储能充填体相变前后传热性能及强度特征

目前,深井高温问题越来越突出,在充填体中加入相变材料来降低地温是解决深井高温问题的新思路。采用石蜡和CaCl_(2)·6H_(2)O制备新型复合相变材料,通过差示量热扫描仪、扫描电子显微镜、电液伺服岩石压力试验机和数值模拟等手段,研究含石蜡-CaCl_(2)·6H_(2)O充填体的相变前后的抗压强度与传热性能。研究结果表明:石蜡与CaCl_(2)·6H_(2)O复合后不发生化学反应,石蜡-CaCl_(2)·6H_(2)O不溶于水最佳复合质量比为3꞉2;石蜡-CaCl_(2)·6H_(2)O经济成本较低,在常用相变材料中经济排名靠前;加入石蜡-CaCl_(2)·6H_(2)O后充填体的抗压强度降低12.95%,石蜡-CaCl_(2)·6H_(2)O发生相变后,强度降低37.65%,但充填体的热量吸收能力提高79.60%;含石蜡-CaCl_(2)·6H_(2)O的充填体试样导热系数下降,在石蜡−CaCl_(2)·6H_(2)O相变阶段有温度响应滞后现象,温度等值线附近内部热流量方向在石蜡-CaCl_(2)·6H_(2)O未发生相变时指向石蜡-CaCl_(2)·6H_(2)O。新型石蜡-CaCl_(2)·6H_(2)O复合材料经济成本低,虽然加入充填体会降低充填体的抗压强度,但是能够大幅度提高充填体对热量的吸收。

某矿山地应力测试结果及建模反演分析

采用水压致裂法对某矿山进行地应力测试,基于现场实测数据,对地应力大小与埋深的关系进行分析,得到该矿山地应力的分布规律和变化特征。使用有限差分法软件FLAC对矿区地应力场进行反演模拟,模拟结果用来验证地应力现场实测结果的准确性。地应力实测结果表明:该矿区的地应力以水平构造应力为主,平均最大水平主应力方向为N 62.6°E;矿区最大、最小水平主应力以及垂直应力均随着深度的增加而增大;最大水平主应力与垂直应力的平均比值为2.42,最小水平主应力与垂直应力的平均比值为1.49。数值模拟结果表明:孔底监测点地应力反演值与实测值之间最大误差为最大水平主应力的-13.9%,误差大小在合理范围内,验证了现场实测数据的准确性与反演模拟的可靠性,为矿山后续工作提供数据基础。

花岗斑岩破坏过程声发射及应力特性研究

采用声发射手段对某铁矿区花岗斑岩围岩的三轴压缩过程进行监测,获得岩样破坏过程的声发射特性。通过绘制花岗斑岩应力圆拟合摩尔包线,求得试样黏聚力为18.68 MPa,内摩擦角为54.268°。分析不同围压下花岗斑岩三轴压缩的应力-应变曲线以及相应声发射能量、事件数、累积事件数变化特征曲线,发现裂隙初始应力和裂隙贯通应力分别对应声发射能量和事件数变化特征的第一个与第二个峰值,峰值应力则对应着声发射信号变化特征最高峰。绘制特征应力强度拟合线,发现裂隙初始应力受围压影响小,裂隙贯通应力受围压影响大。研究得到力学特性和声发射参数与岩石破裂之间的关系,可以为矿山开采和以花岗岩为围岩的工程等研究提供参考。

基于刚性块体模型的近−远场崩落矿岩流动特性

为进一步揭示远场条件下金属矿山崩落矿岩运移演化机理,综合利用物理试验、数值模拟和理论分析等手段,构建单口放矿模型开展近−远场崩落矿岩流动特性研究.首次基于离散元软件PFC3D和刚性块体模型构建放矿数值模型,并通过近场放矿物理试验与模拟结果的对比分析,证明了刚性块体模型在崩落矿岩流动特性研究中的可靠性与优越性.在此基础上,对远场条件下松动体形态变化规律、矿岩流动体系内的应力演化规律及其力学机理进行了量化研究.研究结果表明:1)近−远场条件下的松动体形态变化均符合倒置水滴理论.在放矿初始阶段,松动体最大宽度随高度增大呈幂函数形式快速增加;随后,松动体最大宽度随高度增大而近似线性增加.2)崩落矿岩流动过程中存在明显的应力拱效应.随着矿岩散体松动范围不断扩大,松动体外围一定范围内的垂直应力均呈明显下降趋势,水平应力逐渐增大并在松动区域到达前出现激增现象;而松动体内的水平应力与垂直应力则急剧下降至较低水平.

基于不均匀粒径分布的颗粒穿流特性

针对目前颗粒穿流研究中多基于均匀分布粒径矿岩颗粒的问题,采用物理试验和数值模拟相结合的方法,基于不均匀分布粒径颗粒,开展三维放矿模型试验和三维数值剪切试验,通过分析放矿前后相关粒径颗粒质量分数的变化和剪切过程中细颗粒的平均位移,研究不均匀粒径级配下颗粒的穿流特性。研究结果表明:在颗粒粒径分布不均匀的情况下,放矿高度对放出颗粒粒径组成无显著影响,且顶部标志小颗粒也未先于顶部标志颗粒放出,说明在垂直方向上颗粒的穿流效果不显著;放矿前颗粒的粒径分布对放出颗粒的粒径组成有显著影响,随着放矿前散体颗粒平均粒径增大,小颗粒的穿流量也快速增大,同时可穿流颗粒粒径也不断增大;随着不均匀散体平均粒径增大,细颗粒的穿流率也明显增大,说明散体颗粒的不均匀性对细颗粒穿流率的影响显著。

相变储能充填体孔隙结构及强度劣化机制研究

为探究相变储能充填体孔隙结构特征及其对充填体强度劣化的影响,以硬脂酸丁酯为相变材料,膨胀珍珠岩为吸附介质制备复合相变材料,将其与水泥、尾砂混合制备不同复合相变材料添加量的相变储能充填体,并采用CT(电子计算机断层)扫描、MRI(核磁共振成像)分析、单轴压缩试验等方法得到不同添加量相变储能充填体的强度特征和结构特征,分析其影响机制。研究结果表明:(1)相变储能充填体孔隙率随添加量增大逐渐增大,其中大孔孔隙率近似线性增加,大孔占比逐渐增加,孔隙趋近球体。(2)随着相变材料添加量增加,充填体连通性增大,孔喉长度增加,大孔径孔隙数量增多,孔喉配位数集中在5以下,分形维数先下降再大幅上升,孔隙分布复杂。(3)当复合相变材料的添加量为5%时,受大孔隙及孔隙连通性增大的影响,充填体单轴抗压强度下降了30.2%;当复合相变材料的添加量为10%时,孔径分布趋于均匀,充填体单轴抗压强度下降了48.9%。

相变储能充填体强度与热学性能

以硬脂酸丁酯为相变材料、膨胀珍珠岩为吸附介质制备复合相变材料,将其按一定质量分数替代尾砂后与水泥、尾砂混合制成相变储能充填体。为探究相变储能充填体强度和热学性能表现,分别制备不同灰砂比、质量分数和复合相变材料质量分数添加量的相变储能充填体,并采用DSC、SEM、单轴压缩试验、巴西劈裂试验和导热系数试验等测试方法得到不同配比相变储能充填体的强度特征、导热系数及微观特征。结果表明:相变储能充填体内存在3种孔隙结构,分别为微小气泡、胶结物质与复合相变材料黏结裂隙以及膨胀珍珠岩内部多孔结构。灰砂比1∶6制备的充填体强度约为1∶4充填体强度值的1/2;相同配比时质量分数由68%增加到72%,其强度近似线性增加;充填体强度随复合相变材料添加量的增大逐渐下降,但下降趋势随添加量继续增大而有所减缓。复合相变材料与硬脂酸丁酯相比相变温度下降1.1℃,相变焓值减少45.24 J/g,比热容不变,添加复合相变材料后相变储能充填体导热系数最大下降幅度为6.5%。

含复合相变材料的充填体力学特性

为探究复合相变材料对充填体力学行为的影响,采用硬脂酸丁酯和膨胀珍珠岩制备了含复合相变材料充填体。首先,对充填体进行差示扫描量热法(DSC)测试和热学试验,分析其热学性能表现;其次,进行了压缩试验以实现数值模拟参数匹配;最后,利用PFC3D软件研究复合相变材料添加量、粒径及强度这3种因素对充填体强度影响。研究结果表明:充填体强度随复合相变材料添加量增加而近似线性下降,应变随复合相变材料添加量增加无明显改变;在一定范围内复合相变材料粒径和强度对充填体试件强度及变形特征影响均较小,应用中可不考虑其影响;当复合相变材料添加量在10%以内时,充填体强度降低幅度最大为14%,充填体储热性能有明显改善,故可少量用于矿山充填改善深井高温环境。添加量是充填体强度降低的主要影响因素。

山西某煤矿综放工作面隔水煤柱合理尺寸的确定

为研究上侧相邻采空区富水条件下区段煤柱留设宽度,以山西某煤矿二采区2206与2207工作面为工程背景,采用现场及室内试验、理论分析和数值模拟对留设煤柱尺寸进行研究。利用钻孔窥视和岩石力学试验获得煤岩裂隙发育与强度特征,并基于弹塑性理论和两区约束理论推导了煤柱塑性宽度计算公式,在此基础上,运用数值模拟研究煤柱支承压力分布规律和在上、下区段工作面回采期间的不同宽度煤柱应力及塑性变形。研究表明:(1)煤柱内部完整性较好,煤岩自稳性较强,煤柱最小留设宽度理论计算值为15.8 m;(2)上区段2207工作面回采期间煤柱内垂直应力峰值和集中系数随宽度的增大呈逐渐减小趋势,宽度小于25 m的煤柱内将出现连通性变形破坏;(3)下区段2206工作面回采后,宽度25 m及以上的煤柱内垂直应力分布呈“双峰一谷”型,出现弹性核区域且塑性破坏区未贯通。基于试验和数值模拟结果,综合考虑矿井安全稳定性和高效开采等因素,确定隔水煤柱合理宽度为25 m。

山东某铁矿矿柱回采及稳定性研究

为了避免高品位矿石浪费,对山东某铁矿的保安矿柱进行了回采方案研究,应用简支梁模型计算矿房顶板应力、应变规律,同时利用概率积分法建立地表下沉盆地剖面方程,对地表下沉位移进行计算求解;在理论分析的基础上,利用FLAC3D数值模拟软件对预留矿柱内矿房回采充填前后的采场稳定性进行评价,同时对矿柱回采造成的地表位移与含水层位移进行分析。研究表明:(1)理论计算得到矿柱回采完成后顶板最大竖直位移为11.8 mm,地表沉降最大值为16.7 mm,地表最大倾斜为i=0.03 mm/m远小于Ⅱ级建筑允许值i=3 mm/m;(2)数值模拟结果显示,回采全部矿房后,矿房顶板下沉最大值为37.49 mm,地表位移最大值为10.6 mm,含水区最大位移为14.03 mm,护顶矿柱最大位移为17.72 mm;(3)数值模拟矿房全部回采后采场整体应力较低且均匀分布,无应力集中,且无塑性区分布,采场稳定性良好;(4)理论计算与数值模拟结果表明,矿柱内矿房全部回采对矿房、地表、含水层和护顶柱均无显著影响,嗣后胶结充填保证了矿柱回采的安全性。