可变浓度大掺量粉煤灰充填材料与流动规律研究

发布时间：2019-02-13 16:47

【摘要】：本文以郑煤集团芦沟煤矿坝体下采煤为工程背景,针对当前煤矿应用胶结充填开采方法存在的关键难题——浆体浓度、管道输送与泌水离析三者之间的矛盾,研发了固水速率可控的新型固水材料,使得浆体在管道输送阶段保持较多自由水以满足大流动性要求;而在输送至充填区域后以较快速率结合自由水,减少浆体泌水、离析等,并实现快速凝结硬化。论文以现场调研、理论推导、实验室试验、数值模拟等作为研究手段,分别对大掺量粉煤灰充填浆体的流动性能及其影响因素、新型固水材料制备及影响固水能力因素、掺加固水材料浆体的流变时变规律以及基于流变学理论的管流输送阻力计算等内容进行了深入研究。综合上述研究,本文取得的研究成果如下:(1)对充填胶结料、骨料进行了密度、粒径(级)、孔隙率、矿物组成、化学成分、活性指数以及级配组合等性质的测试分析,得到:(1)LFY碱激发胶结料在相同条件下早期强度高于P.O 42.5普通硅酸盐水泥,长期强度基本稳定,有利于充填体较快发挥支撑作用;(2)电厂炉渣作为充填骨料,密度较小以及本身疏松多孔结构有利于管道输送。炉渣颗粒级配合理,制备的浆体稳定性好,是实现大流动性、自流输送的物质基础;炉渣颗粒含有活性SiO_2和AL_2O_3,具有潜在胶凝特性,对充填体后期强度具有增强作用;(3)基于颗粒混合密实度理论,及粗骨料“骨架效应”、细骨料“填隙效应”等理论,对炉渣和粉煤灰两种主要骨料进行了理论配比计算和试验验证,结果表明:炉渣与粉煤灰的混合比例在7.9:2.1时,混合骨料的密实度最高。混合比例在7:3~9:1范围间混合后堆积较紧密。(2)系统总结了评价浆体输送性能的指标标准;研究了浆体配制参数、性能指标及影响因素敏感性分析等,得如下结论:(1)基于炉渣等骨料特点和自流输送要求,浆体在满足稳定性前提下,追求较大流动性,也为掺加新型固水材料提供合适的浆体环境。得到浆体输送性评价指标及标准:初始坍落度满足(22~27)cm;稠度在(10~12)cm;分层度2cm;泌水12%;(2)应用三因素三水平正交试验对影响浆体输送性能的因素进行了研究,得到适合于本文要求的浆体配比:浓度为72%,胶结料掺量6%,粉煤灰掺量15%;在骨料细度较大或粉煤灰掺量较高时浓度可达70%,浆体泌水通过新型固水材料解决;同时上述浆体配必须满足充填体强度要求;(3)上述浆体配比满足强度要求,8h强度不低于0.10MPa,基本满足拆模要求;28d强度大于4.36MPa,符合长期强度要求。(3)新型固水材料满足固水能力强、固水时机可控、固水速率可调节等要求。在大量查阅文献和试配基础上,选择快硬硫铝酸盐水泥作主料,石灰、石膏作辅料,作为新型固水材料基料;以一种脂肪酸与其盐的混合物作为包覆改性材料,通过混合研磨在基料表面包覆一层憎水性薄膜,通过薄膜破裂机制研究实现制备符合上述要求的新型固水材料。本文第四章主要研究了材料选择、制备、性能测试、适应性因素等内容。(1)充填浆体中的水分为结合水、吸附水和自由水三种类型,不同类型的水相互转换,是固水材料调控作用的机理。根据水与颗粒表面接触的强度和性质,吸附水又分为紧束缚水和松束缚水;自由水划分为重力自由水和结构自由水,结构自由水是指浆体中粒径小于(0.03~0.05)mm的微细颗粒与水形成的絮团结构包裹的自由水;(2)新型固水材料基料选择快硬硫铝酸盐水泥,复合添加石灰、石膏等调整其功能;改性材料选择一种脂肪酸与其盐的混合物;改性工艺为干法研磨包覆改性,设备选择φ500×500球磨机;(3)影响固水材料改性效果的因素包括:改性剂添量、研磨时间。通过改性活化指数表征改性效果,表明:最佳研磨时间为60min;最佳改性材料添量为基料质量的0.5%;(4)试验测试了改性活化指数、浆体PH以及浆体温度三个因素分别对新型固水材料固水能力的影响,得到:三个因素对固水材料能力均有影响,固水能力与浆体PH和温度呈正相关关系,与材料活化指数呈负相关关系;固水材料在90min内固水速率较小,后期固水速率增加较快,这基本符合充填对管输时限的要求;(4)实验测试了浆体流变参数τ_y、η_p随时间变化的规律,并回归得到流变参数随时间变化的关系方程;建立了基于宾汉姆流体的浆体流变时变模型和流变方程;并基于流变学理论对管输阻力进行了理论计算和L型管输送实验测试。(1)浆体初始屈服应力与时间变化呈指数关系。初始屈服应力随时间增加而增大,可能为胶结料与固水材料水化形成结构,颗粒之间剪切摩擦力增加有关;不同固水材料掺量,浆体屈服应力与时间关系方程表示为:τ_y=k_1e~(k2*t),其中k_1,k_2为与固水材料掺量有关的常数;(2)浆体黏度系数与时间变化呈线性关系。随时间变化,浆体黏度系数增加,与伴随胶结料或固水材料水化使浆体变稠有关;不同固水材料掺量,浆体黏度与时间关系方程表示为:η_p=k_3*t+k_4其中k_3,k_4为与不同固水材料掺量有关的常数;(3)掺加固水材料后的的浆体流变模型为具有时间效应的宾汉姆流体,其剪切应力和黏滞度系数均与时间产生关系。模型方程式为:τ=τ_y+η_p*γ=k_1e(k2*t)+(k_3*t+k_4)*γ其中k_1,k_2,k_3,k_4为与不同固水材料掺量有关的常数;(4)基于宾汉姆时变模型的浆体管道输送阻力计算公式为:i_m=k_1e~(k2*t)*(?)+(k_3*t+k_4)*(?),通过L型管道试验验证,该公式计算的管流阻力比较符合现场情况。(5)通过FLUENT数值模拟和理论计算对芦沟煤矿充填输送系统进行了输送系统设计,进行了管径管型选择、临界流速计算、工作泵压计算等;基于上述研究成果,对芦沟煤矿充填输送系统能否实现自流输送进行了评价。(1)充填输送系统能力为90m3/h,充填主管路选取内径为150mm,壁厚12mm的无缝钢管。充填支管道采用相同管径的钢丝缠绕乙烯管,工作面采用聚乙烯软管。考虑地面到井下充填立管不易维修,选用内径150mm,壁厚为15mm的高铬耐磨复合管。为减少输送阻力,弯头曲率半径R=800mm。(2)浆体输送速度为1.41m/s,大于所选150mm管道输送临界流速1.2m/s,能够达到安全输送要求。(3)在确定浆体配比和管输参数条件下,管道输送阻力计算结果表明:浆体满足自流输送,不需购置充填泵送设备,简化了充填程序并节约了投资,达到本文研究目标。
[Abstract]:......
【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】：2017
【分类号】：TD823.7

【参考文献】