基于深井开采的充填材料与管输系统的研究

论文摘要

本文在全面分析深井充填特点的基础上，结合近年来在康家湾矿、铜陵新桥硫铁矿、开阳磷矿等矿山的科研实践，运用岩体力学、工程流体力学等相关理论对深井充填材料和管输系统所涉及到的主要理论和工程技术问题进行了系统、全面、深入的理论与应用技术研究，所得出的主要结论和应用技术成果可直接供深井矿山充填系统设计参考应用，研究成果对推动我国深井充填理论与技术创新具有积极的现实意义，对创建我国深井充填理论与技术体系也具有较高的学术价值。完成的主要研究工作及结论包括： (1)深井条件下充填体能有效降低围岩能量耗散率和平均矿柱应力，通过建立能量控制采场围岩失稳风险预测的理论模型，计算采场围岩能量，从而实现对采场围岩失稳风险预测，该方法不仅是深井开采安全程度评价的有效手段，也为合理设计和选择深井采场结构参数、充填工艺及材料提供了重要的理论依据； (2)针对多个矿山所使用的充填材料，进行了大量的物理力学性质、优化组合配比及外加剂试验。建立了充填料浆在采场中流动的坡面形状函数，较好地铨释了充填体的破坏形式；应用梁理论推导出的胶结充填体质量评价公式可以定量确定充填体的安全厚度和采场充填工艺参数，为评价和控制充填体质量提供了重要的理论依据；根据充填接顶率与充填体承载效果的数值分析所得出的充填接顶率超过50％，人工胶结矿柱就具备良好的承载效果的结论具有重要的工程意义，将使接顶充填工艺大大简化； (3)对深井矿山可供选择的几种充填系统的适应性进行了深入分析，并通过临界流态浓度的界定与料浆流态的转化措施的研究，充分论证了膏体自流充填系统将是我国深井矿山应优先选择应用与发展的深井充填系统； (4)在深井矿山两相流输送技术的研究中，综合分析了固体颗粒的静水沉浆特性、料浆特性、管道特性等对水力坡度的主要影响。全面分析了自由降落料浆对深井垂直管路的冲击作用机理，建立了料浆在垂直管路中运动的理论模型，并运用数值模拟的方法对满管流输送系统进行了分析研究，铨释了满管流系统的工作原理及实现的主要技术途径； (5)建立了料浆流速与管道磨损的理论模型，推导出满管流系统垂直管最大安全高度的计算公式，给出了管道磨损的理论计算式，运用该式可对管道磨损进行预测； (6)非机械快速浓缩全尾砂胶结充填技术的研究，突破了以往机械浓缩的旧模式，是成本低、效率高的全尾砂胶结充填的全新工艺，运用DLVO理论分析的高分子絮凝剂对矿物絮凝作用过程和化学机理，对研究不同矿物组成的全尾砂

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 深井开采技术研究状况
• 1.2.2 深井充填研究进展
• 1.3 主要研究内容
• 第二章 深井矿山充填体作用机理
• 2.1 采场围岩及充填体稳定性的控制因素
• 2.2 充填体的作用机理
• 2.2.1 充填体的支护作用
• 2.2.2 充填体与系统的共同作用
• 2.2.3 充填体的充填作用
• 2.2.4 充填体的综合作用机理
• 2.3 胶结充填体的破坏机理
• 2.3.1 充填工艺及所形成的充填体的破坏形式
• 2.3.2 层状充填体顶板的冒落条件
• 2.3.3 充填体破坏过程
• 2.4 采场围岩能量控制整体突变失稳分析
• 2.4.1 能量控制整体失稳分析准则
• 2.4.2 能量控制采场围岩失稳风险预测
• 2.5 深井矿山区域支护的充填评价
• 2.5.1 评价方法
• 2.5.2 充填体承载效果评价
• 2.6 本章小节
• 第三章 深井充填材料及充填质量控制
• 3.1 常用充填材料及其在深井充填中的应用
• 3.1.1 水泥
• 3.1.2 粉煤灰
• 3.1.3 分级尾砂和全尾砂
• 3.1.4 冶炼炉渣
• 3.1.5 棒磨砂、风砂及冲击砂
• 3.1.6 废石
• 3.1.7 煤矸石
• 3.1.8 磷石膏
• 3.2 充填质量控制
• 3.2.1 料浆的配合比
• 3.2.2 采场充填工艺
• 3.2.3 充填接顶
• 3.2.4 层状充填体顶板的质量控制标准
• 3.3 本章小结
• 第四章 深井充填系统适应性分析
• 4.1 细砂管道自流输送充填系统
• 4.1.1 物料准备
• 4.1.2 物料存储设施
• 4.1.3 充填料浆制备系统
• 4.1.4 深井矿山中应用自流充填系统需要解决的问题
• 4.2 膏体泵送充填系统
• 4.2.1 物料准备
• 4.2.2 膏体充填料的可泵性
• 4.2.3 膏体充填料浆管道阻力
• 4.2.4 膏体泵压管路输送评价
• 4.3 膏体自流充填系统
• 4.3.1 临界流态浓度的界定
• 4.3.2 料浆流态的转化措施
• 4.3.3 地表储料仓
• 4.3.4 膏体自流充填料浆的输送
• 4.3.5 膏体自流充填系统的运行
• 4.4 块石胶结充填系统
• 4.4.1 国内的块石胶结充填实例
• 4.4.2 充填材料的制备及配合比选择
• 4.5 深井矿山充填系统的选择
• 4.6 本章小节
• 第五章 非机械快速浓缩全尾砂胶结充填技术研究
• 5.1 研究的必要性
• 5.2 全尾砂絮凝沉降浓缩试验
• 5.2.1 概要
• 5.2.2 研究方法与药剂
• 5.2.3 室内试验结果和讨论
• 5.2.4 现场验证试验
• 5.3 絮凝理论与药剂作用机理
• 5.3.1 DLVO理论
• 5.3.2 第二凝聚理论
• 5.3.3 药剂作用机理
• 5.4 全尾砂配比试验
• 5.4.1 试验内容
• 5.4.2 研究方法
• 5.5 工业试验及应用
• 5.5.1 充填系统
• 5.5.2 工业试验
• 5.5.3 生产应用评价
• 5.6 本章小结
• 第六章 深井两相流输送技术研究
• 6.1 影响水力输送的充填材料物理性质
• 6.2 充填料浆的悬浮条件
• 6.2.1 球形固体颗粒的静水沉降速度
• 6.2.2 固体颗粒沉降阻力系数Ψ
• 6.2.3 非球形颗粒的干涉沉降
• 6.2.4 充填骨料的悬浮条件
• 6.3 充填料浆特性
• 6.3.1 料浆配合比
• 6.3.2 料浆密度
• 6.3.3 料浆粘度
• 6.3.4 料浆体积浓度
• 6.4 水力坡度
• 6.4.1 水力坡度影响因素
• 6.4.2 充填料浆水力坡度的计算
• 6.5 临界流速及有关管道参数的计算
• 6.6 水力输送计算实例
• 6.7 管道两相流输送参数数值模拟
• 6.7.1 FLOTRAN CFD简介
• 6.7.2 两相流自流输送FLOTRAN CFD分析
• 6.8 本章小结
• 第七章 深井满管流输送技术研究
• 7.1 自由下落输送系统与冲击磨损
• 7.2 满管流工作原理
• 7.2.1 变径管输送的满管流原理
• 7.2.2 分级尾砂料浆在不同直径管道中的压头损失
• 7.3 变径管满管流输送方案
• 7.4 变径管满管流输送系统的垂直管道高度确定
• 7.4.1 变径管满管输送的水力坡度
• 7.4.2 变径管满管流输送系统的垂直管道高度H2的确定
• 7.5 本章小结
• 第八章 深井管道输送系统减压及管道磨损
• 8.1 输送系统减压技术
• 8.2 管道磨损机理
• 8.2.1 管道磨损的主要影响因素
• 8.2.2 威华塔斯兰得金矿管道磨损的室内试验
• 8.2.3 管道磨损综合试验装置的设计原理
• 8.2.4 管道磨损与料浆输送速度
• 8.2.5 管道磨损的计算公式
• 8.3 耐磨管道及选择
• 8.4 降低管道磨损技术
• 8.5 本章小结
• 第九章 结论与展望
• 9.1 全文主要结论
• 9.2 主要创新点
• 9.3 进一步工作展望
• 参考文献
• 本人在攻读该学位期间主要业绩
• 致谢