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采空区充填料浆及其管道输送特性试验研究

董慧珍  
【摘要】:采空区充填是目前缓解煤矿开采导致地面沉陷以及煤矿废弃物再利用的重要方法,该技术不仅可治理产煤区域的主要地质灾害,而且可从源头治理煤矸石和粉煤灰堆积造成的环境污染,实现煤矿废弃物再利用,改变了先污染后治理的现状,促进了矿山从采煤到环境治理全过程控制技术的发展。 浆体的流变特性是指浆体在受到外部剪切力作用发生变形或流动时,其内部相应要产生对变形或流动的抵抗,并以内摩擦的形式表现出来。高浓度浆体的流变特性测试和研究,对深入了解高浓度料浆在管道中的运动状态及其变化特点,指导充填工程系统设计和工业生产,调节充填材料的配比,确定管道输送参数等都有十分重要的现实意义。本文主要针对矿山浆体的流变特性、可泵送特性以及管道输送特性进行研究。 首先对新阳矿区煤矸石的物理化学特性及矿物组成进行分析,结果表明该矿煤矸石物化性质较稳定,适用于充填材料中的粗骨料;其原状煤矸石颗粒中,15mm粒径的颗粒比重大,配比时可先用振动筛进行筛分,以降低加工成本。粉煤灰的化学成分及矿物组成表明,粉煤灰具有火山灰活性,可用于充填,但其钙含量较低、活性低,充填配料时可考虑加钙并适当的激发其活性。 其次,论文试验研究了充填材料的浓度、粉煤灰含量、细粒级煤矸石含量以及水泥含量对充填料浆流变特性的影响。采用ICAR流变仪,对不同配比的充填料浆进行了流变试验,结果表明,以粉煤灰、煤矸石、水泥为主要原材料配制成的浆体的流变特性符合宾汉塑性体模型,浆体浓度对料浆的屈服应力影响很大,浆体屈服应力随浓度的增大而增大,塑性粘度也随浆体浓度的增大而增大;不同浓度下的粉煤灰掺量对浆体的流变特性影响不一致;细粒级煤矸石和水泥对浆体流变特性的影响可归结于细骨料对浆体流变特性的影响。 试验通过坍落度、扩展度以及泌水率试验测试了不同浓度下粉煤灰含量、细粒级煤矸石含量以及水泥含量对浆体可泵送性能的影响。结果表明浆体坍落度在浆体浓度为79%和80%的情况下随粉煤灰掺量的增加呈上升趋势,而浆体浓度在81%的情况下随着粉煤灰掺量的增加而下降,可见浓度对浆体可泵送性以及粉煤灰的影响比较大;泌水率对粉煤灰掺入量也有一定限制,随着粉煤灰掺量的增大而增大;浆体扩展度与浆体坍落度反映相似的规律;细粒级煤矸石的颗粒特性,加大了浆体的润滑性,增加了浆体的流动性,而其颗粒的空隙保留了部分水,降低了水的泌出;水泥含量对浆体可泵送性的影响不显著。 最后针对浆体的管道输送特性进行了相似模拟,主要对料浆在管道内的压力损失进行试验研究。结果表明,充填料浆在管道泵送过程中,压力损失是随时间呈周期性变化的,且这种周期性变化跟泵送频率相关。频率越大,压力损失周期越短;充填料浆在管道泵送过程中的压力损失跟浆体浓度相关,呈正比关系。浓度越大,压力损失越大;管道输送过程中,压力损失与流速呈线性关系,压力损失随流速的增加而增加。


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