矸石似膏体充填料浆流动性能研究

发布时间：2018-11-08 18:29

【摘要】：本文以公格营子矿含水层下压煤矸石似膏体充填开采为工程背景,研究了矸石似膏体的流变特性及管流特征,通过实验得出矸石似膏体的最优配比,并利用数值模拟方法对充填系统的参数进行确定,指导工程实践。针对充填开采中重要的料浆流动性能问题,阅读了大量文献,总结了国内外研究现状。基于流变学理论,对矸石似膏体的流变特征进行了理论分析,并针对现阶段流变测量仪器的不足,开发了CRT流变仪。使用新型流变仪对矸石似膏体的流变行为进行了实验与研究,总结了矸石似膏体的流变特征,并结合工程实际,确定矸石似膏体的配比。在CFD软件FLUENT以及ICEM-CFD的帮助下,对矸石似膏体的管流特征进行了计算机建模,通过数值模拟方法,对矸石似膏体管道输送中的动态特征进行了研究,找出其沿程阻力与不淤流速的数值模拟方法。通过运用雷诺应力模型,对弯管中的二次流现象和矸石聚集现象进行了初步的研究。针对非稳态流动,特别是竖直管段的不满管流进行了计算机建模,结合数值模拟结果,分析了矸石似膏体料浆不满管流的速度场和压力场,对不满管流的平均速度和最大速度进行了分析,结合管道损伤相关理论对不满管流的管道损伤速度进行了定量分析。最后介绍了工程应用情况,结合公格营子矿巷式充填现场实际,确定了管道直径、弯管的弯曲半径等管道参数,并对技术经济效益进行了分析,表明了公格营子矿采用巷式充填开采的优越性。本文主要研究内容如下:(1)针对现有流变试验仪器的不足,开发CRT流变仪,并采用CRT流变仪对矸石似膏体料浆的流变特性进行了研究。(1)现有流变仪对含有大固体颗粒的矸石似膏体料浆适用性较差,针对这一问题,采用新型搅拌叶片,改进了流变仪。阐述了新型流变仪的设计原理、结构组成、工作方式、并进行了仪器的标定。(2)通过实验测试结果结合流变学理论,总结出矸石似膏体为一种宾汉流体,并以此为基础建立了矸石似膏体流变模型。(3)针对影响料浆流变特性的浓度、细颗粒掺量、胶凝材料掺量,对矸石似膏体流变特性进行了定量分析。分析了各个参数对管流阻力的影响,并确定了适合的料浆配比为:质量浓度78%、煤矸石含量53%、粉煤灰含量20%、胶凝剂含量5%。(2)运用CFD软件ICEM-CFD、FLUENT和CFD-POST对矸石似膏体料浆的管流动态特征进行了数值模拟分析。分别模拟了料浆在直管与弯管中稳定流动状态下不同流速的流动行为,分析矸石似膏体料浆的不淤流速与沿程阻力,并对弯管中复杂的二次流进行了初步探索。(1)利用ICEM-CFD作为前处理软件,采用高效的结构网格划分方法,以及引入非牛顿体湍流模型,对矸石似膏体料浆管道输送进行了计算机建模,为不同管道形状、不同流速料浆的数值模拟提供模型基础。(2)利用fluent作为求解器,引入固—液多相流模型,对矸石似膏体料浆的管输动态特征进行数值模拟。并采用区别于常用的k-ω模型的雷诺应力模型进行料浆的数值模拟研究。(3)模拟发现在直管中,由于摩擦阻力的作用,存在压降与流核。在低速下,矸石似膏体料浆为层流状态,验证了欧拉多相流模型对于复杂固—液多相流的模拟能力,探索了非牛顿体与固体颗粒混合多相流的数值模拟方法。发现料浆层流状态下,随着流速的增大,流核逐渐变小、流核流速逐渐增大、水头损失逐渐增大;随着管道管径的增大,矸石似膏体料浆的沿程阻力逐渐减小。探索了利用数值模拟分析矸石似膏体料浆固体沉降状态,以及不淤流速的方法。(4)对不同弯曲半径弯管的压力场进行分析,分析结果表明在弯管中存在水头损失,其值与弯管弯曲半径有关,弯管的弯曲半径越大,弯管中料浆的压降越小,在工程中应结合实际选择弯曲半径较大的弯管。(3)利用fluent软件的相变模型,对竖直管段不满管流进行了数值模拟。对不满管流的速度场、压力场进行了分析,并结合管道磨损相关理论,定量分析了不满管段料浆对管道的磨损作用。(1)阐述了两种典型的非稳态流的发生机理,特别指出不满管流是由于料浆加速运动使浆体由最初的浆体柱被拉成小段的分段体,再由小段体离散成小团或颗粒,呈射流形式向下运动。(2)利用前处理软件对不满管流进行了计算机建模,采用结构网格划分方法,提高了运算效率与准确度。(3)分别采用不同的湍流模型,通过综合评价射流、相变、料浆团块等指标,验证各个模型对于不满管流的模拟效果,最终确定sst-kw为最佳的不满管流模拟湍流模型。(4)对矸石似膏体料浆不满管流的速度场进行了数值模拟,发现最大速度可达62.5m/s,同时伴有剧烈的空化现象与涡流,涡流中料浆运动方向一直处于变化之中。料浆平均含气量在60%~70%,这是造成管道堵塞的重要原因。结合管道磨损的hutchings理论,论证了料浆对管道的磨损速度与料浆速度的平方成正比关系。(5)对不满管流的压力场进行了数值模拟研究,发现压力始终在水的饱和蒸汽压附近波动,说明空化现象是一种动态平衡现象。(4)结合工程应用,利用数值模拟方法对公格营子矿巷式充填开采管道参数进行了选择,其中包括管道半径的选择、不淤流速的计算与弯管弯曲半径的选择,并对充填的效果进行了观测,分析了技术经济效益。(1)简要介绍了公格营子矿的工程概况,针对实际情况,并结合前文所得的矸石似膏体流变特性,采用配比为:质量浓度76%、煤矸石含量53%、粉煤灰含量20%、胶凝剂含量3%的矸石似膏体料浆进行充填,以设计充填能力90m3/h为模拟参数,利用数值模拟方法,对不同管径下料浆的不淤流速进行了分析,最终确定采用150mm管道,弯管弯曲半径为800mm。(2)结合现场实际情况,对弯管的弯曲半径进行了数值模拟分析,通过对不同弯曲半径弯管的水头损失分析,确定采用R=800mm弯曲半径的弯管进行管道布置。(3)对巷式矸石似膏体充填开采方法的技术经济效益进行了分析,结果显示巷式充填开采可解放煤量300万吨,利润2亿多元,节约排水费用600多万元/年,降低了生产成本近20元/吨。同时矸石似膏体充填模式的研究和实践为“三下”开采、矿山绿色开采开辟了一条理想的途径,具有重大的社会效益和环保效益。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD823.7;TD849.5

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