煤矿膏体充填材料配比与管道输送模拟研究

摘要

本文通过优化配比试验、化学分析、管道输送模拟以及数值模拟分析等方法，配比出适合煤矿充填的复合胶结材料、膏体充填材料，并结合岱庄煤矿实际情况，研究了膏体在管道输送过程中的基本性能以及流变特性，通过FLOW-3D数值模拟计算出了管道不同位置的压力，进而由最大压力计算出管壁的安全厚度，保证充填作业安全进行。主要得出以下结论：　　（1）运用单因素法以硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥以及石膏为材料科学设计了复合胶结材料的配比试验方案。通过抗压强度测试，发现复合胶结材料中硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和石膏需要有一个适当比例，来保证胶结材料的凝结时间以及早期强度和后期强度。通过XRD和SEM的分析可知，复合胶结材料的水化产物前期以钙矾石为主，中后期则以C-S-H和CH凝胶为主。　　（2）运用单因素法使用煤矸石、粉煤灰以及优化配比得到的复合胶结材料设计了膏体充填材料的配比试验方案。试验表明，粉煤灰含量的增加会提高塌落度，降低分层度，增加凝结时间，提高膏体的后期强度，但同时也使得膏体的早期强度降低。确定最终方案为Z3时符合煤矿充填要求，即复合胶结材料、粉煤灰、煤矸石掺量的比为1∶4∶7，浓度为81%。膏体的性能参数为，塌落度18.9cm，分层度1.7cm，初凝时间4h16min，终凝时间5h12min，早期强度为0.22MPa，后期强度为1.81MPa，密度为1725kg?m-3，屈服应力为57.70Pa，粘度为4.875Pa?s。　　（3）利用实验室管道输送试验得到了膏体充填材料在输送过程中的基本性能变化规律和流变特性。试验表明，Z3膏体充填材料的塌落度和分层度随泵送时间的增长而减小，质量浓度屈服应力与塑性粘度会变大。利用FLOW-3D软件，设计了适合膏体充填输送的柱塞泵模型，根据模拟结果得出了管道压力分布规律，进而计算出管壁的安全厚度为12.6mm。　　（4）以岱庄煤矿充填系统为背景监测输送过程中管道压力情况，并对输送后的膏体充填材料性能进行了测定。结果表明，对距离充填钻孔2000m的工作面充填时，钻孔底部的压力接近9MPa，钻孔底部弯管外侧压力比出口大0.12MPa。经4h输送，材料塌落度为18.4cm，分层度为1.2cm，可以满足充填要求。并根据压力监测结果，提出了更加安全的监测方法，保证了安全充填作业的进行。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

Contents

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 膏体充填材料性能与配比研究

1.2.2 充填材料输送特性研究

1.3 论文研究内容与技术路线

1.3.1 研究内容

2 煤矿膏体充填材料性能分析

2.1 煤矿膏体充填材料可泵性分析

2.2 煤矿膏体充填体强度

2.2.1 充填体早期强度

2.2.2 充填体后期强度

2.3 本章小结

3 复合胶结材料优化配比试验

3.1 复合胶结材料配比试验方案

3.1.1 试验仪器

3.1.2 试验材料

3.1.3 试验方案设计

3.2 复合胶结材料性能试验结果及分析

3.2.1 试验样本制备与性能测试

3.2.2 复合胶结材料的凝结时间

3.2.3 复合胶结材料的抗压强度

3.3 复合胶结材料水化机理研究

3.3.1 复合胶结材料水化产物分析

3.3.2 复合胶结材料微观结构分析

3.3.3 复合胶结材料水化过程分析

4 膏体充填材料配比研究

4.1 试验材料

4.2 试验仪器

4.3 膏体充填材料优化配比试验

4.4 优化配比材料其他参数的测定

4.4.1 密度测定

4.4.2 屈服应力的测定

4.4.3 粘度测定

5 膏体充填材料管道输送模拟研究

5.1 实验室环管实验

5.1.1 膏体充填模拟系统介绍

5.1.2 膏体充填材料管道输送试验

5.1.3 膏体充填材料基本性能管道输送研究

5.1.4 膏体充填材料流变特性的管道试验研究

5.2 膏体充填材料输送数值模拟研究

5.2.1 模拟方案

5.2.2 建立模型

5.2.3 模拟结果分析

5.3 本章小节

6 工业性试验

6.1 工程背景

6.2 充填泵与管道线路

6.3 充填工艺

6.4 压力监测

6.5 充填膏体材料性能变化

6.6 本章小结

7 主要结论与展望

7.1 主要结论

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要研究成果