鉆采法氣力輸送充填關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、為了減少或取消鉆采工作面煤柱預(yù)留、控制采空區(qū)頂板沉陷以及避免垮塌事件的發(fā)生，促進(jìn)鉆式采煤機(jī)及鉆采工藝在薄與極薄煤層中的推廣使用，依托于國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“薄煤層開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)與裝備----極薄煤層鉆式采煤機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與裝備”項(xiàng)目，研制一種占用空間小、生產(chǎn)效率高、設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單的鉆采法充填系統(tǒng)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)充填設(shè)備由于體積過(guò)大、部件沉重而無(wú)法應(yīng)用于鉆采采空區(qū)的缺點(diǎn)。鉆采法充填系統(tǒng)采用氣力輸送技術(shù)將矸石顆粒輸送充填至鉆采采空區(qū)，顆

2、粒間及顆粒與流場(chǎng)間的互作用行為直接影響氣力輸送充填系統(tǒng)的可靠性、輸送效率及充填經(jīng)濟(jì)性。為此，本文以矸石顆粒和氣力輸送流場(chǎng)為研究對(duì)象，采用理論分析、仿真模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)矸石顆粒氣力輸送性能和輸送流場(chǎng)靜壓變化特性進(jìn)行研究，為鉆采法氣力輸送充填工藝和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴根據(jù)鉆采法開(kāi)采煤層工作面地質(zhì)條件和五鉆頭鉆式采煤機(jī)開(kāi)采技術(shù)，以鉆采采空區(qū)頂板條件和矸石充填機(jī)理為基礎(chǔ)，提出了包括井上矸石輸送井下工藝

3、、順槽掘進(jìn)煤矸分選工藝以及鉆采矸石充填工藝在內(nèi)的鉆采法氣力輸送充填工藝，構(gòu)建了鉆采法氣力輸送充填系統(tǒng)，進(jìn)行了氣力輸送系統(tǒng)和氣力充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確定了供料裝置、增壓器、充填噴頭以及充填鉆頭的結(jié)構(gòu)形式，為鉆采法氣力輸送充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。⑵基于Hertz接觸理論與Mindlin-Deresiewicz接觸理論，建立了矸石顆粒之間、矸石顆粒與管壁之間無(wú)黏連的軟球接觸理論模型，并根據(jù)實(shí)際測(cè)得的矸石顆粒三軸徑參數(shù)，獲得了不同粒度下矸石顆粒的形

4、狀特性指標(biāo)，建立了基于長(zhǎng)短度、扁平度、Zingg指數(shù)以及顆粒體積充滿度等指標(biāo)的矸石顆粒形狀特性數(shù)學(xué)模型。以堆積密度、孔隙率、休止角及其與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的誤差為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以顆粒與顆粒、顆粒與管壁間互作用系數(shù)為正交試驗(yàn)因素，獲得了三種較為準(zhǔn)確的矸石顆粒離散元模型及對(duì)應(yīng)的互作用系數(shù)，并進(jìn)行了矸石顆粒碰撞實(shí)驗(yàn)和仿真研究，驗(yàn)證了矸石顆粒接觸模型及互作用系數(shù)的可行性，為顆粒之間及顆粒與管壁間的互作用耦合仿真提供了較真實(shí)可靠的顆粒模型與基礎(chǔ)參數(shù)，并為匹配不

5、規(guī)則顆粒的形狀特性和物理性質(zhì)提供了參考方法。⑶采用歐拉法描述流體微元運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，獲得了流場(chǎng)中氣相連續(xù)性方程、動(dòng)量方程以及湍流傳輸方程。根據(jù)顆粒在流場(chǎng)中受到的流體阻力、Saffman升力、Magnus升力等作用力的影響，采用歐拉耦合模型，建立了顆粒相與氣相間互相耦合理論模型及仿真方法。在考慮管壁直徑、顆粒形狀以及雷諾數(shù)與流體阻力系數(shù)間關(guān)系的基礎(chǔ)上，獲得了帶有流場(chǎng)區(qū)域修正及顆粒形狀修正的粒徑法矸石顆粒懸浮速度理論表達(dá)式，進(jìn)行了垂直管道內(nèi)矸石顆

6、粒懸浮實(shí)驗(yàn)與仿真研究，結(jié)果表明：矸石顆粒懸浮速度的仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果均符合管壁直徑對(duì)輸送顆粒的影響規(guī)律；不同顆粒粒徑下的矸石顆粒懸浮仿真結(jié)果值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果值相近，而且都略大于理論計(jì)算值，驗(yàn)證了基于歐拉模型的CFD與 DEM耦合方法實(shí)現(xiàn)顆粒相與氣相間互相耦合的可行性，并為矸石顆粒氣力輸送系統(tǒng)中選擇合適的流場(chǎng)速度提供了理論及實(shí)驗(yàn)依據(jù)。⑷依據(jù)鉆采法氣力輸送系統(tǒng)實(shí)際工況條件，初步設(shè)定了氣力輸送系統(tǒng)的基礎(chǔ)參數(shù)，并以顆粒噴出平均動(dòng)能、流體質(zhì)量流率

7、比和噴射器能耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行了純流場(chǎng)條件和顆粒與流場(chǎng)耦合條件下矸石顆粒與流場(chǎng)耦合仿真研究，獲得了噴射器較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及該結(jié)構(gòu)參數(shù)下不同顆粒入料質(zhì)量流率所對(duì)應(yīng)的噴嘴入口總壓推薦值，為鉆采法氣力輸送系統(tǒng)的噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供了參考。在此基礎(chǔ)上，為揭示矸石顆粒在不同輸送管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)水平直管、彎管和旋流管中矸石顆粒氣力輸送過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果表明：水平直管輸送中的矸石顆粒主要分布在管道底部并關(guān)于縱向截面對(duì)稱，輸送流場(chǎng)速度越大，越有

8、利于矸石顆粒的水平直管輸送；彎管輸送中矸石顆粒形成螺旋運(yùn)動(dòng)的顆粒束，彎管的最大磨損率隨著彎曲半徑的增加而減??；旋流管內(nèi)顆粒速度高于相同氣流流量下的水平直管內(nèi)顆粒速度，且旋流輔管與旋流主管間夾角越小，顆粒速度越大。⑸依據(jù)鉆采法井下實(shí)際工況條件，以氣力輸送流場(chǎng)中矸石顆粒輸送特性以及流場(chǎng)靜壓變化特性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行了噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)純流場(chǎng)噴射性能和矸石顆粒噴射性能影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了與仿真結(jié)果相同的噴射器較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，驗(yàn)證了噴射器仿真結(jié)

9、果具有較高的準(zhǔn)確性與參考價(jià)值。采用較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴射器作為氣力輸送系統(tǒng)中矸石顆粒的動(dòng)力源，進(jìn)行了矸石顆粒短距離水平輸送、彎管輸送以及旋流輸送實(shí)驗(yàn)，獲得了水平流場(chǎng)、彎管流場(chǎng)和旋流流場(chǎng)中矸石顆粒輸送性能和流場(chǎng)靜壓變化規(guī)律，初步證明了矸石顆粒氣力輸送系統(tǒng)的可行性，驗(yàn)證了水平直管、彎管和旋流管耦合仿真結(jié)果的正確性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了矸石顆粒長(zhǎng)距離氣力輸送充填實(shí)驗(yàn)，獲得了氣力輸送過(guò)程中矸石顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與管內(nèi)流場(chǎng)靜壓變化關(guān)系、顆粒破碎率與顆粒粒徑之