矸石膏体充填技术是实现煤矿绿色开采的关键途径,能够有效处理矸石堆积、控制地表沉陷并保护生态环境,符合国家可持续发展战略需求。本文围绕矸石膏体充填物料的粒径级配及管道输送特性展开研究,通过理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方法,探讨了矸石膏体的流变特性、管道输送过程中的流动行为以及压力损失等问题,旨在为矿山充填工程的优化设计提供理论依据和技术支持。 首先,基于泰波理论设计了不同粒径级配的矸石膏体充填物料,并通过正交试验分析了不同配比条件下膏体的流动性能和抗压强度。实验结果表明,随着细骨料比例的增加,膏体的坍落度逐渐降低,且粗骨料含量较多的膏体受质量分数的影响更为显著。此外,膏体的抗压强度与坍落度之间存在幂指函数关系,粗骨料与细骨料的比例为5:5时,膏体呈现出骨架密实结构,抗压强度显著提高。 其次,针对传统侵入式压力传感器在测量含粗骨料膏体管道压力时的局限性,本文设计了一种基于管段式结构的非侵入式压力传感器。通过有限元仿真和实验验证,证明了该传感器能够有效测量管道内部的压力变化,且具有较高的灵敏度和稳定性。通过实验验证表明,传感器的输出电压与管道内压具有高度相关性,灵敏度为20m V/MPa,拟合决定系数R2为0.9835,验证了传感器设计的合理性和可行性。 最后,基于欧拉两相流模型和稠密离散相模型(DDPM)的数值模拟研究表明,矸石膏体在管道内的流动特性受入口流速的影响较为显著。当入口流速≥0.5m/s时,膏体在输送管道内呈稳定层流状态,速度梯度随流速增加而增大,尤其在弯管区域形成显著的速度分层现象。压力分布呈现明显的层次性,压力损失与管道长度表现出线性相关的关系,弯管区域因二次流效应导致内外侧管壁压力损失分布不均。颗粒相流动轨迹分析表明,适当提高入口流速可有效抑制颗粒沉降,确保输送稳定性;当流速低于0.5m/s时,弯管区域易出现颗粒沉积和"堵管"趋势。