粉煤灰固化充填密闭特性参数数值模拟研究

发布时间：2017-06-26 05:16

  本文关键词：粉煤灰固化充填密闭特性参数数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着我国能源结构的调整及采矿技术的不断发展,新的生产工艺及技术给矿井带来较大经济效益,同时也使得矿井灾害防治面临着新的挑战。一方面采空区永久密闭墙受压、冲击后破裂损坏严重,致使采空区遗煤自燃事故频发；另一方面井下联巷增多,密闭工作量大且受压后破损严重,漏风现象普遍,给矿井正常生产造成了较大的影响。传统密闭墙的构筑工作量大、时间长、成本高,受压破裂后容易造成煤自然发火。近几年,国内外学者对密闭墙新型充填材料展开了大量理论及实验研究,提出了一系列高强度、低成本、高弹性充填密闭材料。然而井下施工情况及地质条件复杂多变,密闭墙构筑后墙体的密闭效果难以估算,密闭墙稳定性、可靠性难以保证,密闭墙受压或冲击后破坏性难以估算,这些问题能否解决关系到井下防灭火工作成效。本文结合当前国内外在矿井密闭墙的研究现状,总结了防灭火密闭墙在煤矿的应用现状及密闭墙材料研究进展；探讨了密闭墙的作用机理和破坏因素、稳定性判定指标。以粉煤灰为基料,水玻璃及熟石灰组合作为固化剂,通过三因素四水平正交实验测定了混合浆液流动度、初终凝时间、抗压强度,结合井下工程指标优化了粉煤灰固化充填密闭材料配比。利用单轴、三轴实验机对最佳配比进行了力学性能测试,得到了单轴三轴压缩作用下充填材料的应力-应变规律、破坏特征及相应的力学特性参数。结合理论力学基础,基于抗剪强度、最大剪应力、最大弯矩理论与密闭墙的关系推导了密闭墙的理论厚度。基于井下采空区永久密闭墙的作用机理和破坏原理,对永久密闭墙进行力学分析并建立了力学数学模型及相应的本构模型和边界条件；针对云冈煤矿8617工作面回风巷地质条件,结合理论厚度公式得到了相应的不同数值模拟工况,采用FLAC 3D软件对各工况下密闭墙的应力场、位移场和塑性区进行数值模拟分析,从理论上验证分析了该工作面回风巷永久密闭墙的合理厚度。基于联络巷密闭墙的破坏机理和影响因素,针对云岗矿8617工作面联络巷密闭段地质条件,结合理论厚度公式得到了相应的不同数值模拟工况,采用ANSYS软件建立了联络巷密闭墙三维数值模型并确立了相应的边界条件,引入了基于ANSYS软件建模的FLAC 3D导入技术,利用FLAC 3D软件对不同工况联巷密闭墙进行数值模拟后得到了各工况下密闭墙的应力场、位移场和塑性区,从理论角度确定了该工作面联络巷密闭墙的合理位置和墙体厚度。本文基于实验研究确定了粉煤灰固化材料最优配比及其力学特性参数,根据理论分析建立了密闭墙力学模型及数值模型和边界条件；通过数值模拟确定了采空区永久密闭墙及联络巷密闭墙的关键参数,为更加有效的确定密闭墙特性参数提供理论依据,对采空区及工作面的漏风控制和煤自燃防治及类似矿井密闭墙建造具有重大指导意义。
【关键词】：矿井火灾 粉煤灰固化材料 力学性能 充填密闭 特性参数 数值模拟 本构模型
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD752.2
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 绪论10-21
• 1.1 选题背景及研究意义10-11
• 1.1.1 选题背景10-11
• 1.1.2 选题目的及意义11
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势11-18
• 1.2.1 矿井密闭墙充填研究现状与发展趋势11-14
• 1.2.2 矿井粉煤灰充填研究现状及发展趋势14-16
• 1.2.3 充填密闭数值模拟研究现状及趋势16-18
• 1.3 研究内容和研究目标18-19
• 1.3.1 研究内容18
• 1.3.2 研究目标18-19
• 1.4 研究方案和技术路线19-21
• 1.4.1 研究方案19
• 1.4.2 技术路线19-21
• 2 密闭墙的作用机理及可靠性、稳定性分析21-33
• 2.1 密闭墙概述21
• 2.2 密闭墙的分类21-22
• 2.3 防灭火密闭墙的功能及力学机理22-24
• 2.4 密闭墙的可靠性指标24-28
• 2.4.1 抗压强度24-25
• 2.4.2 气密性25-26
• 2.4.3 耐火性26-27
• 2.4.4 抗爆、抗冲击性27-28
• 2.5 密闭墙稳定性影响因素28-32
• 2.5.1 区段煤柱稳定性28
• 2.5.2 墙体材料28-29
• 2.5.3 墙体厚度29
• 2.5.4 墙体位置29
• 2.5.5 施工条件29-30
• 2.5.6 开采扰动30-31
• 2.5.7 矿山压力31
• 2.5.8 冲击灾害31
• 2.5.9 开采条件31
• 2.5.10 其他因素31-32
• 2.6 密闭墙的破坏模式及稳定性指标32
• 2.7 本章小结32-33
• 3 粉煤灰固化充填材料配比及力学特性实验研究33-54
• 3.1 充填材料、配比原则及测试项目33-37
• 3.1.1 充填材料33-35
• 3.1.2 充填材料配比原则35
• 3.1.3 基本测试项目及实验方法35-37
• 3.2 基于正交法的粉煤灰复合配比优化37-45
• 3.2.1 实验方案37
• 3.2.2 正交实验设计37-38
• 3.2.3 正交实验结果分析38-45
• 3.3 粉煤灰固化材料力学特性实验45-52
• 3.3.1 试件制备与养护45
• 3.3.2 实验仪器及性能参数45-46
• 3.3.3 粉煤灰固化充填材料单轴压缩实验46-50
• 3.3.4 粉煤灰固化充填材料三轴压缩实验50-52
• 3.4 本章小结52-54
• 4 采空区永久密闭力学分析及合理厚度数值模拟54-78
• 4.1 密闭墙理论厚度分析54-57
• 4.2 密闭墙受力分析与解算57-59
• 4.2.1 自重57-58
• 4.2.2 矿山压力58-59
• 4.2.3 空气冲击力59
• 4.2.4 约束条件59
• 4.3 工程背景及模拟条件59-63
• 4.3.1 工程背景及密闭参数59-61
• 4.3.2 充填材料力学参数及相关假设61-62
• 4.3.3 受力计算及边界条件62-63
• 4.3.4 本构模型63
• 4.4 数值模型建立及结果分析63-77
• 4.4.1 FLAC3D软件简介63-66
• 4.4.2 数值模型建立及网格划分66
• 4.4.3 模拟结果分析66-77
• 4.5 本章小结77-78
• 5 工作面联络巷密闭墙合理参数数值模拟78-96
• 5.1 工程背景及力学参数78-80
• 5.1.1 工程背景78-79
• 5.1.2 岩体及充填材料力学参数79-80
• 5.2 模拟工况、方案与模拟条件80-82
• 5.2.1 开挖联络巷后支撑压力分析80-81
• 5.2.2 密闭墙理论厚度及模拟工况81
• 5.2.3 模拟假设81-82
• 5.2.4 数值模拟方案82
• 5.2.5 本构模型82
• 5.3 数值模型建立与结果分析82-95
• 5.3.1 基于ANSYS软件建模的FLAC~(3D)导入技术研究82-85
• 5.3.2 边界条件、数值模型及网格划分85-86
• 5.3.3 模拟结果分析86-95
• 5.4 本章小结95-96
• 6 结论与展望96-99
• 6.1 结论96-97
• 6.2 展望97-99
• 致谢99-101
• 参考文献101-105
• 附录105
• 作者在攻读硕士学位期间的学术成果105
• 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目105
• 作者在攻读硕士学位期间获得的奖项105

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 董梅云;;数值模拟中对标储量的确定方法[J];长江大学学报(自科版);2013年14期

2 程林松,李春兰,陈月明;CO_2在水中溶解的数值模拟方法[J];石油大学学报(自然科学版);1998年02期

3 吴超;吴楠;宗营;;洞库收油作业油气排放数值模拟研究[J];中国石油和化工标准与质量;2011年03期

4 许军，，宋培基;数值模拟在埕4南块调整方案中的应用[J];油气采收率技术;1994年01期

5 张鹤誉;赵晓明;郑振荣;;织物热传递的数值模拟研究进展[J];山东纺织科技;2014年01期

6 袁益让,赵卫东,程爱杰,王文洽,韩玉笈;多层油资源运移聚集的数值模拟和实际应用[J];应用数学和力学;2002年08期

7 吴言高,李午申,邹宏军,冯灵芝;焊接数值模拟技术发展现状[J];焊接学报;2002年03期

8 刘晓爽;肖钧;毕昆;杨光华;何乐;;火灾数值模拟技术在核电厂防火设计中的应用研究[J];中国安全生产科学技术;2013年06期

9 何世明;周小君;龙平;孙洪亮;敬承杰;;井喷后硫化氢扩散数值模拟研究现状[J];工业安全与环保;2013年07期

10 陈友莲,杨洪志;Desk-Top VIP垂管流计算在气藏数值模拟研究中的应用[J];天然气勘探与开发;2004年03期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 刘慈群;郭白奇;;有弥散和吸附的径向渗流的数值模拟[A];第五届全国水动力学学术会议暨第十五届全国水动力学研讨会文集[C];2001年

2 袁帅;张汉昭;古成钢;;爆炸密封的初步数值模拟研究[A];第五届全国强动载效应及防护学术会议暨复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会论文集[C];2013年

3 孙远翔;徐琳;;混凝土和钢筋混凝土冲击试验的数值模拟[A];第22届全国结构工程学术会议论文集第Ⅲ册[C];2013年

4 陈刚;陈忠富;;45钢Taylor撞击变形的数值模拟[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

5 沈成康;吴建成;翁智远;赵永言;;混凝土板在弹体冲击下的响应试验与数值模拟[A];第八届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅲ卷）[C];1999年

6 刘仁培;董祖珏;魏艳红;;焊接凝固裂纹数值模拟前处理系统[A];第十次全国焊接会议论文集（第1册）[C];2001年

7 余春祥;;弹丸穿钢靶姿态变化的数值模拟[A];中国工程物理研究院科技年报（2005）[C];2005年

8 买买提明·艾尼;;现代数值模拟方法与工程实际应用[A];第22届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ册[C];2013年

9 刘瑞祥;陈立亮;周建新;廖敦明;;铸造数值模拟技术在重机行业的应用[A];首届中国大型铸锻件制造技术发展论坛论文集[C];2006年

10 张勋;徐丰;;数值模拟倒三角腔内分层流体的瞬态对流[A];北京力学会第20届学术年会论文集[C];2014年

中国重要报纸全文数据库 前4条

1 本报实习记者 蒋文雯 通讯员 罗耀华;宝钢数值模拟研究和应用领跑钢铁行业[N];中国冶金报;2012年

2 通讯员 朱江　冯明农;风能项目组研讨数值模拟产品共享[N];中国气象报;2010年

3 杨雄飞;炼钢与环境技术的研究方法[N];世界金属导报;2007年

4 上海交通大学 潘健生;材料热处理过程的数值模拟[N];科技日报;2002年

中国博士学位论文全文数据库 前8条

1 杨文彬;几类反应扩散模型的动力学行为及其数值模拟[D];陕西师范大学;2015年

2 郄思远;多级环流装置的流体力学研究与其在分离过程中的应用[D];天津大学;2014年

3 黄利忠;库特两相流中固粒运动与碰撞的数值模拟[D];浙江大学;2015年

4 Mohammed Aman Ullah（阿曼）;用守恒型跟踪算法数值模拟流体中的介质界面[D];上海大学;2011年

5 杨坚;缝洞型碳酸盐岩油藏缝洞单元数值模拟理论与方法研究[D];中国石油大学;2007年

6 张立文;数值模拟技术在金属材料固态加工中的应用[D];大连理工大学;2004年

7 史锋;野外风沙跃移运动的观测实验与数值模拟[D];兰州大学;2010年

8 王志东;三维自由面湍流场数值模拟及其在水利工程中的应用[D];河海大学;2004年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 魏月友;基于数值模拟的离心浮选机结构优化研究[D];河北工业大学;2015年

2 吴中元;基于数值模拟的隧道窑能耗优化方法研究[D];广东工业大学;2016年

3 薛洪亮;热电自冷却系统数值模拟与实验研究[D];吉林大学;2016年

4 李姗;O_2/CO_2氛围下天然气燃烧数值模拟及热物性检测研究[D];长江大学;2016年

5 李海涛;粉煤灰固化充填密闭特性参数数值模拟研究[D];西安科技大学;2015年

6 王谭;立交桥与地铁站共站位条件下施工顺序对车站变形及内力的影响[D];华南理工大学;2016年

7 孙光明;圆球粒子沉降的数值模拟及实验研究[D];浙江大学;2006年

8 齐殿军;大庆长垣高台子油田葡萄花油层精细油藏描述及数值模拟一体化研究[D];吉林大学;2012年

9 屈春叶;离心泵的内部三维流场数值模拟研究[D];太原理工大学;2013年

10 邹星;结构物出水过程的数值模拟[D];大连理工大学;2013年

  本文关键词：粉煤灰固化充填密闭特性参数数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：484943