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矿用新型泡沫材料及工作面端头充填技术研究

周鹏  
【摘要】:采用留小煤柱沿空掘巷技术后,沿空巷道侧的窄煤柱易受到采空区上覆岩层压力产生“压酥”破坏,易形成漏风通道导致矿井火灾。论文针对兖矿集团鲍店煤矿73下03工作面的防灭火要求,结合煤矿坑口电厂粉煤灰废弃物的资源化利用要求,提出了矿用新型泡沫粉煤灰材料端头充填防灭火的概念。简要分析了泡沫的成因、稳泡机理,综合单因素分析法和正交分析法,通过一系列的试验研究了泡沫粉煤灰材料各组分的最优配比。同时,通过理论分析和数值模拟,研究了采空区煤自燃发火环境,数值模拟了端头充填堵漏风效果,最后设计了相关的充填系统及工艺,开展初期的工业性试验。得出如下主要结论:(1)研究了泡沫的发泡、稳泡机理及泡沫粉煤灰浆液各组分之间的化学反应。得出可以通过增加泡沫表面粘度、提高泡沫的粒径均匀度来提高泡沫稳定性的方法,并以此指导制泡工艺的选择;通过材料各组分之间的化学反应关系,分析总结了激发粉煤灰材料活性的方法。(2)试验研究了泡沫粉煤灰各组分对固结体材料力学性能等的影响。综合单因素分析法和正交试验法,进行了一系列不同配比泡沫粉煤灰固结体试样的抗压强度试验,得出了抗压强度、试样干密度与固相比、泡沫掺量、水灰比等的关系,并总结了综合最优的材料配比方案;通过测量不同密度等级试样导热系数,分析了导热系数与材料的干密度、泡沫掺量的关系;通过对比试样的应力-应变曲线,分析了材料“抗压酥”(抗压裂变形)性能的特点。(3)研究了采空区自然发火的形成环境及因素,以及渗透率对采空区场流的影响。数值模拟了端头充填材料的渗透率对采空区流场分布的影响,透过端头充填泡沫粉煤灰材料可以有效降低采空区的漏风量。(4)设计了泡沫粉煤灰材料的“制备-输运-混合”系统及端头袋式充填工艺。为了解决地面制浆站制浆水灰比大的问题,设计了相应的浆液浓缩搅拌系统;试验室模拟实现了井下风管0.5MPa风压发泡,研制了适用井下环境的风管发泡机;设计了端头袋式充填工艺,提出“柔性网富余侧向变形+对拉限制轴向变形”控制方法辅助初期的工业性试验的实施。


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