【摘要】：本文以公格營子礦含水層下壓煤矸石似膏體充填開采為工程背景,研究了矸石似膏體的流變特性及管流特征,通過實驗得出矸石似膏體的最優(yōu)配比,并利用數值模擬方法對充填系統的參數進行確定,指導工程實踐。針對充填開采中重要的料漿流動性能問題,閱讀了大量文獻,總結了國內外研究現狀�；诹髯儗W理論,對矸石似膏體的流變特征進行了理論分析,并針對現階段流變測量儀器的不足,開發(fā)了CRT流變儀。使用新型流變儀對矸石似膏體的流變行為進行了實驗與研究,總結了矸石似膏體的流變特征,并結合工程實際,確定矸石似膏體的配比。在CFD軟件FLUENT以及ICEM-CFD的幫助下,對矸石似膏體的管流特征進行了計算機建模,通過數值模擬方法,對矸石似膏體管道輸送中的動態(tài)特征進行了研究,找出其沿程阻力與不淤流速的數值模擬方法。通過運用雷諾應力模型,對彎管中的二次流現象和矸石聚集現象進行了初步的研究。針對非穩(wěn)態(tài)流動,特別是豎直管段的不滿管流進行了計算機建模,結合數值模擬結果,分析了矸石似膏體料漿不滿管流的速度場和壓力場,對不滿管流的平均速度和最大速度進行了分析,結合管道損傷相關理論對不滿管流的管道損傷速度進行了定量分析。最后介紹了工程應用情況,結合公格營子礦巷式充填現場實際,確定了管道直徑、彎管的彎曲半徑等管道參數,并對技術經濟效益進行了分析,表明了公格營子礦采用巷式充填開采的優(yōu)越性。本文主要研究內容如下:(1)針對現有流變試驗儀器的不足,開發(fā)CRT流變儀,并采用CRT流變儀對矸石似膏體料漿的流變特性進行了研究。(1)現有流變儀對含有大固體顆粒的矸石似膏體料漿適用性較差,針對這一問題,采用新型攪拌葉片,改進了流變儀。闡述了新型流變儀的設計原理、結構組成、工作方式、并進行了儀器的標定。(2)通過實驗測試結果結合流變學理論,總結出矸石似膏體為一種賓漢流體,并以此為基礎建立了矸石似膏體流變模型。(3)針對影響料漿流變特性的濃度、細顆粒摻量、膠凝材料摻量,對矸石似膏體流變特性進行了定量分析。分析了各個參數對管流阻力的影響,并確定了適合的料漿配比為:質量濃度78%、煤矸石含量53%、粉煤灰含量20%、膠凝劑含量5%。(2)運用CFD軟件ICEM-CFD、FLUENT和CFD-POST對矸石似膏體料漿的管流動態(tài)特征進行了數值模擬分析。分別模擬了料漿在直管與彎管中穩(wěn)定流動狀態(tài)下不同流速的流動行為,分析矸石似膏體料漿的不淤流速與沿程阻力,并對彎管中復雜的二次流進行了初步探索。(1)利用ICEM-CFD作為前處理軟件,采用高效的結構網格劃分方法,以及引入非牛頓體湍流模型,對矸石似膏體料漿管道輸送進行了計算機建模,為不同管道形狀、不同流速料漿的數值模擬提供模型基礎。(2)利用fluent作為求解器,引入固—液多相流模型,對矸石似膏體料漿的管輸動態(tài)特征進行數值模擬。并采用區(qū)別于常用的k-ω模型的雷諾應力模型進行料漿的數值模擬研究。(3)模擬發(fā)現在直管中,由于摩擦阻力的作用,存在壓降與流核。在低速下,矸石似膏體料漿為層流狀態(tài),驗證了歐拉多相流模型對于復雜固—液多相流的模擬能力,探索了非牛頓體與固體顆�；旌隙嘞嗔鞯臄抵的M方法。發(fā)現料漿層流狀態(tài)下,隨著流速的增大,流核逐漸變小、流核流速逐漸增大、水頭損失逐漸增大;隨著管道管徑的增大,矸石似膏體料漿的沿程阻力逐漸減小。探索了利用數值模擬分析矸石似膏體料漿固體沉降狀態(tài),以及不淤流速的方法。(4)對不同彎曲半徑彎管的壓力場進行分析,分析結果表明在彎管中存在水頭損失,其值與彎管彎曲半徑有關,彎管的彎曲半徑越大,彎管中料漿的壓降越小,在工程中應結合實際選擇彎曲半徑較大的彎管。(3)利用fluent軟件的相變模型,對豎直管段不滿管流進行了數值模擬。對不滿管流的速度場、壓力場進行了分析,并結合管道磨損相關理論,定量分析了不滿管段料漿對管道的磨損作用。(1)闡述了兩種典型的非穩(wěn)態(tài)流的發(fā)生機理,特別指出不滿管流是由于料漿加速運動使?jié){體由最初的漿體柱被拉成小段的分段體,再由小段體離散成小團或顆粒,呈射流形式向下運動。(2)利用前處理軟件對不滿管流進行了計算機建模,采用結構網格劃分方法,提高了運算效率與準確度。(3)分別采用不同的湍流模型,通過綜合評價射流、相變、料漿團塊等指標,驗證各個模型對于不滿管流的模擬效果,最終確定sst-kw為最佳的不滿管流模擬湍流模型。(4)對矸石似膏體料漿不滿管流的速度場進行了數值模擬,發(fā)現最大速度可達62.5m/s,同時伴有劇烈的空化現象與渦流,渦流中料漿運動方向一直處于變化之中。料漿平均含氣量在60%~70%,這是造成管道堵塞的重要原因。結合管道磨損的hutchings理論,論證了料漿對管道的磨損速度與料漿速度的平方成正比關系。(5)對不滿管流的壓力場進行了數值模擬研究,發(fā)現壓力始終在水的飽和蒸汽壓附近波動,說明空化現象是一種動態(tài)平衡現象。(4)結合工程應用,利用數值模擬方法對公格營子礦巷式充填開采管道參數進行了選擇,其中包括管道半徑的選擇、不淤流速的計算與彎管彎曲半徑的選擇,并對充填的效果進行了觀測,分析了技術經濟效益。(1)簡要介紹了公格營子礦的工程概況,針對實際情況,并結合前文所得的矸石似膏體流變特性,采用配比為:質量濃度76%、煤矸石含量53%、粉煤灰含量20%、膠凝劑含量3%的矸石似膏體料漿進行充填,以設計充填能力90m3/h為模擬參數,利用數值模擬方法,對不同管徑下料漿的不淤流速進行了分析,最終確定采用150mm管道,彎管彎曲半徑為800mm。(2)結合現場實際情況,對彎管的彎曲半徑進行了數值模擬分析,通過對不同彎曲半徑彎管的水頭損失分析,確定采用R=800mm彎曲半徑的彎管進行管道布置。(3)對巷式矸石似膏體充填開采方法的技術經濟效益進行了分析,結果顯示巷式充填開采可解放煤量300萬噸,利潤2億多元,節(jié)約排水費用600多萬元/年,降低了生產成本近20元/噸。同時矸石似膏體充填模式的研究和實踐為“三下”開采、礦山綠色開采開辟了一條理想的途徑,具有重大的社會效益和環(huán)保效益。
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【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD823.7;TD849.5

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本文編號：2319313