【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(shí)驗(yàn)得出矸石似膏體的最優(yōu)配比,并利用數(shù)值模擬方法對充填系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行確定,指導(dǎo)工程實(shí)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(xiàn),總結(jié)了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀�；诹髯儗W(xué)理論,對矸石似膏體的流變特征進(jìn)行了理論分析,并針對現(xiàn)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與研究,總結(jié)了矸石似膏體的流變特征,并結(jié)合工程實(shí)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(jìn)行了計(jì)算機(jī)建模,通過數(shù)值模擬方法,對矸石似膏體管道輸送中的動態(tài)特征進(jìn)行了研究,找出其沿程阻力與不淤流速的數(shù)值模擬方法。通過運(yùn)用雷諾應(yīng)力模型,對彎管中的二次流現(xiàn)象和矸石聚集現(xiàn)象進(jìn)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(jìn)行了計(jì)算機(jī)建模,結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)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(jìn)行了分析,結(jié)合管道損傷相關(guān)理論對不滿管流的管道損傷速度進(jìn)行了定量分析。最后介紹了工程應(yīng)用情況,結(jié)合公格營子礦巷式充填現(xiàn)場實(shí)際,確定了管道直徑、彎管的彎曲半徑等管道參數(shù),并對技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)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(nèi)容如下:(1)針對現(xiàn)有流變試驗(yàn)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(jìn)行了研究。(1)現(xiàn)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(jìn)了流變儀。闡述了新型流變儀的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)組成、工作方式、并進(jìn)行了儀器的標(biāo)定。(2)通過實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果結(jié)合流變學(xué)理論,總結(jié)出矸石似膏體為一種賓漢流體,并以此為基礎(chǔ)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(xì)顆粒摻量、膠凝材料摻量,對矸石似膏體流變特性進(jìn)行了定量分析。分析了各個(gè)參數(shù)對管流阻力的影響,并確定了適合的料漿配比為:質(zhì)量濃度78%、煤矸石含量53%、粉煤灰含量20%、膠凝劑含量5%。(2)運(yùn)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(jìn)行了數(shù)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(fù)雜的二次流進(jìn)行了初步探索。(1)利用ICEM-CFD作為前處理軟件,采用高效的結(jié)構(gòu)網(wǎng)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(jìn)行了計(jì)算機(jī)建模,為不同管道形狀、不同流速料漿的數(shù)值模擬提供模型基礎(chǔ)。(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(jìn)行數(shù)值模擬。并采用區(qū)別于常用的k-ω模型的雷諾應(yīng)力模型進(jìn)行料漿的數(shù)值模擬研究。(3)模擬發(fā)現(xiàn)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(yàn)證了歐拉多相流模型對于復(fù)雜固—液多相流的模擬能力,探索了非牛頓體與固體顆粒混合多相流的數(shù)值模擬方法。發(fā)現(xiàn)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(shù)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(jìn)行分析,分析結(jié)果表明在彎管中存在水頭損失,其值與彎管彎曲半徑有關(guān),彎管的彎曲半徑越大,彎管中料漿的壓降越小,在工程中應(yīng)結(jié)合實(shí)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(jìn)行了數(shù)值模擬。對不滿管流的速度場、壓力場進(jìn)行了分析,并結(jié)合管道磨損相關(guān)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(jī)理,特別指出不滿管流是由于料漿加速運(yùn)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(tuán)或顆粒,呈射流形式向下運(yùn)動。(2)利用前處理軟件對不滿管流進(jìn)行了計(jì)算機(jī)建模,采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法,提高了運(yùn)算效率與準(zhǔn)確度。(3)分別采用不同的湍流模型,通過綜合評價(jià)射流、相變、料漿團(tuán)塊等指標(biāo),驗(yàn)證各個(gè)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(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)最大速度可達(dá)62.5m/s,同時(shí)伴有劇烈的空化現(xiàn)象與渦流,渦流中料漿運(yùn)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(jié)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(guān)系。(5)對不滿管流的壓力場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)壓力始終在水的飽和蒸汽壓附近波動,說明空化現(xiàn)象是一種動態(tài)平衡現(xiàn)象。(4)結(jié)合工程應(yīng)用,利用數(shù)值模擬方法對公格營子礦巷式充填開采管道參數(shù)進(jìn)行了選擇,其中包括管道半徑的選擇、不淤流速的計(jì)算與彎管彎曲半徑的選擇,并對充填的效果進(jìn)行了觀測,分析了技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。(1)簡要介紹了公格營子礦的工程概況,針對實(shí)際情況,并結(jié)合前文所得的矸石似膏體流變特性,采用配比為:質(zhì)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(jìn)行充填,以設(shè)計(jì)充填能力90m3/h為模擬參數(shù),利用數(shù)值模擬方法,對不同管徑下料漿的不淤流速進(jìn)行了分析,最終確定采用150mm管道,彎管彎曲半徑為800mm。(2)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況,對彎管的彎曲半徑進(jìn)行了數(shù)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(jìn)行管道布置。(3)對巷式矸石似膏體充填開采方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析,結(jié)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(fèi)用600多萬元/年,降低了生產(chǎn)成本近20元/噸。同時(shí)矸石似膏體充填模式的研究和實(shí)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(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD823.7;TD849.5

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本文編號：2319313