矿井煤矸石胶结充填料浆及其长距离管道输送特性研究

It is a serious problem to ensure the filling quality and the safe and efficient long-distance pipeline transportation of filling gangue cemented filling material in filling mine. Based on the experiment analysis of the gangue cemented filling material, the properties of mechanics, strength and deformation of filling materials in matching test is determined by considering the difference of the dosage of fly ash, cement, fine rate of gangue and the concentration of slurry. Then the parameters of pipeline resistance losses, the flow pattern and the mechanisms of restart disturbance of filling slurry is obtained under the different condition of the parameters of slurry, pipes, normal delivery, stop the pump, the ways of pressurized by through numerical simulation and long-distance direct and bending pipeline transportation test. The effect on flow stability of the slurry is studied by Considering the parameters of pumping, the characteristics of slurry and the conveying system of filling material on the basis of pumped index of slump and secrete water. The optimal control forms of the parameters of pumping, the characteristics of slurry and conveying system is obtained. The optimal proportion plan of the filling slurry is obtained under the condition of common filling equipment performance indexes. The data support and solutions is provided for the design and operation scene of the filling system.

确保矸石胶结充填材料的充填质量及长距离管道安全高效运输是矿井充填开采中亟待解决的难题。本项目在煤矸石胶结充填料浆的材料分析试验基础上，通过配比试验考虑粉煤灰掺量、水泥掺量、细矸率和料浆浓度的不同确定了充填料浆的力学、强度及变形性能，进而通过数值模拟、长距离(弯、直)管道输送试验测定了不同工况(料浆参数、管道参数、正常输送、停泵、不同加压方式)条件下的管道输送阻力损失参数、充填浆体流动形态及重启扰动机制。以塌落度和泌水性等可泵送指标为基础，研究泵送参数、料浆特性与输送系统对充填料浆流动稳定性的影响规律，获得泵送参数、料浆特性与输送系统的最佳调控形式及常用充填设备性能指标条件下充填料浆的最优配比方案，为现场的充填系统设计、运转提供数据支持和解决方案。

确保矸石胶结充填材料的充填质量及长距离管道安全高效运输是矿井充填开采中亟待解决难题。本项目在煤矸石胶结充填料浆的材料分析试验基础上，通过配比试验考虑粉煤灰掺量、水泥掺量、细矸率和料浆浓度的不同确定了充填料浆的力学、强度及变形性能，进而通过数值模拟、长距离(弯、直)管道输送试验测定了不同工况(料浆参数、管道参数、正常输送、不同加压方式)条件下的管道输送充填浆体流动形态。通过单轴压缩、常规三轴压缩和声发射监测试验研究了围压、胶结材料含量和骨料颗粒级配Talbot指数对胶结充填体扩容特征参量、声发射响应特征和抗压强度的影响规律。建立了含八个决策参量的胶结充填体抗压强度随围压、胶结材料含量和骨料颗粒级配Talbot指数变化的关系式，实现了围压、胶结材料含量和骨料颗粒级配Talbot指数对胶结充填体抗压强度耦合影响的四维空间可视化。利用PFC3D再现了单轴压缩和常规三轴压缩条件下胶结充填体的裂纹演化和颗粒破坏，分析了围压、胶结材料含量和骨料颗粒级配Talbot指数对裂纹总数、裂纹分布和颗粒破坏模式的影响规律。通过超声波探测试验研究了胶结充填体的超声波响应特征，分析了胶结材料含量和骨料颗粒级配Talbot指数对胶结充填体超声波脉冲速度的影响规律，建立了胶结充填体抗压强度与超声波脉冲速度的关系，提出了胶结充填体抗压强度的预测模型。建立了一种由非线性粘壶、粘塑性体和Burgers体串联的胶结充填体非线性粘弹塑性蠕变模型，分析了蠕变引起胶结充填体损伤的机理，提出了一种考虑损伤的非线性粘弹塑性蠕变模型。采用FLAC3D 模拟了煤层的充填开采过程，得到了满足最优充填效果的胶结充填材料的骨料颗粒级配 Talbot指数，并对该最优胶结充填体蠕变条件下的数值模型进行了模拟，研究了煤层上覆关键岩层和地表沉陷的时变演化规律。研究成果解决了煤矸石的污染和堆放问题、煤矿的开采损害问题以及“三下”压煤问题，且能改善地下水资源环境，降低开采成本，具有巨大的实用价值和社会效益。