高温深井下含冰粒充填料浆流动沉降规律研究
发布时间：2021-08-20 13:07
含冰粒胶结充填料浆（ICPB）是一种兼具传统充填料浆（CPB）的优点和采空区降温功能的新型充填材料。含冰粒胶结充填材料的流动特性是影响其工作性能、充填体长期强度的关键因素。因此本研究主要结合试验与数值计算方法,对含冰粒胶结充填料浆的流变特性以及管输流动特性进行了研究。运用基于相似理论的水槽实验平台以及核磁共振等技术对ICPB在采空区的流动沉降与分层规律等含冰粒胶结充填关键技术展开研究,并引入一种适用矿山充填输送管道的电阻层析成像（ERT）可视化检测方法。得出的主要结论如下:（1）新拌ICPB表现出非牛顿流体的行为,剪切速率和剪切应力的关系符合宾汉模型。屈服应力、塑性粘度和触变性随冰水比（I/WR）的增大而增大,而坍落度随I/WR和浓度的增加而减小。圆柱坍落度的模拟结果与实验结果吻合较好。此外,数值模拟研究表明,当试验温度从11.85℃提高到31.85℃时,ICPB的坍落度增大,研究结果可为ICPB管输设计提供参考。（2）基于CFD方法对不同I/WR和不同冰颗粒粒径的ICPB在管道输送过程中的流动特性进行研究。结果表明,由于粗尾砂的沉积和细尾砂的悬浮,在管道运输过程中形成了三个区域。IC...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电阻率测试仪与标准恒温恒湿养护箱浓度和对电导率的影响
4含冰粒充填料浆固-液两相流电阻层析成像研究35术可适用于充填管道液-固两相流的可视化检测。4.4成像结果与分析为了验证在实验条件下，ERT技术检测含冰粒充填管道内结块程度和位置的可行性进行以下实验。制作了浓度为78%、I/WR为2的结块模型，其直径为90mm，高为150mm，试块放置在标准恒温恒湿养护箱（湿度为95%，温度20℃）中养护15小时后，将试件切割成厚度为10mm、20mm、30mm、40mm的不同程度结块模型，以此来模拟充填管道内不同程度堵塞情况，实验结块模型如图4.4所示。图4.4实验结块模型运用16电极ERT系统，数据采集模式采用相邻电流激励模式，激励电流为10mA，16个测量周期共需采样208个电压信号。ERT传感器内径为100mm，根据几何相似原理，建立4种实测模型。实测模型1：结块高度为10mm，占充填管道直径的10%；实测模型2：结块高度为20mm，占充填管道直径的20%；实测模型3：结块高度为30mm，占充填管道直径的30%；实测模型4：结块高度为40mm，占充填管道直径的40%。在ERT传感器内只有含冰粒充填料浆时，启动ERT系统采集208个均匀边界电压信号，结块模型放入ERT传感器模型后，再采集208个非均匀边界电压信号。利用两组信号的差异重建充填管道电导率分布图，采用一步线性高斯-牛顿重建算法，对这4种代表不同堵塞程度的实测模型进行图像重建，实测模型与图像重建结果如表4.2所示。从表4.2中的图像重建结果可以看出，实测模型1~4的重建图像中的蓝色区域代表结块，显然，结块模型位置处于敏感场的边缘，ERT检测灵敏度最高，精度也越高；而在测量敏感场的中心时，即ERT传感器模型的中心位置处，ERT检测灵敏度最低。因为ERT系统具有的“软场效应”[25]，另外管道中的结块一般发生在管道壁面，即采用ERT测量时结块处于敏感场的边缘，检测?
5含冰粒充填料浆采空区流动沉降规律研究42为400mm。沿含冰粒充填料浆流动方向上沉降量越来越大，主要原因是含冰粒充填料浆在采场中的流动主要受重力影响，大颗粒尾砂较容易沉积，在下料口附近沉积的粗颗粒尾砂较多，在流动过程中将细颗粒、冰和水推移至远端。从而在下料口至最远端形成坡面结构的不均匀流动沉降几何结构。图5.5充填体固结后几何形貌5.3含冰粒充填体强度分布规律5.3.1含冰粒充填体沿垂直方向的强度分布规律0204060801001200123456强度(Mpa)距下料口测距离(cm)底部中部顶部图5.6垂直方向强度分布根据单轴压缩实验结果可见，在同一钻孔内的三个充填体试件在垂直方向的强度，随着深度的增加而逐渐增加，如图5.6所示。充填料浆的浓度、级配以及灰砂比影响充填体强度的重要因素。由于含冰粒充填料浆从下料口开始向远端流动，不断发生离析沉降，大颗粒尾砂沉积在下料口附近，冰颗粒、细颗粒尾砂和水泥以及水推向远端，M.Fall表明粗颗粒和中等颗粒尾砂有利于充填体强度的增加，较多细颗粒尾砂不利于充填体强
【参考文献】：
期刊论文
[1]全尾砂膏体流变学研究现状与展望（上）：概念、特性与模型[J]. 吴爱祥,李红,程海勇,王贻明,李翠平,阮竹恩. 工程科学学报. 2020(07)
[2]深部硬岩矿山岩爆的动静组合加载力学机制与动力判据[J]. 李夕兵,宫凤强,王少锋,李地元,陶明,周健,黄麟淇,马春德,杜坤,冯帆. 岩石力学与工程学报. 2019(04)
[3]膏体料浆管道输送中粗骨料颗粒运动规律分析[J]. 颜丙恒,李翠平,吴爱祥,王洪江,侯贺子. 中南大学学报(自然科学版). 2019(01)
[4]矿山功能性充填基础理论与应用探索[J]. 刘浪,辛杰,张波,张小艳,王美,邱华富,陈柳. 煤炭学报. 2018(07)
[5]高含泥全尾砂膏体长距离输送CFD模拟研究（英文）[J]. 吴爱祥,阮竹恩,王贻明,尹升华,王少勇,王勇,王建栋. Journal of Central South University. 2018(01)
[6]充填料浆大直径管道输送流动型态研究现状与关键问题[J]. 刘金山,郭连军,高锋. 西部探矿工程. 2017(09)
[7]充填料浆流动沉降规律与充填体力学特性研究[J]. 卢宏建,梁鹏,甘德清,张松林. 岩土力学. 2017(S1)
[8]深井充填两相流管道沉积机理研究[J]. 过江,刘铭,张碧肖. 黄金科学技术. 2016(05)
[9]尾矿膏体胶结充填料的微观结构和力学性能研究[J]. 陈莉薇,高莉,夏楚林,马明英,党君. 硅酸盐通报. 2016(06)
[10]尾砂胶结充填体力学性能与微观结构研究[J]. 李鑫,王炳文,游家梁,杨寒雯,侯阳,解立赫,李腾龙. 中国矿业. 2016(06)
博士论文
[1]矿山充填膏体配比优化与流动特性研究[D]. 刘浪.中南大学 2013
硕士论文
[1]矿浆管道水力输送动力特性研究[D]. 李婷.武汉理工大学 2013
[2]尾砂充填料流变特性和高浓度料浆输送性能研究[D]. 郑伯坤.长沙矿山研究院 2011
[3]矿山地下采空区膏体充填理论与技术研究[D]. 丁德强.中南大学 2007
[4]深井充填技术的研究[D]. 肖卫国.中南大学 2003
本文编号：3353554
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电阻率测试仪与标准恒温恒湿养护箱浓度和对电导率的影响
4含冰粒充填料浆固-液两相流电阻层析成像研究35术可适用于充填管道液-固两相流的可视化检测。4.4成像结果与分析为了验证在实验条件下，ERT技术检测含冰粒充填管道内结块程度和位置的可行性进行以下实验。制作了浓度为78%、I/WR为2的结块模型，其直径为90mm，高为150mm，试块放置在标准恒温恒湿养护箱（湿度为95%，温度20℃）中养护15小时后，将试件切割成厚度为10mm、20mm、30mm、40mm的不同程度结块模型，以此来模拟充填管道内不同程度堵塞情况，实验结块模型如图4.4所示。图4.4实验结块模型运用16电极ERT系统，数据采集模式采用相邻电流激励模式，激励电流为10mA，16个测量周期共需采样208个电压信号。ERT传感器内径为100mm，根据几何相似原理，建立4种实测模型。实测模型1：结块高度为10mm，占充填管道直径的10%；实测模型2：结块高度为20mm，占充填管道直径的20%；实测模型3：结块高度为30mm，占充填管道直径的30%；实测模型4：结块高度为40mm，占充填管道直径的40%。在ERT传感器内只有含冰粒充填料浆时，启动ERT系统采集208个均匀边界电压信号，结块模型放入ERT传感器模型后，再采集208个非均匀边界电压信号。利用两组信号的差异重建充填管道电导率分布图，采用一步线性高斯-牛顿重建算法，对这4种代表不同堵塞程度的实测模型进行图像重建，实测模型与图像重建结果如表4.2所示。从表4.2中的图像重建结果可以看出，实测模型1~4的重建图像中的蓝色区域代表结块，显然，结块模型位置处于敏感场的边缘，ERT检测灵敏度最高，精度也越高；而在测量敏感场的中心时，即ERT传感器模型的中心位置处，ERT检测灵敏度最低。因为ERT系统具有的“软场效应”[25]，另外管道中的结块一般发生在管道壁面，即采用ERT测量时结块处于敏感场的边缘，检测?
5含冰粒充填料浆采空区流动沉降规律研究42为400mm。沿含冰粒充填料浆流动方向上沉降量越来越大，主要原因是含冰粒充填料浆在采场中的流动主要受重力影响，大颗粒尾砂较容易沉积，在下料口附近沉积的粗颗粒尾砂较多，在流动过程中将细颗粒、冰和水推移至远端。从而在下料口至最远端形成坡面结构的不均匀流动沉降几何结构。图5.5充填体固结后几何形貌5.3含冰粒充填体强度分布规律5.3.1含冰粒充填体沿垂直方向的强度分布规律0204060801001200123456强度(Mpa)距下料口测距离(cm)底部中部顶部图5.6垂直方向强度分布根据单轴压缩实验结果可见，在同一钻孔内的三个充填体试件在垂直方向的强度，随着深度的增加而逐渐增加，如图5.6所示。充填料浆的浓度、级配以及灰砂比影响充填体强度的重要因素。由于含冰粒充填料浆从下料口开始向远端流动，不断发生离析沉降，大颗粒尾砂沉积在下料口附近，冰颗粒、细颗粒尾砂和水泥以及水推向远端，M.Fall表明粗颗粒和中等颗粒尾砂有利于充填体强度的增加，较多细颗粒尾砂不利于充填体强
【参考文献】：
期刊论文
[1]全尾砂膏体流变学研究现状与展望（上）：概念、特性与模型[J]. 吴爱祥,李红,程海勇,王贻明,李翠平,阮竹恩. 工程科学学报. 2020(07)
[2]深部硬岩矿山岩爆的动静组合加载力学机制与动力判据[J]. 李夕兵,宫凤强,王少锋,李地元,陶明,周健,黄麟淇,马春德,杜坤,冯帆. 岩石力学与工程学报. 2019(04)
[3]膏体料浆管道输送中粗骨料颗粒运动规律分析[J]. 颜丙恒,李翠平,吴爱祥,王洪江,侯贺子. 中南大学学报(自然科学版). 2019(01)
[4]矿山功能性充填基础理论与应用探索[J]. 刘浪,辛杰,张波,张小艳,王美,邱华富,陈柳. 煤炭学报. 2018(07)
[5]高含泥全尾砂膏体长距离输送CFD模拟研究（英文）[J]. 吴爱祥,阮竹恩,王贻明,尹升华,王少勇,王勇,王建栋. Journal of Central South University. 2018(01)
[6]充填料浆大直径管道输送流动型态研究现状与关键问题[J]. 刘金山,郭连军,高锋. 西部探矿工程. 2017(09)
[7]充填料浆流动沉降规律与充填体力学特性研究[J]. 卢宏建,梁鹏,甘德清,张松林. 岩土力学. 2017(S1)
[8]深井充填两相流管道沉积机理研究[J]. 过江,刘铭,张碧肖. 黄金科学技术. 2016(05)
[9]尾矿膏体胶结充填料的微观结构和力学性能研究[J]. 陈莉薇,高莉,夏楚林,马明英,党君. 硅酸盐通报. 2016(06)
[10]尾砂胶结充填体力学性能与微观结构研究[J]. 李鑫,王炳文,游家梁,杨寒雯,侯阳,解立赫,李腾龙. 中国矿业. 2016(06)
博士论文
[1]矿山充填膏体配比优化与流动特性研究[D]. 刘浪.中南大学 2013
硕士论文
[1]矿浆管道水力输送动力特性研究[D]. 李婷.武汉理工大学 2013
[2]尾砂充填料流变特性和高浓度料浆输送性能研究[D]. 郑伯坤.长沙矿山研究院 2011
[3]矿山地下采空区膏体充填理论与技术研究[D]. 丁德强.中南大学 2007
[4]深井充填技术的研究[D]. 肖卫国.中南大学 2003
本文编号：3353554
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