【摘要】：本文以鄭煤集團(tuán)蘆溝煤礦壩體下采煤為工程背景,針對(duì)當(dāng)前煤礦應(yīng)用膠結(jié)充填開采方法存在的關(guān)鍵難題——漿體濃度、管道輸送與泌水離析三者之間的矛盾,研發(fā)了固水速率可控的新型固水材料,使得漿體在管道輸送階段保持較多自由水以滿足大流動(dòng)性要求;而在輸送至充填區(qū)域后以較快速率結(jié)合自由水,減少漿體泌水、離析等,并實(shí)現(xiàn)快速凝結(jié)硬化。論文以現(xiàn)場調(diào)研、理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬等作為研究手段,分別對(duì)大摻量粉煤灰充填漿體的流動(dòng)性能及其影響因素、新型固水材料制備及影響固水能力因素、摻加固水材料漿體的流變時(shí)變規(guī)律以及基于流變學(xué)理論的管流輸送阻力計(jì)算等內(nèi)容進(jìn)行了深入研究。綜合上述研究,本文取得的研究成果如下:(1)對(duì)充填膠結(jié)料、骨料進(jìn)行了密度、粒徑(級(jí))、孔隙率、礦物組成、化學(xué)成分、活性指數(shù)以及級(jí)配組合等性質(zhì)的測試分析,得到:(1)LFY堿激發(fā)膠結(jié)料在相同條件下早期強(qiáng)度高于P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,長期強(qiáng)度基本穩(wěn)定,有利于充填體較快發(fā)揮支撐作用;(2)電廠爐渣作為充填骨料,密度較小以及本身疏松多孔結(jié)構(gòu)有利于管道輸送。爐渣顆粒級(jí)配合理,制備的漿體穩(wěn)定性好,是實(shí)現(xiàn)大流動(dòng)性、自流輸送的物質(zhì)基礎(chǔ);爐渣顆粒含有活性SiO_2和AL_2O_3,具有潛在膠凝特性,對(duì)充填體后期強(qiáng)度具有增強(qiáng)作用;(3)基于顆�；旌厦軐�(shí)度理論,及粗骨料“骨架效應(yīng)”、細(xì)骨料“填隙效應(yīng)”等理論,對(duì)爐渣和粉煤灰兩種主要骨料進(jìn)行了理論配比計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明:爐渣與粉煤灰的混合比例在7.9:2.1時(shí),混合骨料的密實(shí)度最高�；旌媳壤�7:3~9:1范圍間混合后堆積較緊密。(2)系統(tǒng)總結(jié)了評(píng)價(jià)漿體輸送性能的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn);研究了漿體配制參數(shù)、性能指標(biāo)及影響因素敏感性分析等,得如下結(jié)論:(1)基于爐渣等骨料特點(diǎn)和自流輸送要求,漿體在滿足穩(wěn)定性前提下,追求較大流動(dòng)性,也為摻加新型固水材料提供合適的漿體環(huán)境。得到漿體輸送性評(píng)價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn):初始坍落度滿足(22~27)cm;稠度在(10~12)cm;分層度2cm;泌水12%;(2)應(yīng)用三因素三水平正交試驗(yàn)對(duì)影響漿體輸送性能的因素進(jìn)行了研究,得到適合于本文要求的漿體配比:濃度為72%,膠結(jié)料摻量6%,粉煤灰摻量15%;在骨料細(xì)度較大或粉煤灰摻量較高時(shí)濃度可達(dá)70%,漿體泌水通過新型固水材料解決;同時(shí)上述漿體配必須滿足充填體強(qiáng)度要求;(3)上述漿體配比滿足強(qiáng)度要求,8h強(qiáng)度不低于0.10MPa,基本滿足拆模要求;28d強(qiáng)度大于4.36MPa,符合長期強(qiáng)度要求。(3)新型固水材料滿足固水能力強(qiáng)、固水時(shí)機(jī)可控、固水速率可調(diào)節(jié)等要求。在大量查閱文獻(xiàn)和試配基礎(chǔ)上,選擇快硬硫鋁酸鹽水泥作主料,石灰、石膏作輔料,作為新型固水材料基料;以一種脂肪酸與其鹽的混合物作為包覆改性材料,通過混合研磨在基料表面包覆一層憎水性薄膜,通過薄膜破裂機(jī)制研究實(shí)現(xiàn)制備符合上述要求的新型固水材料。本文第四章主要研究了材料選擇、制備、性能測試、適應(yīng)性因素等內(nèi)容。(1)充填漿體中的水分為結(jié)合水、吸附水和自由水三種類型,不同類型的水相互轉(zhuǎn)換,是固水材料調(diào)控作用的機(jī)理。根據(jù)水與顆粒表面接觸的強(qiáng)度和性質(zhì),吸附水又分為緊束縛水和松束縛水;自由水劃分為重力自由水和結(jié)構(gòu)自由水,結(jié)構(gòu)自由水是指漿體中粒徑小于(0.03~0.05)mm的微細(xì)顆粒與水形成的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)包裹的自由水;(2)新型固水材料基料選擇快硬硫鋁酸鹽水泥,復(fù)合添加石灰、石膏等調(diào)整其功能;改性材料選擇一種脂肪酸與其鹽的混合物;改性工藝為干法研磨包覆改性,設(shè)備選擇φ500×500球磨機(jī);(3)影響固水材料改性效果的因素包括:改性劑添量、研磨時(shí)間。通過改性活化指數(shù)表征改性效果,表明:最佳研磨時(shí)間為60min;最佳改性材料添量為基料質(zhì)量的0.5%;(4)試驗(yàn)測試了改性活化指數(shù)、漿體PH以及漿體溫度三個(gè)因素分別對(duì)新型固水材料固水能力的影響,得到:三個(gè)因素對(duì)固水材料能力均有影響,固水能力與漿體PH和溫度呈正相關(guān)關(guān)系,與材料活化指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;固水材料在90min內(nèi)固水速率較小,后期固水速率增加較快,這基本符合充填對(duì)管輸時(shí)限的要求;(4)實(shí)驗(yàn)測試了漿體流變參數(shù)τ_y、η_p隨時(shí)間變化的規(guī)律,并回歸得到流變參數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系方程;建立了基于賓漢姆流體的漿體流變時(shí)變模型和流變方程;并基于流變學(xué)理論對(duì)管輸阻力進(jìn)行了理論計(jì)算和L型管輸送實(shí)驗(yàn)測試。(1)漿體初始屈服應(yīng)力與時(shí)間變化呈指數(shù)關(guān)系。初始屈服應(yīng)力隨時(shí)間增加而增大,可能為膠結(jié)料與固水材料水化形成結(jié)構(gòu),顆粒之間剪切摩擦力增加有關(guān);不同固水材料摻量,漿體屈服應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系方程表示為:τ_y=k_1e~(k2*t),其中k_1,k_2為與固水材料摻量有關(guān)的常數(shù);(2)漿體黏度系數(shù)與時(shí)間變化呈線性關(guān)系。隨時(shí)間變化,漿體黏度系數(shù)增加,與伴隨膠結(jié)料或固水材料水化使?jié){體變稠有關(guān);不同固水材料摻量,漿體黏度與時(shí)間關(guān)系方程表示為:η_p=k_3*t+k_4其中k_3,k_4為與不同固水材料摻量有關(guān)的常數(shù);(3)摻加固水材料后的的漿體流變模型為具有時(shí)間效應(yīng)的賓漢姆流體,其剪切應(yīng)力和黏滯度系數(shù)均與時(shí)間產(chǎn)生關(guān)系。模型方程式為:τ=τ_y+η_p*γ=k_1e(k2*t)+(k_3*t+k_4)*γ其中k_1,k_2,k_3,k_4為與不同固水材料摻量有關(guān)的常數(shù);(4)基于賓漢姆時(shí)變模型的漿體管道輸送阻力計(jì)算公式為:i_m=k_1e~(k2*t)*(?)+(k_3*t+k_4)*(?),通過L型管道試驗(yàn)驗(yàn)證,該公式計(jì)算的管流阻力比較符合現(xiàn)場情況。(5)通過FLUENT數(shù)值模擬和理論計(jì)算對(duì)蘆溝煤礦充填輸送系統(tǒng)進(jìn)行了輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì),進(jìn)行了管徑管型選擇、臨界流速計(jì)算、工作泵壓計(jì)算等;基于上述研究成果,對(duì)蘆溝煤礦充填輸送系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)自流輸送進(jìn)行了評(píng)價(jià)。(1)充填輸送系統(tǒng)能力為90m3/h,充填主管路選取內(nèi)徑為150mm,壁厚12mm的無縫鋼管。充填支管道采用相同管徑的鋼絲纏繞乙烯管,工作面采用聚乙烯軟管�？紤]地面到井下充填立管不易維修,選用內(nèi)徑150mm,壁厚為15mm的高鉻耐磨復(fù)合管。為減少輸送阻力,彎頭曲率半徑R=800mm。(2)漿體輸送速度為1.41m/s,大于所選150mm管道輸送臨界流速1.2m/s,能夠達(dá)到安全輸送要求。(3)在確定漿體配比和管輸參數(shù)條件下,管道輸送阻力計(jì)算結(jié)果表明:漿體滿足自流輸送,不需購置充填泵送設(shè)備,簡化了充填程序并節(jié)約了投資,達(dá)到本文研究目標(biāo)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD823.7

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 楊波;楊仕教;王富林;;基于ANSYS/FLOTRAN的高濃度全尾砂膠結(jié)充填管道輸送數(shù)值模擬研究[J];黃金科學(xué)技術(shù);2015年05期

2 黃玉誠;董羽;許保國;王子升;呂艷奎;;似膏體管道輸送彎管段漿體流動(dòng)數(shù)值模擬研究[J];煤炭工程;2014年03期

3 黃玉誠;武洋;常軍;;似膏體巷式充填采煤技術(shù)及應(yīng)用[J];煤炭科學(xué)技術(shù);2014年01期

4 趙利安;許振良;;粗砂漿體水平管道流動(dòng)水力坡度預(yù)測研究[J];水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào);2013年01期

5 趙衛(wèi)強(qiáng);黃玉誠;張諦;呂艷奎;;似膏體料漿管道輸送層流狀態(tài)下的數(shù)值模擬分析[J];煤炭工程;2012年11期

6 謝德瑜;;建筑物下矸石充填巷式開采技術(shù)應(yīng)用[J];煤炭工程;2011年09期

7 袁梅芳;;地下金屬礦井下移動(dòng)式充填系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J];金屬礦山;2011年09期

8 張欽禮;謝盛青;鄭晶晶;王新民;;充填料漿沉降規(guī)律研究及輸送可行性分析[J];重慶大學(xué)學(xué)報(bào);2011年01期

9 肖驍;張國旺;;微細(xì)粒礦物的選擇性解離強(qiáng)化分選技術(shù)[J];中國礦業(yè);2010年12期

10 翟永剛;吳愛祥;王洪江;陳琴瑞;李航空;嚴(yán)佳龍;;全尾砂膏體料漿的流變特性研究[J];金屬礦山;2010年12期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 李鵬程;粗顆粒垂直管水力提升規(guī)律研究[D];清華大學(xué);2007年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前5條

1 鄭伯坤;尾砂充填料流變特性和高濃度料漿輸送性能研究[D];長沙礦山研究院;2011年

2 唐曉明;高濃度粘稠物料的泵送及流變特性試驗(yàn)研究[D];浙江大學(xué);2007年

3 劉鵬亮;邢東礦充填巷式開采數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測研究[D];煤炭科學(xué)研究總院;2007年

4 喬建廷;水平管道中均質(zhì)流界限速度的研究[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2005年

5 趙利安;沉降性漿體傾斜管道摩阻損失的研究[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2004年

，

本文編號(hào)：2421748