粉煤灰充填材料管道输送特性及其应用研究

发布时间：2017-09-28 11:19

  本文关键词：粉煤灰充填材料管道输送特性及其应用研究

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【摘要】：长壁开采法是我国煤矿现用的主要开采方法,由此造成的地表沉降、地下水枯竭、煤炭资源浪费等现象日益严重,尤其是在煤炭资源日趋枯竭的今天,“三下”压煤问题亟待解决。充填开采可解决上述问题。粉煤灰充填材料是一种以水泥、粉煤灰、煤矸石等为原材料搅拌而成的充填材料,它不仅造价低廉、来源广泛,且解决了粉煤灰和煤矸石占用土地、污染环境等问题,但目前粉煤灰充填材料的管道输送特性尚且缺乏系统研究。在对原材料物化特性测试的基础上,进行了粉煤灰充填材料的配比试验,得到了粉煤灰充填材料的优势配比,并对优势配比的粉煤灰充填材料在不同浓度、细矸石率下的初始剪切应力、塑性粘度及密度等流动特性进行了测试,进而对粉煤灰充填材料管道输送的沿程阻力及弯管局部阻力特性进行数值模拟研究。根据镇城底矿22618工作面的工程地质和开采技术条件,以及管道输送特性的研究结果,对充填管道系统进行了设计。得出以下主要结论:1)对原材料的物化特性进行测试,测试结果表明:粉煤灰为活性较低的低钙等外灰;煤矸石为粘土岩类矸石。2)对粉煤灰充填材料进行配比试验,选择优势配比为:水泥:粉煤灰:煤矸石=1:3:5,浓度为78%~80%。3)对不同浓度、细矸石率下的粉煤灰充填材料初始剪切应力和塑性粘度进行测试,测试结果表明充填材料浓度、细矸石率越大充填材料的初始剪切应力和塑性粘度越大;对优势配比下不同浓度、细矸石率的粉煤灰充填材料密度进行测试,测试结果表明充填材料浓度越大密度越大,细矸石率对密度几乎没有影响。4)采用采用Fluent(3D)软件进行数值模拟,系统的研究了充填材料浓度、细矸石率、流速及管道内径4项因素对粉煤灰充填材料沿程阻力特性的影响规律。结果表明沿程阻力随充填材料浓度、细矸石率、流速的增加而呈多项式规律增加,随管道内径的增加而呈多项式规律减小。5)采用Fluent(3D)软件进行数值模拟,系统的研究了充填材料浓度、细矸石率、流速、管道内径以及弯管曲率半径等5项因素对粉煤灰充填材料弯管局部阻力特性的影响规律。研究结果表明弯管局部阻力随充填材料浓度、细矸石率、流速的增加而呈多项式规律增加,随管道内径、弯管曲率半径的增加而呈多项式规律减小;当充填材料浓度、细矸石率、管道内径、弯管曲率半径越大时,动压中心越不易向管道外侧发生偏移;当流速越大时,动压中心越易向管道外侧发生偏移。在满足对采空区充填要求的情况下,建议使用浓度为80%、细矸石率为40%的粉煤灰充填材料,管道内流速为1.8m·s~(-1),管道内径为180mm,弯管曲率半径为1.5m。6)针对镇城底矿22618工作面的工程地质和开采技术条件,以及管道输送特性的研究结果,确定粉煤灰充填材料的浓度为80%、细矸石率为40%充填能力为163m3·h~(-1),管道内流速为1.78 m·s~(-1)和管道内径为180mm。根据充填系统布置,数值模拟出系统阻力为16.92MPa,并确定最小泵压为9.26MPa,选用湖南飞翼公司所生产的HGBS200.14.800型专用充填工业泵,管道选用外层为Q345号钢材,φ194mm×8mm的耐磨无缝钢管,耐磨层厚度为6mm,内径为186mm的管道。
【关键词】：粉煤灰充填材料 流变性 沿程阻力 弯管局部阻力 充填管道系统设计
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD823.7;TD50
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 研究背景与意义11-14
• 1.2 国内外研究现状14-19
• 1.2.1 煤矿充填材料输送方式研究现状14
• 1.2.2 水力管道输送现状14-17
• 1.2.3 水力管道输送阻力研究现状17-19
• 1.3 存在的主要问题19
• 1.4 研究内容与方法19-23
• 1.4.1 研究内容19-20
• 1.4.2 研究方法及路线20-23
• 第二章 粉煤灰充填材料及其物理力学参数的实验室测定23-53
• 2.1 概述23
• 2.2 原材料特性23-33
• 2.2.1 水泥特性23-24
• 2.2.2 粉煤灰特性24-29
• 2.2.3 煤矸石特性29-33
• 2.3 充填材料配比试验33-39
• 2.3.1 充填材料性能要求33-35
• 2.3.2 试验仪器35-36
• 2.3.4 试验方案36
• 2.3.5 试验结果及分析36-39
• 2.4 流变性测试39-48
• 2.4.1 流体分类39-40
• 2.4.2 测试仪器40-42
• 2.4.3 试验方案42
• 2.4.4 试验步骤42-46
• 2.4.5 试验结果及分析46-48
• 2.5 密度测定48-52
• 2.5.1 测试仪器48
• 2.5.2 测试方案48-49
• 2.5.3 测试步骤49-50
• 2.5.4 测试结果及分析50-52
• 2.6 小结52-53
• 第三章 粉煤灰充填材料管道输送特性的数值模拟研究53-77
• 3.1 概述53
• 3.2 沿程阻力特性数值模拟53-62
• 3.2.1 模拟方案53-55
• 3.2.2 模型建立55-57
• 3.2.3 模拟过程57
• 3.2.4 模拟结果与分析57-62
• 3.3 局部阻力特性数值模拟62-74
• 3.3.1 模拟方案62-63
• 3.3.2 模型建立63-65
• 3.3.3 模拟过程65
• 3.3.4 模拟结果与分析65-74
• 3.4 小结74-77
• 第四章 工程应用与分析77-89
• 4.1 工程背景77
• 4.2 充填能力确定77-79
• 4.3 流速及管道内径暂定79-80
• 4.4 管道线路规划80
• 4.5 泵送压力确定80-83
• 4.6 设备选型83-86
• 4.6.1 充填泵选型83-85
• 4.6.2 管道选型85-86
• 4.7 管道布置86-87
• 4.7.1 地面输送管86
• 4.7.2 钻孔立管86
• 4.7.3 井下顺槽输送管86-87
• 4.7.4 工作面输送管87
• 4.8 小结87-89
• 第五章 结论与展望89-93
• 5.1 主要结论89-90
• 5.2 不足与展望90-93
• 参考文献93-97
• 致谢97-99
• 攻读硕士期间发表的学生论文99

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