一种高温深井下充填体的相变降温研究方法

摘要

本发明公开了一种高温深井下充填体的相变降温研究方法，包括以下四个阶段：通过粒径配比实验筛选管道输送料浆最佳粒径级配；通过计算流体力学、颗粒动力学、两相流理论等进行理论分析、模型构建与计算，建立适用于工程设计阶段的含冰充填料浆非均质性等温流动阻力模型；研究固流转化过程中外部环境对该过程的影响，进行载冷能力计算及降温效率试验研究；利用数值模拟软件进行相变砂浆多场耦合的建模与计算，研究其相变过程的时空演化规律与非线性模型；本发明能形成一套完整的高温深井相变降温充填体作用机理的理论体系，所得出的试验结果和形成的理论可直接应用于深部开采，解决深井充填料浆输送及矿井降温等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料学、散体介质力学、细观力学、流体力学、传热学、流变学、颗 粒流数值模拟等理论与方法，具体是一种高温深井下充填体的相变降温研究方法。

背景技术

随着浅部资源逐渐减少和枯竭，开采深度越来越大，目前我国面临深部开采的矿山占 全国矿山总数的90％；深部开采面临高地应力、高地温、高渗透压等诸多问题，导致开采 难度加大、作业环境恶化、通风降温和生产成本急剧增加，为深部资源开采提出了严峻挑 战；为实现安全生产，充填技术的应用在深部资源开发中必不可少，充填采矿法可以将地 表堆积废料回填到井下，处理空区，从而大大提高回采作业安全程度，提高深部资源回收 率30％，且解决地表堆积废料造成的环境污染，实现绿色开采；而解决矿井高温问题也己 迫在眉睫，充填对采区降温方面有一定的帮助，充填可使采场原岩暴露面积大大减小，从 而降低了原岩的散热面积，因此可以降低原岩的热量散发；同时充填体能有效的阻止风流 渗漏，在一定程度上避免废风串联，从而提高风流的利用率，有效的降低坑内温度；深井 充填技术面临诸多难题，膏体充填是未来一大主要方向，传统的水力充填工艺，料浆浓度 很难提高到70％以上，且通常需要对尾砂进行分级脱泥，其结果是充填尾砂的利用率低， 充入采场后的充填体需脱水，脱水时会带走充填料中的水泥，造成水泥流失，削弱充填体 的强度，且造成井下严重污染，提高充填料浆的浓度是解决这类问题的关键，但由于受管 道自流输送的限制，要想进一步提高料浆浓度，必须借助适当的设备，实现膏体充填，膏 体充填料浆具有不离析、不沉淀，且采场脱水量少、甚至不脱水，充填体强度增长迅速， 充填质量好、效率高、成本低，改善井下作业环境等优点，是未来充填采矿技术发展的必 然趋势。

现有技术的矿井制冷降温技术原理如图1所示，系统由制冷、输冷、传冷和排热四个 环节组成。由制冷站1制出冷源(冰片或冷水等)，经专用的冷港冻水管3输送到采掘工作 面的空冷器5，同工作面的湿热空气进行热交换，从而降低工作面的环境温度、湿度，热 交换后的冷却水将冷凝热带出工作面(如地面等)；该制冷降温系统存在诸多缺点：系统复 杂，装机总功率大，能耗高；供冷管道长，系统冷量损耗较大，流化冰生产过程需加盐， 对输冷管路、设备存在腐蚀作用；需在井筒中安装大直径的输冷管道及对管道进行保温处 理；地面制冷车间占地面积大等。

未来深井开采必将面临的两大问题，即空区充填和矿井降温，当前，膏体充填技术尚 不完善，在料浆输送上存在诸多问题，很难形成稳定的结构流；矿井降温系统复杂，运行 成本高，制冷效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温深井下充填体的相变降温研究方法，以解决上述背景 技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高温深井下充填体的相变降温研究方法，包括以下四个阶段：

(1)第一阶段

通过试验研究和数值分析相结合的方法完成管道输送料浆最佳粒径级配研究，根据固 液混合体在管道中运动的力学特点，采用粒径从毫米级到微米级的尾砂或棒磨砂进行粒径 配比试验，通过加入不同粒径级配的尾砂或棒磨砂配置膏体/似膏体充填料浆，进行坍落 度试验、沉降试验、自流试验、环管实验等常规充填试验，结合PFC颗粒流模拟计算，得 到最近似结构流的料浆的粒径级配，进而得到充填料浆深井管道输送最佳粒径级配；

(2)第二阶段

通过冰浆等温流动试验计算流体力学、颗粒动力学、两相流理论等进行理论分析、模 型构建与计算，建立适用于工程设计阶段的含冰充填料浆非均质性等温流动阻力模型；

(3)第三阶段

从热力学、传热学角度出发，研究固流转化过程中外部环境对该过程的影响，计算空 间温度场的分布情况、液相中存在自然对流或强制对流的影响、相变界面的运动规律等， 结合室内和现场试验，得到一定载冷量的冰制充填料浆对原岩温度的影响，分析其能力耗 散规律及对原岩的降温能力，进行载冷能力计算及降温效率试验研究等；

(4)第四阶段

研究含冰充填料浆输送至空区后伴随着冰颗粒的吸热液化、水泥水化反应的进行，研 究含冰充填体的非线性力学行为，利用数值模拟软件进行相变砂浆多场耦合的建模与计 算，进行相似模型试验，进而研究其相变过程的时空演化规律与非线性模型。

作为本发明进一步的方案：所述粒径配比实验选取山东黄金集团鑫汇矿业在研项目实 验尾砂及相应围岩废石，利用棒磨砂机以100μm为增量制备粒径100μm～5mm的围岩试 样，利用均匀实验设计，进行配比试验，并测定相应的坍落度、沉降实验参数等，运用 Fluent、PFC进行颗粒流体模拟，结合实验数据得出形似结构流的粒径级配。

作为本发明进一步的方案：所述冰浆冰浆等流动实验测试装置主要由三个子系统构 成，即冰浆储系统、冰浆送系统和参数监测釆集系统，其中，冰浆存储系统是由容积为0.5 立方米的保温罐体和搅拌装置组成，可为输送系统提供均质冰浆，冰浆输送系统是由浆体 泵、输送管线及流量调节装置组成，以实现输送系统变工况运行；参数监测采集系统是由 监测设备及KEITHLEY2700数据釆集仪组成，监测设备包括PT100铂电阻温度传感器、 RCCT36质量流量计和EJA110A差压变送器；利用锤式粉碎机粉碎市面上采购的冰块，由筛 网控制冰粒子大小，制备粒状冰，并加一定量的水与尾砂、水泥搅拌得到含冰充填料浆， 输送管线内冰浆流体的温度采用PT100铂电阻温度传感器进行测量，PT100铂电阻温度传 感器在使用前通过恒温水槽及标准水银温度计进行标定；输送管线内冰浆流体的密度及质 量流量采用RCCT36质量流量计进行测量，测量结果由KEITHLEY2700数据采集仪自动记录； 管道内冰浆流体的流动阻力，采用EJA110A差压变送器进行测量。

作为本发明再进一步的方案：所述输送管线的管长≈100m。

作为本发明再进一步的方案：所述载冷能力计算及降温效率实验研究包括：结合冰浆 流体管道输送的实验测试结果，对制备好的充填料浆考虑冰粒子的相变特征进行载冷量的 计算；降温效率的实验采取现场实验的方式，测定一个空区的原岩温度，将一定量的含冰 充填料浆输入采空区，并由温度传感器设备对原岩温度进行监测，计算含冰充填料浆的载 冷量与原岩温度降低所需的冷负荷的转换率。

作为本发明再进一步的方案：所述相似模型实验包括以下内容：将含冰充填料浆灌注 在相似模型试验机内，并同时制备50cm*50cm的充填体试块；分别测试充填体初凝、终凝 的强度，对相似模型实验机进行加载，并由应力传感器取得其应力应变曲线；利用数值模 拟软件进行相变砂浆多场耦合的建模与计算，结合实验结果研究分析充填体相变过程的时 空演化规律；对相变终期的充填体进行取样，利用岩石核磁共振成像分析系统，获取充填 体的孔隙分布、流体分布、弛豫时间、核磁共振谱面积等，进而分析充填体在相变过程中 水分的迁移、胶结体的形成；基于对相变终期充填体中缺陷如微裂纹、微孔洞、孔隙、裂 隙等的认识，在软件中构建充填体的多尺度模型，研究不同孔隙类型的尺度效应。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用室内试验、现场试验、数值分析 等手段，研究含冰充填料浆非均质性管道流动的场特征、流变特性及流阻模型，构建含冰 充填体相变过程力学行为的非线性模型，以解决含冰充填料浆的管道输送及相变过程的非 线性力学行为等问题；通过对试验过程中取得的所有数据及构建的模型进行系统分析，采 用理论-试验-再理论-再试验的方式不断对问题进行分析和试验研究，用数值软件模拟仿 真，用试验验证，综合分析，开展冰制充填体固液相变传热规律及降温效率的研究，对相 变充填体进行多重环境下的试验研究和耦合模拟仿真，研究空区充填与矿井降温的协同技 术，形成一套完整的高温深井相变降温充填体作用机理的理论体系，并进行应用方面的研 究，所得出的试验结果和形成的理论可直接应用于深部开采，解决深井充填料浆输送及矿 井降温等问题。

附图说明

图1为现有技术矿井制冷降温技术的基本原理图。

图2为本发明中冰浆等温流动实验测试系统原理图。

其中，1-制冷站；2-冷冻水泵；3-冷港冻水管；4-局部通风格；5-空冷器；6-风筒； 7-冷却水泵；8-冷却水管；9-冷却塔；10-保温罐体；11-搅拌装置；12-浆体泵；13-输送 管线；14-流量调节装置；15-PT100铂电阻温度传感器；16-RCCT36质量流量计；17-EJA110A 差压变送器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种高温深井下充填体的相变降温研究方法，包括以下四个阶段：

(1)第一阶段

通过试验研究和数值分析相结合的方法完成管道输送料浆最佳粒径级配研究，根据固 液混合体在管道中运动的力学特点，采用粒径从毫米级到微米级的尾砂或棒磨砂进行粒径 配比试验，通过加入不同粒径级配的尾砂或棒磨砂配置膏体/似膏体充填料浆，进行坍落 度试验、沉降试验、自流试验、环管实验等常规充填试验，结合PFC颗粒流模拟计算，得 到最近似结构流的料浆的粒径级配，进而得到充填料浆深井管道输送最佳粒径级配；

(2)第二阶段

通过冰浆等温流动试验计算流体力学、颗粒动力学、两相流理论等进行理论分析、模 型构建与计算，建立适用于工程设计阶段的含冰充填料浆非均质性等温流动阻力模型；

(3)第三阶段

从热力学、传热学角度出发，研究固流转化过程中外部环境对该过程的影响，计算空 间温度场的分布情况、液相中存在自然对流或强制对流的影响、相变界面的运动规律等， 结合室内和现场试验，得到一定载冷量的冰制充填料浆对原岩温度的影响，分析其能力耗 散规律及对原岩的降温能力，进行载冷能力计算及降温效率试验研究等；

(4)第四阶段

研究含冰充填料浆输送至空区后伴随着冰颗粒的吸热液化、水泥水化反应的进行，研 究含冰充填体的非线性力学行为，利用数值模拟软件进行相变砂浆多场耦合的建模与计 算，进行相似模型试验，进而研究其相变过程的时空演化规律与非线性模型。

所述粒径配比实验选取山东黄金集团鑫汇矿业在研项目实验尾砂及相应围岩废石，利 用棒磨砂机以100μm为增量制备粒径100μm～5mm的围岩试样，利用均匀实验设计，进 行配比试验，并测定相应的坍落度、沉降实验参数等，运用Fluent、PFC进行颗粒流体模 拟，结合实验数据得出形似结构流的粒径级配。

所述冰浆冰浆等流动实验测试装置主要由三个子系统构成，即冰浆储系统、冰浆送系 统和参数监测釆集系统，其中，冰浆存储系统是由容积为0.5立方米的保温罐体10和搅 拌装置11组成，可为输送系统提供均质冰浆，冰浆输送系统是由浆体泵12、输送管线13 及流量调节装置14组成，以实现输送系统变工况运行，所述输送管线13的管长≈100m； 参数监测采集系统是由监测设备及KEITHLEY2700数据釆集仪组成，监测设备包括PT100 铂电阻温度传感器15、RCCT36质量流量计16和EJA110A差压变送器17；利用锤式粉碎 机粉碎市面上采购的冰块，由筛网控制冰粒子大小，制备粒状冰，并加一定量的水与尾砂、 水泥搅拌得到含冰充填料浆，输送管线13内冰浆流体的温度采用PT100铂电阻温度传感 器15进行测量，PT100铂电阻温度传感器15在使用前通过恒温水槽及标准水银温度计进 行标定；输送管线13内冰浆流体的密度及质量流量采用RCCT36质量流量计16进行测量， 测量结果由KEITHLEY2700数据采集仪自动记录；管道内冰浆流体的流动阻力，采用EJA110A 差压变送器17进行测量。

所述载冷能力计算及降温效率实验研究包括：结合冰浆流体管道输送的实验测试结 果，对制备好的充填料浆考虑冰粒子的相变特征进行载冷量的计算；降温效率的实验采取 现场实验的方式，测定一个空区的原岩温度，将一定量的含冰充填料浆输入采空区，并由 温度传感器设备对原岩温度进行监测，计算含冰充填料浆的载冷量与原岩温度降低所需的 冷负荷的转换率。

所述相似模型实验包括以下内容：将含冰充填料浆灌注在相似模型试验机内，并同时 制备50cm*50cm的充填体试块；分别测试充填体初凝、终凝的强度，对相似模型实验机进 行加载，并由应力传感器取得其应力应变曲线；利用数值模拟软件进行相变砂浆多场耦合 的建模与计算，结合实验结果研究分析充填体相变过程的时空演化规律；对相变终期的充 填体进行取样，利用岩石核磁共振成像分析系统，获取充填体的孔隙分布、流体分布、弛 豫时间、核磁共振谱面积等，进而分析充填体在相变过程中水分的迁移、胶结体的形成； 基于对相变终期充填体中缺陷如微裂纹、微孔洞、孔隙、裂隙等的认识，在软件中构建充 填体的多尺度模型，研究不同孔隙类型的尺度效应。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背 离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从 哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权 利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有 变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含 一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将 说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可 以理解的其他实施方式。