煤矿膏体充填材料配比与管道输送模拟研究.pdf

分类号分类号 TDTD823823 密密 级级 公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 煤矿膏体充填材料配比煤矿膏体充填材料配比 与管道输送模拟研究与管道输送模拟研究 赵子浩赵子浩 申请学位级别申请学位级别硕士硕士学位学位 专业专业名名称称矿业矿业工程工程 指导教师姓名指导教师姓名刘刘 进进 晓晓 职职 称称讲讲 师师 副副指导教师姓名指导教师姓名王生超王生超 职职 称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇一八年二〇一八年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 煤矿膏体充填材料配比煤矿膏体充填材料配比 与管道输送模拟研究与管道输送模拟研究 作者姓名作者姓名 赵赵 子子 浩浩 入学时间入学时间 2015 年年 9 月月 专业名称专业名称 矿业矿业工程工程 研究方向研究方向 绿色开采方法绿色开采方法 指导教师指导教师 刘刘 进进 晓晓 职职 称称 讲讲 师师 副指导教师副指导教师王王 生生 超超 职职 称称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2018 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 5 月月 授予学位日期授予学位日期2018 年年 6 月月 万方数据 PASTE PROPORTION TEST AND PIPELINE TRANSPORTATION SIMULATION IN COAL MINING A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Zhao Zihao Supervisor Lecturer Liu Jinxiao Vice Supervisor Senior Engineer Wang Shengchao College of Mining and Safety Engineering June 2018 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经 标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。 作为申请学位的条件之一，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名 导师导师签名签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内， 按照培养方案及个人培养计划，在规定的学习年限内， 按照培养方案及个人培养计划， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 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 147， 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。 关键词关键词膏体充填；材料配比；室内管道输送实验；数值模拟；现场监测 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT II ABSTRACT In this paper, by optimizing the ratio test, chemical analysis, pipeline modeling and numerical simulation analysis, we obtained the ratio of the composite cementitious material and the paste filling material. In consideration with the filling condition of Dai-zhuang coal mine, we studied the basic properties and rheological properties of the paste. Through a numerical simulation of the pipeline process by FLOW-3D, the pipe pressure of each location was calculated, so does the safety thickness of tube wall, for the safety of packing operation. The main conclusions are as follows 1Based on single factor , we designed the experimental scheme of composite Cemented materials, which are silicate cement, sulphoaluminate cement and gypsum. Through compressive strength test, we found that the composite cementitious materials of portland cement, sulfate aluminate cement and plaster, for the control of setting time, early and later strength of cementitious materials. According to the analysis of XRD and SEM, the hydration products of composite Cemented materials are mainly calcium alum in the beginning, and C-S-H and CH gels are main ones in the middle and later stage. 2The mixture of coal gangue, fly ash and optimized mix is designed by using single factor . The experiment shows that the increase of fly ash will lead to a increase in slump, coagulation time and the later strength of paste, and a reduce in its delamination and the early strength. The corresponding scheme is Z3 with a ratio of composite Cemented material, fly ash and coal gangue is 147, and the concentration is 81. The slump is 18.9cm, the layered degree is 1.7cm, the initial setting time is 4h 16min, the final set time is 5h 12min, the early strength is 0.22MPa, the late strength is 1.81MPa, the density is 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT III 1725kg m-3, the yield stress is 57.70Pa, the viscosity is 4.875Pa s. 3The paste filling material was applied to carry out the pipeline transportation test. By monitoring the density, flow rate and differential pressure of the paste filling material in the conveying process, the basic properties and rheological properties of paste filling materials are obtained. The FLOW-3D was used to simulate the conveying process in combination with the situation of Daizhuang coal mine, and by which a plunger pump model suitable for the paste filling was designed. According to the simulation results, the pipeline pressure distribution is obtained and maximum pressure, the safety thickness of the pipe wall is calculated as 12.6mm, hence. 4Z3 paste filling material was used to carry out the conveying operation in Daizhaung, and by monitoring the pressure condition of the pipe, the perance of the paste filling material was measured. The pressure at the bottom of the borehole is 9MPa when the working face is 2000m from the fill hole. The lateral pressure of the bottom of the hole was 0.12MPa. After 4h transmission, the material collapse degree is 18.4cm, and the stratification degree is 1.2cm, which can meet the filling requirements. According to the results of pressure monitoring, a more secure monitoring is put forward to ensure the safe filling operation. Keywords Paste filling; Material ratio; Lab pipeline transmission test; Numerical simulation; In-situ monitoring 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................... I 1 1 绪论绪论......................................................................................................... 1 1.1 研究背景与意义..................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状..................................................................................................... 2 1.3 论文研究内容与技术路线..................................................................................... 5 2 2 煤矿煤矿膏体膏体充填充填材料性材料性能分析能分析 ................................................................ 7 2.1 煤矿膏体充填材料可泵性分析............................................................................. 7 2.2 煤矿膏体充填体强度分析................................................................................... 11 2.3 本章小结............................................................................................................... 17 3 3 复合胶结材料优化配比试验复合胶结材料优化配比试验 ............................................................... 18 3.1 复合胶结材料配比试验方案............................................................................... 18 3.2 复合胶结材料性能试验结果及分析................................................................... 20 3.3 复合胶结材料水化机理研究............................................................................... 25 3.4 本章小结............................................................................................................... 30 4 4 膏体充填材料配比研究膏体充填材料配比研究 ...................................................................... 31 4.1 试验材料............................................................................................................... 31 4.2 试验仪器............................................................................................................... 32 4.3 膏体充填材料优化配比试验............................................................................... 32 4.4 优化配比材料其他参数的测定........................................................................... 34 4.5 本章小结............................................................................................................... 37 5 5 膏体充填材料管道输送模拟研究膏体充填材料管道输送模拟研究 ...................................................... 38 5.1 实验室环管实验................................................................................................... 38 5.2 膏体充填材料输送数值模拟研究....................................................................... 45 5.3 本章小节............................................................................................................... 54 6 6 工业性试验工业性试验 .......................................................................................... 55 6.1 工程背景............................................................................................................... 55 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 6.2 充填泵与管道线路............................................................................................... 56 6.3 充填工艺............................................................................................................... 56 6.4 压力监测............................................................................................................... 57 6.5 充填膏体材料性能变化....................................................................................... 60 6.6 本章小结............................................................................................................... 61 7 7 主要结论与展望主要结论与展望 .................................................................................. 63 7.1 主要结论............................................................................................................... 63 7.2 展望....................................................................................................................... 65 参考文献参考文献 .................................................................................................. 66 致谢致谢 ........................................................................................................... 69 攻读硕士期间主要研究成果攻读硕士期间主要研究成果 .................................................................. 70 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents VI Contents ABSTRACT .................................................................................................. I 1 Introduction ............................................................................................... 1 1.1 Research Background and Significance ...................................................................................... 1 1.2 Domestic and Foreign Research Status ....................................................................................... 2 1.3 Research Contents and Technical Route ..................................................................................... 5 2 Perance Analysis of Paste Filling Material in Coal Mine ......................... 7 2.1 Pumpability of Paste Filling Material in Coal Mine ................................................................... 7 2.2 Strength Analysis of Mining Paste Filling Body ...................................................................... 11 2.3 Brief Summary .......................................................................................................................... 17 3 The Optimum RatioTest of Composite Cemented Material .......................... 18 3.1 Plan of Composite Cemented Material Ratio Test .................................................................... 18 3.2 Perance Test Results and Analysis of Composite Cemented Materials ............................ 20 3.3 Hydration Mechanism Research of Composite Cemented Material ......................................... 25 3.4 Brief Summary .......................................................................................................................... 30 4 The Determination of Paste Filling Material ............................................... 31 4.1 Experimental Materials ............................................................................................................. 31 4.2 Experimental Instruments ......................................................................................................... 32 4.3 Optimization of Paste Filling Material ...................................................................................... 32 4.4 Optimize Other Parameters of the Matching Material .............................................................. 34 4.5 Brief Summary .......................................................................................................................... 37 5 Simulation Study on Pipeline Transportation of Paste Filling Material ......... 38 5.1 Simulation Experiment on Pipeline Transportation of Paste Filling Material .......................... 38 5.2 Numerical Simulation Study on Pipeline Transportation of Paste Filling Material .................. 45 5.3 Brief Summary .......................................................................................................................... 54 6 Site Industrial test ..................................................................................... 55 6.1 Engineering Background ........................................................................................................... 55 6.2 Filling Pump and Pipeline Route .............................................................................................. 56 6.3 Filling Process ................................................................