煤矿采空区风力充填粉煤灰气力输送特性试验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生毕业论文 I 煤矿采空区风力充填粉煤灰气力输送特性试验研究 摘 要 随着目前煤质以及赋存条件比较好的煤炭资源逐渐枯竭， 对之前由于开 采技术不足、经济成本比较高而放弃开采的“三下”煤炭资源重新进行开 采又进入了人们的视野。与此同时，传统煤炭开采方法还会形成大量的采 空区从而使得地表的建筑物和构筑物发生沉陷，并且在地表还会有大量的 煤矸石堆积，这就使得大量农村可耕土地被严重污染，堆存煤矸石的尾矿 库还存在着滑坡崩塌的隐患。 基于上述工程背景， 进一步深入研究并推广采用充填开采技术不仅可以 减轻煤炭开采对地表建筑以及环境的影响，而且还可以合理利用煤矸石以 及煤炭燃烧后的粉煤灰等废弃物，能够有力地推动我国煤炭开采与利用领 域的变革，实现煤炭清洁高效利用。 本文以煤矿采空区风力充填为研究背景，采用粉煤灰为输送物料、干燥 洁净压缩空气为输送气体，通过太原理工大学正压仓泵式气力输送系统， 并综合运用 ECT 电容层析成像系统，对整个气力输送过程中的相关输送特 性进行了研究。本文的主要研究内容与方法主要包括以下几个方面 1、总结分析了目前国内外气力输送理论研究成果； 2、介绍了整个气力输送系统的组成单元与主要设备情况； 3、运用理论研究方法对气力输送中输送物料颗粒的受力情况进行了分 析研究； 太原理工大学硕士研究生毕业论文 II 4、运用理论研究方法对与气力输送密切相关的各项参数进行了计算分 析； 5、通过布置于输送管道中的压力变送器，运用实验研究方法对整个气 力输送系统各个节点的压力变化情况进行了分析研究，并综合运用理论研 究方法对水平弯管输送的压降变化规律进行了分析研究。 6、通过布置于输送管道中的 ECT 电容层析成像系统，运用实验研究方 法对不同气力输送条件下整个输送过程中气固两相流流型的变化情况进行 了研究。 关键词煤矿采空区，粉煤灰，气力输送，水平弯管，电容层析成像 太原理工大学硕士研究生毕业论文 III EXPERIMENTALSTUDY ON PNEUMATIC CONVEYING CHARACTERISTICS OF FLYASH FILLED IN COALMINE GOAF ABSTRACT The coal resources with good geological conditions are relatively depleted, and now remining the coal resources under water, roads and buildings has entered peoples field of vision again. At the same time, traditional coal mining can be ed lots of mined out area, so as to make the surface buildings and structures of subsidence, and the surface will have a large number of coal gangue accumulation, which makes a large number of rural arable land and seriously pollutions, stockpiling of coal gangue tailings still exist hidden danger of collapse and landslide. Based on this engineering background and further research of filling mining technology, the researches could not only reduce the surface construction and the environment pollutions from the coal mining, but also promote effectively utilization of the coal mining area change and finally realize the clean and efficient use of coal. With in pneumatic filling as the research background, this paper uses fly ash as transporting material and dry clean compressed air as transport gas, by TYUT positive pressure pumps pneumatic conveying system and comprehensive 太原理工大学硕士研究生毕业论文 IV application of electrical capacitance tomography system. The pneumatic conveying process related transport characteristics were studied. The main research contents and s include the following aspects 1. This article summarized and analyzed the current domestic and foreign research results of pneumatic conveying theory; 2. This article introduced the whole pneumatic conveying system of the components and main equipment; 3. By the use of theoretical s of pneumatic conveying material particles, this article analyzed the the force situation of the pneumatic conveying; 4. By the use of theoretical research s, the article analyzed the parameters closely related to the pneumatic conveying; 5. By the use of experimental s, this article arranged to transport pipeline pressure transmitter of the pneumatic conveying system, and analyzed each node of the pressure changes to study the horizontal bend pipe conveying pressure drop variation. 6. By the use of experimental s of electrical capacitance tomography system and arranged on the conveying pipe in different pneumatic conveying parts, this article studied the transfer process of gas solid two phase flow pattern changes. KEY WORDS coal mined goaf, fly ash, pneumatic conveying, horizontal bent pipe, ECT 太原理工大学硕士研究生毕业论文 V 目录 第一章第一章 绪论绪论.....................................................................................................................................1 1.1 研究课题的提出及意义.......................................................................................................1 1.2 充填开采研究现状................................................................................................................2 1.2.1 顶板管理的四种方法.....................................................................................................2 1.2.2 充填开采的研究现状.....................................................................................................3 1.3 气力输送研究现状................................................................................................................5 1.3.1 气力输送技术的发展.....................................................................................................5 1.3.2 气力输送技术的特点.....................................................................................................6 1.3.2 气力输送系统的分类.....................................................................................................7 1.4 研究的主要内容与方法.....................................................................................................11 1.5 研究的技术路线..................................................................................................................11 第二章第二章 粉煤灰粉煤灰气力输送系统与理论研究气力输送系统与理论研究................................................................................ 13 2.1 粉煤灰气力输送系统......................................................................................................... 13 2.2 粉煤灰气力输送理论研究.................................................................................................25 2.2.1 物料性质........................................................................................................................25 2.2.2 气力输送系统主要参数.............................................................................................. 30 2.2.3 气力输送系统的受力特性..........................................................................................36 2.2.4 气力输送系统的动力学特征......................................................................................41 2.3 小结.......................................................................................................................................49 第三章第三章 粉煤灰气力输送阻力粉煤灰气力输送阻力特性研究特性研究.....................................................................................51 3.1 粉煤灰气力输送实验方案.................................................................................................51 3.1.1 气力输送实验主要内容与方法..................................................................................51 3.1.2 气力输送实验主要流程.............................................................................................. 51 3.1.3 气力输送实验数据记录.............................................................................................. 53 3.2 气力输送阻力特性研究.....................................................................................................54 3.3 水平弯管压降特性..............................................................................................................59 3.3.1 气相摩擦压力损失.......................................................................................................60 太原理工大学硕士研究生毕业论文 VI 3.3.2 重力压力损失...............................................................................................................61 3.3.3 动能压力损失...............................................................................................................62 3.3.4 固相摩擦压力损失.......................................................................................................63 3.4 小结.......................................................................................................................................64 第四章第四章 电容层析成像技术气力输送系统输送电容层析成像技术气力输送系统输送特性研究特性研究.......................................................65 4.1 ECT 测量的基本原理..........................................................................................................65 4.1.1 ECT 测量原理................................................................................................................65 4.1.2 ECT 测量电路................................................................................................................65 4.2 ECT 图像重建准则..............................................................................................................66 4.3 ECT 图像重建算法..............................................................................................................68 4.4 ECT 图像重建系统..............................................................................................................73 4.5 ECT 实验数据综合分析......................................................................................................75 4.6 小结.......................................................................................................................................85 第五章第五章 结论与展望结论与展望.......................................................................................................................87 5.1 基本结论...............................................................................................................................87 5.2 主要问题...............................................................................................................................88 5.3 改进方向...............................................................................................................................88 参考文献参考文献..........................................................................................................................................91 致致谢谢..............................................................................................................................................95 攻读硕士期间发表论文和参加的科研项目攻读硕士期间发表论文和参加的科研项目..............................................................................97 太原理工大学硕士研究生毕业论文 1 第一章 绪论 1.1 研究课题的提出及意义 我国的能源结构主体是煤炭，并且其储量极其丰富，对于我国社会经济的发展有着 举足轻重的作用。从新中国成立以来，我国的煤炭工业经过几十年的不断发展已经成为 了我国工业的基础。从能源储量的角度上来看，煤炭资源已经占到了我国常规能源已探 明储量的百分之九十以上； 从能源性质的角度上来看， 煤炭资源是一种十分可靠的能源； 从能源经济的角度上来看，煤炭资源属于比较廉价的能源；从环境的角度上来看，煤炭 资源是一种能够洁净利用的能源。根据我国能源方面有关专家学者的预测，在未来相当 长的一段时期内煤炭仍将在我国一次能源消费结构中占据着主导地位， 并且预计到 2050 年，在我国一次能源消费结构中煤炭的比重也会超过百分之三十五，到那时我国的煤炭 消费量仍将超过二十多亿吨[1]。 然而随着目前煤质以及赋存条件比较好的煤炭资源逐渐枯竭， 对之前由于开采技术 不足、经济成本比较高而放弃开采的“三下”煤炭资源重新进行开采又进入了人们的视 野。与此同时，传统煤炭开采方法还会形成大量的采空区从而使得地表的建筑物和构筑 物发生沉陷，并且在地表还会有大量的煤矸石堆积，这就使得大量农村可耕土地被严重 污染，堆存煤矸石的尾矿库还存在着滑坡崩塌的隐患。根据相关研究报告显示，我国因 煤矿开采而形成的塌陷区域面积已经超过了七十万公顷， 其直接造成的损失也已经超过 了五百亿元[2]。 基于上述工程背景，进一步深入研究并推广采用充填开采技术不仅可以减轻煤炭开 采对地表建筑以及环境的影响，而且还可以合理利用煤矸石以及煤炭燃烧后的粉煤灰等 废弃物，能够有力地推动我国煤炭开采与利用领域的变革，实现煤炭清洁高效利用。 充填开采是一种清洁开采技术， 即向煤矿采空区中充填由煤炭开采过程与煤炭利用 过程中所产生的废弃物料 （例如煤矸石、 炉渣、 粉煤灰、 膏体等单一物料或者混合物料） ， 来实现对采空区顶板岩层移动的控制作用，进而达到减弱地表沉降的目的。一方面，在 煤炭开采过程与煤炭利用过程中所产生的煤矸、炉渣、粉煤灰等废弃物料可以通过充填 太原理工大学硕士研究生毕业论文 2 开采而重新加以利用变废为宝，也达到了减轻环境污染的目的；另一方面，通过采用充 填开采技术可以有效地控制煤矿采空区顶板岩层的运移垮落， 达到了减弱因煤矿开采所 形成采空区影响地表生态环境程度的作用。近几年来，随着充填开采理论、技术以及装 备的逐渐发展成熟，充填开采技术已经在金属矿山开采中得到了长足的发展与大力的推 广。虽然目前充填开采技术在煤矿开采中也取得了一定程度的发展，但是距离煤矿企业 大规模地进行充填开采还有一段很长的艰辛路程要走。因此，进一步研究煤矿充填开采 的相关理论、技术以及装备对于煤矿充填开采大规模工业应用、煤炭清洁高效利用以及 地表沉降作用控制都有着极其重要的意义[3]。 本文以煤矿采空区风力充填为研究背景，采用粉煤灰为输送物料、干燥洁净压缩空 气为输送气体，通过太原理工大学正压仓泵式气力输送系统，并综合运用 ECT 电容层 析成像系统，对整个气力输送过程中的相关输送特性进行了研究。 1.2 充填开采研究现状 1.2.1 顶板管理的四种方法 目前，主要有四种管理煤矿采煤工作面顶板的方法，概述如下[4] （1）全部垮落法 全部垮落法，即在采煤工作面持续推进的过程中，撤出采煤工作面中临近采空区的 液压支架，让原先由采煤工作面液压支架支撑的顶板自行或者强制发生垮落的方法。通 过采用全部垮落法管理顶板可以将已经垮落的顶板岩块充填到采空区中， 从而达到了减 弱采煤工作面顶板压力的目的。目前，我国大多数煤矿都采用全部垮落法对采煤工作面 顶板进行管理。 （2）煤柱支撑法 煤柱支撑法，即在采煤工作面推进一定距离之后，留设一定宽度的煤柱来支撑采空 区顶板的方法。在采煤工作面顶板岩层岩性十分坚硬，并且通过采用人工强制放顶的方 法也难以强制将其发生垮落时，采用煤柱支撑法能够达到比较良好的经济技术效果。然 而，由于采用煤柱支撑法管理顶板时的煤炭回收率比较低，并且在近距离或者极近距离 煤层群下行开采时，如果采用煤柱支撑法管理顶板，那么下部煤层中布置的采煤工作面 在推进到上部煤层采煤工作面留设的煤柱时将会出现集中压力现象， 严重影响着下部煤 太原理工大学硕士研究生毕业论文 3 层中采煤工作面的顶板管理工作难度。 因此， 目前很少采用煤柱支撑法对顶板进行管理。 （3）缓慢下沉法 缓慢下沉法，即在采煤工作面顶板岩层自身的韧性比较大时，在进行回柱工序之后 采煤工作面顶板岩层不会发生垮落而是发生弯曲下沉直到与采空区底板之间自然合拢。 对于薄煤层开采并且顶板岩层自身的韧性比较大的条件下，缓慢下沉法具有显著的优 势。 （4）充填法 充填法，即向煤矿采空区中充填由煤炭开采过程与煤炭利用过程中所产生的废弃物 料（例如煤矸石、炉渣、粉煤灰、膏体等单一物料或者混合物料），来实现对采空区顶 板岩层移动的控制作用，进而达到减弱地表沉降的目的。 1.2.2 充填开采的研究现状 时至今日充填开采已经经过了近百年的发展历程， 可以将充填开采方法这近百年的 发展历程可以划分成五个主要发展阶段[5-8] （1）第一个发展阶段 第一个发展阶段以废矸石等干式充填为代表， 主要为二十世纪四十年代到二十世纪 五十年代。早在二十世纪四十年代之前，国外一些矿井就已经将废矸石充填到采空区之 中，例如澳大利亚北莱尔矿对采空区采用废矸石进行充填、加拿大霍恩煤矿对采空区采 用废炉渣进行充填，但是当时只是将废矸石充填到采空区之中作为一种废矸石处置的方 法，并未对废矸石的充填机理以及充填效果进行分析研究。随后我国一些矿井也采用了 将废矸石充填到采空区之中的方法来处置废矸石，并且在很长一段时间内，我国很多矿 井都采用了废矸石充填的方法来进行开采。 然而废矸石充填开采所使用的设备机械化程 度很低，并且废矸石充填的效率也不高，但是现场作业人员的劳动强度却非常大，废矸 石充填开采控制采空区顶板岩层移动变形的效果也不是很理想， 因此废矸石充填开采方 法并未得到大范围的推广使用。 （2）第二个发展阶段 第二个发展阶段以水砂充填为代表，主要为二十世纪五十年代到二十世纪六十年 代。在进入二十世纪五十年代之后，世界上各个国家逐渐发展并推广使用了水砂充填开 太原理工大学硕士研究生毕业论文 4 采方法。最具代表性的是波兰，其 1967 年煤炭总产量的一半都是采用水砂充填开采方 法完成的。在 1952 年之后，我国阜新、抚顺、蛟河、鹤岗、新汶等矿区也先后采用了 水砂充填方法并且取得了比较良好的经济技术效果。时至今日，世界煤炭总产量的近五 分之一仍是采用水砂充填开采方法完成的。 （3）第三个发展阶段 第三个发展阶段以尾矿胶结充填为代表， 主要为二十世纪六十年代到二十世纪八十 年代。由于水砂充填体自身缺乏胶结凝聚的特性，不能形成稳固的充填体，因此其煤炭 采出率比较低。因而，在水砂充填方法的基础之上，尾矿胶结充填逐渐发展并得到了一 定范围的推广应用。早在二十世纪六十年代，澳大利亚芒特艾萨矿就通过浓度尾矿胶结 充填的方法来对底柱进行回采。在进入二十世纪七十年代之后，我国凡口铅锌矿、招远 金矿、焦家金矿等矿井先后采用了细沙胶结充填并且取得了比较良好的经济技术效果。 之后在进入二十世纪八十年代之后，我国张马屯铁矿、安庆铜矿、三岛金矿等矿井先后 采用了分级尾砂充填并且取得了比较良好的经济技术效果。 （4）第四个发展阶段 第四个发展阶段以高浓度、膏体、废矸石胶结充填和全尾矿胶结充填为代表，主要 为二十世纪八十年代到二十世纪九十年代。最早在二十世纪八十年代末期，德国格伦德 铅锌矿便进行了膏体充填技术的试验，以此来解决低浓度胶结充填泌水等难题。此后， 世界各主要产煤国也展开了膏体充填技术的深入研究与推广应用。 在进入二十世纪九十 年代之后，我国金川二矿、铜绿山铜矿、湖田铝土矿等矿井建成了膏体充填系统并且取 得了比较良好的经济技术效果。在对膏体充填材料的研制方面，中国矿业大学逐步研制 出了新一代的高水速凝材料，充填体体积的比含水率达到了百分之九十，七天之后的充 填体抗压强度超过了 5.5MPa。 （5）第五个发展阶段 第五个发展阶段以综合机械化矸石充填、垮落带注浆充填、覆岩离层注浆充填等新 型充填技术为代表，主要为进入二十一世纪之后至今。针对各个矿井的不同特点，为达 到解放“三下压煤”煤炭资源赋存，保护地表建筑的作用，各种适合煤矿开采特点的新 型充填开采技术得到了长足的发展与广泛的应用。 太原理工大学硕士研究生毕业论文 5 1.3 气力输送研究现状 1.3.1 气力输送技术的发展 气力输送技术，即采用空气压缩机产生的输送管道压力差为动力源，将需要输送的 物料通过输送管道中流动的加压气体输送到各个用料地点的一类技术。 由于输送管道中 高速运动的物料会同物料、管道壁发生摩擦碰撞而产生能量消耗、磨损、堵塞，所以一 般地都采用全自动控制系统来气力输送系统以实时调控系统中的各项参数。 同传统的机 械输送技术相比较，气力输送技术具有封闭、安全、环保等显著优势，因此目前气力输 送技术已在农业、石油、电力等领域得到了广泛的应用[9]。 早在 1866 年，斯特迪文特（Sturtevant）便开始研制出了除尘器，并成功地应用到 了长距离运输谷物的气力输送系统中，这标志着粉粒状气力输送技术研制的开始。之后 在 1886 年，阿灵顿（Allington）进一步对其进行了改良，并成功地应用到了长距离运 输纤维的气力输送系统中。之后在 1889 年，英国的达卡姆（F.E.Duckham）发明出了套 筒式吸嘴并将其成功地运用到了码头装卸谷物的卸船机上。之后在 1906 年，米歇尔 （Mitchell）进一步改进了装卸谷物的卸船机并将成功地其改良成能够逐段改变输料管 道断面尺寸。之后在 1919 年美国的金尼恩（A.G.Kinyon）研制出了用于输送粉粒状物 料的螺旋输送器，即著名的 Kinyon 泵。之后在 1924 年，贾思特斯塔德特（Gasterstadt） 进行了气力输送小麦粒的理论研究，并推导出其压损相关计算公式。之后在 1958 年， 巴恩（Barth）进一步对贾思特斯塔德特（Gasterstadt）的压损相关计算公式进行了推导 和研究[10-11]。 之后在相当长的一段时期内，世界各国专家学者对于气力输送的研究都比较少。直 到进入二十世纪六十年代，气力输送才进入另一个蓬勃发展的阶段。在 1966 年，利珀 特（Lippert）对气力输送粗糖颗粒的内旁通输送系统进行了研制和研究，并对输送物料 的性质与气力输送系统之间的关系进行了分析和研究。之后在 1975 年，英国布拉德福 德大学的格尔尔达特（Geldart）通过对不同物料气力输送系统的输送特性进行研究，总 结得出了不同输送物料的流型并将其进行了分类整理。之后，狄克逊（Dixon）和狄奥 根尼（Diog）在格尔达特（Geldart）输送物料分类的基础上，分别依据输送物料颗粒平 均粒径和输送物料颗粒平均密度划分了不同输送物料的种类。 之后在相当长的一段时期 太原理工大学硕士研究生毕业论文 6 内，世界各国专家学者都将气力输送物料颗粒的堆积特性作为其输送特性的判断依据， 因此主要对气力输送物料颗粒的堆积特性进行了大量而详细的研究。之后在 1997 年， 巴顿（Barton）通过采用 CT 实时监控技术对气力旁通输送各个等级氧化银物料进行了 研究[12-13]。 在进入二十一世纪之后，世界各国专家学者则主要偏重于对密相气固两相流流动机 理的研究。澳大利亚纽卡斯尔大学的威廉姆斯（Williams）和琼斯（Jones）通过对建立 的气力输送固体颗粒模型的运动特性进行研究， 对密相气固两相流的相关输送特性进行 了理论研究，并且得出了在密相气固两相流条件下流型呈现出非连续特性[14-15]。 通过世界各国专家学者不断的试验与研究， 气力输送理论、 技术、 装备都日臻完善， 目前气力输送技术在农业、石油、电力等各个领域都已经得到了广泛的应用。然而，气 力输送技术同传统的输送技术相比较，其所受到的影响因素也更繁多也更复杂。因此， 还必须加强对气力输送相关理论与系统装备的研究。 特别是对于煤矿采空区充填领域的 研究，目前气力输送的相关理论研究与实际应用还比较少，气力输送技术的经济技术优 势还未得到充分的发挥。由此可见，气力输送技术在煤矿采空区充填领域有着广阔的发 展前景，还需要对气力输送理论进行进一步的研究。 1.3.2 气力输送技术的特点 同传统的输送技术相比较，气力输送技术主要具备以下四个方面的显著优势[16] （1）同传统的输送技术相比较，气力输送系统具有相当大的灵活性，能够比较合 理的利用空间。例如，震动输送机、螺旋输送机和带式输送机传统等传统的输送装置输 送方向具有单一性，只能通过增加第二台设备来改变输送方向。而起来输送系统则不仅 可以任意改变输送方向，还可以大大的减小了输送装置所占的空间。 （2）同传统的输送技术相比较，气力输送系统具有相当好的连续性，并且在输送 过程可以保证足够良好的安全性。 （3）同传统的输送技术相比较，气力输送系统中的各部分控制装置都易于采用自 动化控制进行实时监控，因此能够大幅度的节省人力资源成本，并且提高气力输送系统 的输送效率与输送效果。 （4）同传统的输送技术相比较，气力输送系统由于采用了管道运输装置，因此其 太原理工大学硕士研究生毕业论文 7 输送系统都是完全封闭的，并且在控尘点还可以安装粉尘回收装置，可以最大程度的减 轻输送系统对环境所造成的污染。 与此同时，气力输送技术还有以下四个方面的明显劣势[17] （1）同传统的输送技术相比较