周源山煤矿“三下开采”充填材料及其输送特性研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 周源山煤矿周源山煤矿““三下开采三下开采””充填材料充填材料 及其输送特性研究及其输送特性研究 学位类型学位类型 学术型学位 学科 （专业学位类别）学科 （专业学位类别） 采矿工程 作者姓名作者姓名 姚 琦 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 冯 涛 教 授 彭文斌 副教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2012 年 5 月 30 日 密密 级级公开 中图分类号中图分类号TD 823 周源山煤矿周源山煤矿““三下开采三下开采””充填材料充填材料 及其输送特性研究及其输送特性研究 学位类型学位类型 学术型学位 学科（专业学位类别）学科（专业学位类别） 采矿工程 作者姓名作者姓名 姚 琦 作者学号作者学号 09010102001 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 冯 涛 教 授 彭文斌 副教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2012 年 5 月 30 日 学 位 授 予 单 位学 位 授 予 单 位 湖南科技大学 Study on Filling Material and Transmission Characteristics of ““Under Three ””Mining for Zhou Yuan Shan Coal Mine Type of Degree Academic Degree Discipline Mining Engineering Candidate Yao Qi Student Number 09010102001 Supervisor and Professional Title Prof. FENG Tao A.P. PENG Wen-Bin Practice Mentor and Professional Title School School of Energy and Safety Engineering Date May 30, 2012 University Hunan University of Science and Technology 湖南科技大学硕士学位论文 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 湖南科技大学硕士学位论文 - 1 - 摘摘 要要 煤矿充填采煤技术是当前采煤方法中对采空区上覆岩层移动和地表下沉控制最有 效的开采方法。本文根据周源山煤矿现场实际，选用当地“废弃”物（粘土）为主要成 分，制备符合煤矿“三下”充填开采要求的充填材料。针对充填材料的配比及其力学性 能、 充填料浆的输送特性进行深入研究， 利用高等流体力学、 计算流体力学等学科知识， 分析粘土料浆流体在管道输送中的基本特牲。从流体力学平衡方程出发，结合浆体在 管道中的输送特性，分析其料浆输送影响因素，确定充填料浆在输送过程中主导其畅通 输送的各种影响参数值，研究内容具有较大现实意义。得到的主要结论包括 （1）根据煤矿充填开采的要求，选取当地富存的粘土作为主要的充填材料。由于 粘土制备的料浆流动性好，料浆不沉淀、不泌水、不离析，充填体强度较高，压缩率低， 并且来源丰富等原因，确定选用周源山煤矿及其周边分布广泛的粘土制备成胶结充填材 料作为周源山煤矿 24 采区主要充填材料； （2）选取了来自矿区内作为填充材料的粘土样品进行了化学分析，得出其化学组 成；并根据粘土的物理、化学性质特征，进行粘土胶结充填材料配比实验和力学性能研 究，得到粘土胶结充填材料的最佳生产工艺参数； （3）对土样制备的粘土胶结体进行电镜扫描，得出粘土固化剂掺入粘土浆中制得 的固化体在不同的配比下有不同的结构，其主要表现为由无定形凝胶和针柱状晶体交织 成结构骨架粘结片状粘土来强化粘土的特征； （4）运用 Fluent 流体模拟软件对粘土充填料浆进行了管道输送特性的数值模拟研 究，得出了粘土料浆管道流速分布、固体颗粒在管道中的运动状态、临界流速和管道阻 力主要影响因素及相互影响关系； （5）利用简易自流型料浆管道输送试验系统，对配比（水泥水粘土13.24.8） 的浆体进行了多次自流物理模拟试验，总结和验证了该配比情况下的浆体在充填倍线为 5 的管道中靠自然压头依靠重力输送是可行的； （6）通过以粘土为主要充填材料的料浆进行配比实验、力学性能实验、管路输送 特性试验和流体学理论分析，确定了科学合理的周源山煤矿以粘土为充填材料的各种极 为复杂的充填系统参数。 关键词三下采煤；充填开采；充填料浆；输送特性；FLUENT 模拟；充填参数 湖南科技大学硕士学位论文 -1- ABSTRACT Filing mining technology in coal mines is a scientific mining technology developed to mine out the coal beneath water, buildings and railways, and solve the coal gangue disposal and the destroying of soil resources problems. At the same time, it is the most effective , in all kind of mining s, to control the movements of the overlaying strata and the ground sediments.Based on the practical situation of Zhou Yuanshan mine, clay, the local called waste, is elected as the main filling aggregate. The filling materials, which meet the requirement of filling mining, are prepared, further studies are carried on the proportion and mechanic properties of filling materials, and the transportation of the filling slurry is studied. Based on the theoretical mechanics, advanced hydrodynamics, computational fluid dynamics and engineering fluid mechanics, basic properties of filling slurry in pipes are analyzed.Starting from the fluid dynamics equations, and combined with the transport properties of backfill paste, influencing factors of transport are analyzed, and the value of the influencing parameters which are important in an unblocked process of filling slurry transport. These researches are practically valued, the main work and conclusions are written as follows 1 According to the principles of filling mining in coal mines, clay, which is rich at local, is elect as the main filling material. The advantages of the slurry prepared by clay are the slurry dose not subside, bleed, and segregate basically, the strength of filling is high and the compression ratio is low. Based on the above advantages, the binder backfill material prepared by clay is elect as the main filling material at 24th mining area in Zhou Yuanshan. 2 Chemical analysis is taken on the clay samples which are chosen from the filling aggregate at the working area, and the chemical composition is determined; based on the physical and chemical properties of clay, combination experiment and mechanic test are carried on, then the optimized production parameters are obtained. 3 Electron microscope scanning is carried on clay cemented stowing, it can be concluded from the result that the structures of the solidified body vary from each other when the curing agent ratios are different, but the overall characteristic exists in strengthening clay by interweaving a skeleton bonded-flake structure with amorphous gel and needle shaped cylindrical crystals. 4 The main influencing factors and interactional relationship, those are of the slurry velocity distribution in pipes, the motion state of solid particles, critical velocity and pump Abstract - 2 - resistance, are obtained by simulating the properties of filling slurry in pipe lines via Fluent software. 5 The gravity flow experiments, of which the slurry ratio of cement, water and clay is 13.24.8, are carried out on the slurry transport experiment system designed and manufactured by our team. It is concluded and proved in this condition that the gravity flow transport in the pipes of filling times line 5 is feasible. 6 According to the tests of filling aggregate combination, mechanic test, transport properties and the theoretical analysis, the compounded filling system parameters of the filling material mainly composed of clay in Zhou Yuanshan is obtained, and the safety measures are proposed to keep the filling system stay steady relatively. Key words under three mining ；； filling mining ；； filling slurry ；； transmission characteristics；；fluent simulation；；filling parameters 湖南科技大学硕士学位论文 - 1 - 目目 录录 摘摘 要要 ....................................................................................................... - 1 - ABSTRACT .................................................................................................. - 1 - 第一章第一章 绪绪 论论 ................................................................................................... 1 1.1 国内外研究现状国内外研究现状 ..........................................................................................................1 1.1.1 “三下”采煤技术 .....................................................................................................1 1.1.2 充填开采技术及充填材料现状 ............................................................................2 1.2 研究的目的和意义研究的目的和意义 ......................................................................................................7 1.3 研究的主要内容、方法和路线研究的主要内容、方法和路线 ...................................................................................9 1.3.1 研究的主要内容....................................................................................................9 1.3.2 研究的方法和路线 .............................................................................................. 10 第二章第二章 充填材料配制及其力学性能充填材料配制及其力学性能 ............................................................ 13 2.1 充填材料的来源充填材料的来源 ........................................................................................................ 13 2.2 充填物料成分充填物料成分 ............................................................................................................ 14 2.3 充填材料的配比实验充填材料的配比实验 ................................................................................................ 15 2.4 充填材料力学性能充填材料力学性能 .................................................................................................... 17 2.4.1 充填材料性能要求 .............................................................................................. 17 2.4.2 充填材料的力学实验 .......................................................................................... 18 2.5 充填材料压缩性充填材料压缩性 ........................................................................................................ 21 2.6 充填材料成本估算充填材料成本估算 .................................................................................................... 23 2.7 本章小结本章小结 .................................................................................................................... 23 第三章第三章 充填料浆管路输送特性理论分析充填料浆管路输送特性理论分析..................................................... 25 3.1 两相流物理力学性质两相流物理力学性质 ................................................................................................ 25 3.1.1 两相流重度[58] ..................................................................................................... 25 3.1.2 两相流的浓度 ..................................................................................................... 25 3.1.3 两相流的黏度 ..................................................................................................... 26 3.2 浆体管道输送水力学特性浆体管道输送水力学特性 ......................................................................................... 27 3.2.1 两相流体中固体颗粒运动 .................................................................................. 27 3.2.2 充填固体料的悬浮 .............................................................................................. 28 3.2.3 充填料浆的临界流速[59] ...................................................................................... 30 3.2.4 边界层概念 ......................................................................................................... 30 3.2.5 固体颗粒在垂直流中的运动 .............................................................................. 31 3.3 水力坡度的影响因素水力坡度的影响因素 ................................................................................................ 31 3.3.1 固体物料粒径对水力坡度的影响 ....................................................................... 31 3.3.2 浆体流速对水力坡度的影响 .............................................................................. 32 3.3.3 管径对水力坡度的影响 ...................................................................................... 33 3.3.4 管壁粗糙度对水力坡度的影响 .......................................................................... 33 3.3.5 其他因素对水力坡度的影响 .............................................................................. 34 3.3.6 水力坡度的计算.................................................................................................. 34 目 录 - 2 - 3.4 本章小结本章小结 .................................................................................................................... 36 第四章第四章 模拟实验分析模拟实验分析 .................................................................................... 37 4.1 数值模拟数值模拟 .................................................................................................................... 37 4.1.1 数值计算软件简介 .............................................................................................. 37 4.1.2 两相流模型的选择及控制方程 .......................................................................... 42 4.1.3 紊流模型的选择.................................................................................................. 44 4.1.4 数值模拟结果及分析 .......................................................................................... 48 4.2 料浆输送物理模拟实验料浆输送物理模拟实验............................................................................................. 66 4.2.1 概述 ..................................................................................................................... 66 4.2.2 充填料浆自流输送物理模拟实验系统 ............................................................... 66 4.2.3 试验内容 ............................................................................................................. 68 4.2.4 实验过程及结果分析 .......................................................................................... 68 4.3 周源山煤矿粘土料浆管道输送特征分析周源山煤矿粘土料浆管道输送特征分析 ................................................................. 70 4.4 本章小结本章小结 .................................................................................................................... 71 第五章第五章 周源山煤矿充填输送管路系统参数周源山煤矿充填输送管路系统参数 ................................................. 72 5.1 周源山煤矿周源山煤矿 24 采区概况采区概况 ........................................................................................... 72 5.1.1 地层与构造 ......................................................................................................... 72 5.1.2 煤层煤质 ............................................................................................................. 72 5.1.3 水文地质 ............................................................................................................. 73 5.1.4 顶底板岩性及其它条件 ...................................................................................... 73 5.2 充填输送管路系统参数充填输送管路系统参数............................................................................................. 75 5.2.1 充填场地及充填工艺 .......................................................................................... 75 5.2.1 充填能力计算 ...................................................................................................... 77 5.2.2 管道输送参数计算 .............................................................................................. 77 5.2.3 充填工艺流程 ..................................................................................................... 80 5.2.4 充填倍线 ............................................................................................................. 81 5.2.5 充填管道系统参数 .............................................................................................. 83 5.3 本章小节本章小节 .................................................................................................................... 84 第六章第六章 总结与展望总结与展望 ........................................................................................ 85 6.1 总结 ........................................................................................................................... 85 6.2 展望 ........................................................................................................................... 86 参参 考考 文文 献献 ................................................................................................... 87 致致 谢谢 ............................................................................................................. 90 攻读硕士学位期间所发表论文及参与项目攻读硕士学位期间所发表论文及参与项目 ................................................... 91 湖南科技大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 国内外研究现状国内外研究现状 1.1.1 “三下”采煤技术 煤矿“三下”采煤技术是为了保护开采区域地表建筑物、铁路、