳定性高、成本低等特点。

采空区自发热相似材料机理：采空区自发热相似材料是一种将不同粒度的煤与一定比例的胶状自热材料混合形成的复合物。复合物中的主体骨架为取自工作面新鲜煤样，形成采空区多孔介质结构，自发热材料均匀附着在煤粒表面，能使放热整体均匀、稳定、持续时间长。

经过对比分析各类易发热材料的放热特性，选择的自发热材料配制方案是：采用还原铁粉，活性炭，NaCl，蛭石([Mg_0.5(H₂O)₄Mg₃[AlSi₃O₁₀](OH)₂])，高吸水性树脂的混合热样，作为自发热材料。

本发明的技术方案是：一种用于模拟采空区温度场的自发热相似材料，该相似材料由煤与自发热材料混合而成，煤体与自热材料配比1-2∶1-3。

进一步，所述自热材料的各个组分的质量百分比：还原Fe粉53-58％，水分20-25％，NaCl4-8％，活性炭4-8％，蛭石8-12％，高吸水性树脂1-5％。

进一步，所述还原Fe粉的粒度为80-100目、活性炭的粒度为200-300目，蛭石粒度为100目，高吸水性树脂粒度为100目。

本发明的另一目的是提供上述自发热相似材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1.配料：按照设计成分分别称取原料，备用；

步骤2：将步骤1称取的原理料分别独立存储，先将水分与吸水性树脂混合形成胶体，再将还原Fe粉、NaCl和蛭石按依次加入，搅拌即得到自热材料胶体；

步骤3：将步骤2得到的自热材料胶体与煤按照1-2∶1-3混合均匀，即得自发热相似材料。

一种如上述方法制备得到的自发热相似材料在模拟采空区温度场中应用。

还原铁粉与活性炭互相催化，铁粉在潮湿环境下氧化放热，树脂吸收容纳水分，NaCl提供原电池潮湿环境，起到催化剂的作用，活性炭增大铁粉的接触比表面积，蛭石有保温作用。