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，促進鉆式采煤機及鉆采工藝在薄與極薄煤層中的推廣使用，依托于國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“薄煤層開采關(guān)鍵技術(shù)與裝備----極薄煤層鉆式采煤機關(guān)鍵技術(shù)與裝備”項目，研制一種占用空間小、生產(chǎn)效率高、設(shè)備構(gòu)造簡單的鉆采法充填系統(tǒng)，以彌補傳統(tǒng)充填設(shè)備由于體積過大、部件沉重而無法應(yīng)用于鉆采采空區(qū)的缺點。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)濟性。為此，本文以矸石顆粒和氣力輸送流場為研究對象，采用理論分析、仿真模擬和實驗相結(jié)合的方法，對矸石顆粒氣力輸送性能和輸送流場靜壓變化特性進行研究，為鉆采法氣力輸送充填工藝和系統(tǒng)的設(shè)計提供指導(dǎo)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴根據(jù)鉆采法開采煤層工作面地質(zhì)條件和五鉆頭鉆式采煤機開采技術(shù)，以鉆采采空區(qū)頂板條件和矸石充填機理為基礎(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)，進行了氣力輸送系統(tǒng)和氣力充填系統(tǒng)設(shè)計，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黏連的軟球接觸理論模型，并根據(jù)實際測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、休止角及其與實際實驗的誤差為評價指標(biāo)，以顆粒與顆粒、顆粒與管壁間互作用系數(shù)為正交試驗因素，獲得了三種較為準(zhǔn)確的矸石顆粒離散元模型及對應(yīng)的互作用系數(shù)，并進行了矸石顆粒碰撞實驗和仿真研究，驗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動狀態(tài)，獲得了流場中氣相連續(xù)性方程、動量方程以及湍流傳輸方程。根據(jù)顆粒在流場中受到的流體阻力、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，進行了垂直管道內(nèi)矸石顆

6、粒懸浮實驗與仿真研究，結(jié)果表明：矸石顆粒懸浮速度的仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果均符合管壁直徑對輸送顆粒的影響規(guī)律；不同顆粒粒徑下的矸石顆粒懸浮仿真結(jié)果值與實驗結(jié)果值相近，而且都略大于理論計算值，驗證了基于歐拉模型的CFD與 DEM耦合方法實現(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)中選擇合適的流場速度提供了理論及實驗依據(jù)。⑷依據(jù)鉆采法氣力輸送系統(tǒng)實際工況條件，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能、流體質(zhì)量流率

7、比和噴射器能耗為評價指標(biāo)，進行了純流場條件和顆粒與流場耦合條件下矸石顆粒與流場耦合仿真研究，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)的運動狀態(tài)，對水平直管、彎管和旋流管中矸石顆粒氣力輸送過程進行仿真模擬，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)于縱向截面對稱，輸送流場速度越大，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動的顆粒束，彎管的最大磨損率隨著彎曲半徑的增加而減小；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)鉆采法井下實際工況條件，以氣力輸送流場中矸石顆粒輸送特性以及流場靜壓變化特性為評價指標(biāo)，進行了噴射器結(jié)構(gòu)參數(shù)對純流場噴射性能和矸石顆粒噴射性能影響規(guī)律的實驗研究，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)，驗證了噴射器仿真結(jié)

9、果具有較高的準(zhǔn)確性與參考價值。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)中矸石顆粒的動力源，進行了矸石顆粒短距離水平輸送、彎管輸送以及旋流輸送實驗，獲得了水平流場、彎管流場和旋流流場中矸石顆粒輸送性能和流場靜壓變化規(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，進行了矸石顆粒長距離氣力輸送充填實驗，獲得了氣力輸送過程中矸石顆粒運動狀態(tài)與管內(nèi)流場靜壓變化關(guān)系、顆粒破碎率與顆粒粒徑之