一種高溫深井下充填體的相變降溫研究方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種材料學(xué)、散體介質(zhì)力學(xué)、細(xì)觀力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、流變學(xué)、顆粒流數(shù)值模擬等理論與方法，具體是一種高溫深井下充填體的相變降溫研宄方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著淺部資源逐漸減少和枯竭，開采深度越來越大，目前我國面臨深部開采的礦山占全國礦山總數(shù)的90% ;深部開采面臨高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓等諸多問題，導(dǎo)致開采難度加大、作業(yè)環(huán)境惡化、通風(fēng)降溫和生產(chǎn)成本急劇增加，為深部資源開采提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，充填技術(shù)的應(yīng)用在深部資源開發(fā)中必不可少，充填采礦法可以將地表堆積廢料回填到井下，處理空區(qū)，從而大大提高回采作業(yè)安全程度，提高深部資源回收率30%,且解決地表堆積廢料造成的環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)綠色開采；而解決礦井高溫問題也己迫在眉睫，充填對采區(qū)降溫方面有一定的幫助，充填可使采場原巖暴露面積大大減小，從而降低了原巖的散熱面積，因此可以降低原巖的熱量散發(fā)；同時(shí)充填體能有效的阻止風(fēng)流滲漏，在一定程度上避免廢風(fēng)串聯(lián)，從而提高風(fēng)流的利用率，有效的降低坑內(nèi)溫度；深井充填技術(shù)面臨諸多難題，膏體充填是未來一大主要方向，傳統(tǒng)的水力充填工藝，料漿濃度很難提高到70%以上，且通常需要對尾砂進(jìn)行分級(jí)脫泥，其結(jié)果是充填尾砂的利用率低，充入采場后的充填體需脫水，脫水時(shí)會(huì)帶走充填料中的水泥，造成水泥流失，削弱充填體的強(qiáng)度，且造成井下嚴(yán)重污染，提高充填料漿的濃度是解決這類問題的關(guān)鍵，但由于受管道自流輸送的限制，要想進(jìn)一步提高料漿濃度，必須借助適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，實(shí)現(xiàn)膏體充填，膏體充填料漿具有不離析、不沉淀，且采場脫水量少、甚至不脫水，充填體強(qiáng)度增長迅速，充填質(zhì)量好、效率高、成本低，改善井下作業(yè)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，是未來充填采礦技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)的礦井制冷降溫技術(shù)原理如圖1所示，系統(tǒng)由制冷、輸冷、傳冷和排熱四個(gè)環(huán)節(jié)組成。由制冷站I制出冷源(冰片或冷水等)，經(jīng)專用的冷港凍水管3輸送到采掘工作面的空冷器5，同工作面的濕熱空氣進(jìn)行熱交換，從而降低工作面的環(huán)境溫度、濕度，熱交換后的冷卻水將冷凝熱帶出工作面(如地面等)；該制冷降溫系統(tǒng)存在諸多缺點(diǎn):系統(tǒng)復(fù)雜，裝機(jī)總功率大，能耗高；供冷管道長，系統(tǒng)冷量損耗較大，流化冰生產(chǎn)過程需加鹽，對輸冷管路、設(shè)備存在腐蝕作用；需在井筒中安裝大直徑的輸冷管道及對管道進(jìn)行保溫處理；地面制冷車間占地面積大等。
[0004]未來深井開采必將面臨的兩大問題，即空區(qū)充填和礦井降溫，當(dāng)前，膏體充填技術(shù)尚不完善，在料漿輸送上存在諸多問題，很難形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)流；礦井降溫系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)行成本高，制冷效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種高溫深井下充填體的相變降溫研宄方法，以解決上述【背景技術(shù)】中提出的問題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0007]一種高溫深井下充填體的相變降溫研宄方法，包括以下四個(gè)階段:
[0008](I)第一階段
[0009]通過試驗(yàn)研宄和數(shù)值分析相結(jié)合的方法完成管道輸送料漿最佳粒徑級(jí)配研宄，根據(jù)固液混合體在管道中運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特點(diǎn)，采用粒徑從毫米級(jí)到微米級(jí)的尾砂或棒磨砂進(jìn)行粒徑配比試驗(yàn)，通過加入不同粒徑級(jí)配的尾砂或棒磨砂配置膏體/似膏體充填料漿，進(jìn)行坍落度試驗(yàn)、沉降試驗(yàn)、自流試驗(yàn)、環(huán)管實(shí)驗(yàn)等常規(guī)充填試驗(yàn)，結(jié)合PFC顆粒流模擬計(jì)算，得到最近似結(jié)構(gòu)流的料漿的粒徑級(jí)配，進(jìn)而得到充填料漿深井管道輸送最佳粒徑級(jí)配；
[0010]⑵第二階段
[0011]通過冰漿等溫流動(dòng)試驗(yàn)計(jì)算流體力學(xué)、顆粒動(dòng)力學(xué)、兩相流理論等進(jìn)行理論分析、模型構(gòu)建與計(jì)算，建立適用于工程設(shè)計(jì)階段的含冰充填料漿非均質(zhì)性等溫流動(dòng)阻力模型；
[0012]⑶第三階段
[0013]從熱力學(xué)、傳熱學(xué)角度出發(fā)，研宄固流轉(zhuǎn)化過程中外部環(huán)境對該過程的影響，計(jì)算空間溫度場的分布情況、液相中存在自然對流或強(qiáng)制對流的影響、相變界面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)，得到一定載冷量的冰制充填料漿對原巖溫度的影響，分析其能力耗散規(guī)律及對原巖的降溫能力，進(jìn)行載冷能力計(jì)算及降溫效率試驗(yàn)研宄等；
[0014](4)第四階段
[0015]研宄含冰充填料漿輸送至空區(qū)后伴隨著冰顆粒的吸熱液化、水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，研宄含冰充填體的非線性力學(xué)行為，利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行相變砂漿多場耦合的建模與計(jì)算，進(jìn)行相似模型試驗(yàn)，進(jìn)而研宄其相變過程的時(shí)空演化規(guī)律與非線性模型。
[0016]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:所述粒徑配比實(shí)驗(yàn)選取山東黃金集團(tuán)鑫匯礦業(yè)在研項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)尾砂及相應(yīng)圍巖廢石，利用棒磨砂機(jī)以100 μm為增量制備粒徑100 μ???5mm的圍巖試樣，利用均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行配比試驗(yàn)，并測定相應(yīng)的坍落度、沉降實(shí)驗(yàn)參數(shù)等，運(yùn)用Fluent、PFC進(jìn)行顆粒流體模擬，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出形似結(jié)構(gòu)流的粒徑級(jí)配。
[0017]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:所述冰漿冰漿等流動(dòng)實(shí)驗(yàn)測試裝置主要由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，即冰漿儲(chǔ)系統(tǒng)、冰漿送系統(tǒng)和參數(shù)監(jiān)測釆集系統(tǒng)，其中，冰漿存儲(chǔ)系統(tǒng)是由容積為0.5立方米的保溫罐體和攪拌裝置組成，可為輸送系統(tǒng)提供均質(zhì)冰漿，冰漿輸送系統(tǒng)是由漿體泵、輸送管線及流量調(diào)節(jié)裝置組成，以實(shí)現(xiàn)輸送系統(tǒng)變工況運(yùn)行；參數(shù)監(jiān)測采集系統(tǒng)是由監(jiān)測設(shè)備及KEITHLEY2700數(shù)據(jù)釆集儀組成，監(jiān)測設(shè)備包括PT100鉑電阻溫度傳感器、RCCT36質(zhì)量流量計(jì)和EJA110A差壓變送器；利用錘式粉碎機(jī)粉碎市面上采購的冰塊，由篩網(wǎng)控制冰粒子大小，制備粒狀冰，并加一定量的水與尾砂、水泥攪拌得到含冰充填料漿，輸送管線內(nèi)冰漿流體的溫度采用PT100鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行測量，PT100鉑電阻溫度傳感器在使用前通過恒溫水槽及標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定；輸送管線內(nèi)冰漿流體的密度及質(zhì)量流量采用RCCT36質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測量，測量結(jié)果由KEITHLEY2700數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)記錄；管道內(nèi)冰漿流體的流動(dòng)阻力，采用EJA110A差壓變送器進(jìn)行測量。
[0018]作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案:所述輸送管線的管長?100m。
[0019]作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案:所述載冷能力計(jì)算及降溫效率實(shí)驗(yàn)研宄包括:結(jié)合冰漿流體管道輸送的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，對制備好的充填料漿考慮冰粒子的相變特征進(jìn)行載冷量的計(jì)算；降溫效率的實(shí)驗(yàn)采取現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的方式，測定一個(gè)空區(qū)的原巖溫度，將一定量的含冰充填料漿輸入采空區(qū)，并由溫度傳感器設(shè)備對原巖溫度進(jìn)行監(jiān)測，計(jì)算含冰充填料漿的載冷量與原巖溫度降低所需的冷負(fù)荷的轉(zhuǎn)換率。
[0020]作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案:所述相似模型實(shí)驗(yàn)包括以下內(nèi)容:將含冰充填料漿灌注在相似模型試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，并同時(shí)制備50cm*50cm的充填體試塊；分別測試充填體初凝、終凝的強(qiáng)度，對相似模型實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，并由應(yīng)力傳感器取得其應(yīng)力應(yīng)變曲線；利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行相變砂漿多場耦合的建模與計(jì)算，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果研宄分析充填體相變過程的時(shí)空演化規(guī)律；對相變終期的充填體進(jìn)行取樣，利用巖石核磁共振成像分析系統(tǒng)，獲取充填體的孔隙分布、流體分布、弛豫時(shí)間、核磁共振譜面積等，進(jìn)而分析充填體在相變過程中水分的迀移、膠結(jié)體的形成；基于對相變終期充填體中缺陷如微裂紋、微孔洞、孔隙、裂隙等的認(rèn)識(shí)，在軟件中構(gòu)建充填體的多尺度模型，研宄不同孔隙類型的尺度效應(yīng)。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值分析等手段，研宄含冰充填料漿非均質(zhì)性管道流動(dòng)的場特征、流變特性及流阻模型，構(gòu)建含冰充填體相變過程力學(xué)行為的非線性模型，以解決含冰充填料漿的管道輸送及相變過程的非線性力學(xué)行為等問題；通過對試驗(yàn)過程中取得的所有數(shù)據(jù)及構(gòu)建的模型進(jìn)行系統(tǒng)分析，采用理論-試驗(yàn)-再理論-再試驗(yàn)的方式不斷對問題進(jìn)行分析和試驗(yàn)研宄，用數(shù)值軟件模擬仿真，用試驗(yàn)驗(yàn)證，綜合分析，開展冰制充填體固液相變傳熱規(guī)律及降溫效率的研宄，對相變充填體進(jìn)行多重環(huán)境下的試驗(yàn)研宄和耦合模擬仿真，研宄空區(qū)充填與礦井降溫的協(xié)同技術(shù)，形成一套完整的高溫深井相變降溫充填體作用機(jī)理的理論體系，并進(jìn)行應(yīng)用方面的研宄，所得出的試驗(yàn)結(jié)果和形成的理論可直接應(yīng)用于深部開采，解決深井充填料漿輸送及礦井降溫等問題。
【附圖說明】
[0022]圖1為現(xiàn)有技術(shù)礦井制冷降溫技術(shù)的基本原理圖。
[0023]圖2為本發(fā)明中冰漿等溫流動(dòng)實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)原理圖。
[0024]其中，1-制冷站；2_冷凍水泵；3_冷港凍水管；4_局部通風(fēng)格；5_空冷器；6_風(fēng)筒；7-冷卻水泵；8-冷卻水管；9-冷卻塔；10-保溫罐體；11-攪拌裝置；12-漿體泵；13-輸送管線；14-流量調(diào)節(jié)裝置；15-PT100鉑電阻溫度傳感器；16_RCCT36質(zhì)量流量計(jì)；17-EJA110A差壓變送器。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0026]實(shí)施例1
[0027]一種高溫深井下充填體的相變降溫研宄方法，包括以下四個(gè)階段:
[0028](I)第一階段
[0029]通過試驗(yàn)研宄和數(shù)值分析相結(jié)合的方法完成管道輸送料漿最佳粒徑級(jí)配研宄，根據(jù)固液混合體在管道中運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特點(diǎn)，采用粒徑從毫米級(jí)到微米級(jí)的尾砂或棒磨砂進(jìn)行粒徑配比試驗(yàn)，通過加入不同粒徑級(jí)配的尾砂或棒磨砂配置膏體/似膏體充填料漿，進(jìn)行坍落度試驗(yàn)、沉降試驗(yàn)、自流試驗(yàn)、環(huán)管實(shí)驗(yàn)等常規(guī)充填試驗(yàn)，結(jié)合PFC顆粒流模擬計(jì)算，得到最近似結(jié)構(gòu)流的料漿的粒徑級(jí)配，進(jìn)而得到充填料漿深井管道輸送最佳粒徑級(jí)配；
[0030](2)第二階段
[0031]通過冰漿等溫流動(dòng)試驗(yàn)計(jì)算流體力學(xué)、顆粒動(dòng)力學(xué)、兩相流理論等進(jìn)行理論分析、模型構(gòu)建與計(jì)算，建立適用于工程