城郊矿2.4Mt-a新井设计- 矿用充填材料与充填技术发展

第2页摘要本设计包括三个部分：一般部分、专题部分和翻译部分。一般部分为城郊煤矿2.4Mt/a新井设计，共分10章：1.矿区概述及井田地质特征；2.井田境界和储量；3.矿井工作制度、设计生产能力及服务年限；4.井田开拓；5.准备方式—带区巷道布置；6.采煤方法；7.井下运输；8.矿井提升；9.矿井通风与安全技术；10.矿井基本技术经济指标。城郊井田位于河南省永城市境内，覆盖城关乡、城厢乡的全部及侯岭、双桥、十八里、将口乡的一部分。井田平均走向长度8.1km，平均倾向长度5.57km，井田面积约45.12km2。煤层倾角平均为6°，倾角变化较小，可采煤层为2煤和3煤，设计煤层为3煤，平均厚度4.98m。矿井工业储量310.22Mt，可采储量214.19Mt，设计服务年限63.7a。矿井正常涌水量180m3/h，最大涌水量230m3/h。矿井相对瓦斯涌出量0.5m3/min，属低瓦斯矿井。确定开拓方案为立井两水平开拓（岩巷），立井延伸，设两水平，一水平标高-550m，二水平标高-750m。整个井田划分为6个带区。采用中央并列式通风。矿井采用带区式准备方式，工作面设计长度230m。采用综合机械化一次采全高工艺。矿井年工作日为330d，昼夜净提升时间为18h。矿井采用“四六”制工作制度，三班生产，一班检修。生产班每班完成2个采煤循环。循环进尺为0.8m，日产量7312.24Mt。矿井煤炭采用胶带输送机运输，辅助运输采用蓄电池式电机车牵引固定箱式矿车。主井采用两对16t侧卸式箕斗提煤，副井采用一对1.5t矿车双层四车加宽罐笼运送物料和升降人员。专题部分题目为：矿用充填材料与充填技术发展。主要综述了近年来煤矿充填开采中应用的充填材料及充填技术。翻译部分主要内容是热多孔双重孔隙介质中的井壁稳定性分析。英文题目是：Boreholestabilityanalysisinathermoporo-elasticdual-porositymedium。关键词：立井；两水平；带区；综合机械化一次采全高；中央并列式通风ABSTRACTThisdesignincludesthreeparts:thegeneraldesign,themonographicstudyandthetranslation.ThegeneraldesignisaboutA1.2Mt/aNewUndergroundMineDesignOfChengjiaoCoalMine.Thedesignincludestenchapters:1.Mineoverviewandminefieldgeologicalfeatures;2.Theminefieldboundaryandthereserves;3.Minesystemofwork,designproductioncapacityandservicelife;4.Minefieldextension;5.Preparation-withthestripdistrictroadwaylayout;6.Miningmethods;7.Undergroundtransport;8.Minehoist;9.Mineventilationandsafetytechnology;10.Minebasictechnicalandeconomicindicators.ChengjiaoMinefieldislocatedtheterritoryofYongchengcity,coveringfullofChengguanTownship,ChengxiangTownship,andpartofHoulingTownship,ShuangqiaoTownship,ShiBaliTownship,JiangkouTownship.It’sabout8.1kmonthestrikeand5.57kmonthedip,withthe45.12km2totalarea.Thereare2minablecoalseam.Themainaquifercoalseamis3coalseamwithanaveragethicknessof4.98m,andtheaveragedipof3coalseamis6°.Theprovedreservesofthiscoalmineare310.22Mtandtheminablereservesare214.19Mt,withaminelifeof63.7a.Thenormalmineinflowis180m3/handthemaximummineinflowis230m3/h.Theminerelativegasemissionquantityis0.5m3/t,andtheabsolutegasemissionquantityis0.5m3/min.Thus,itisalowgasmine.Determineprogramisverticalshaftdevelopmentwithtwomininglevels,andthetunnelissetintherockseam;Thefirstmininglevelis-550m,thesecondmininglevelis-750m.Theminefieldisdividedintosixminingstripdistrict.Thetypeofmineventilationisthecentralizedjuxtaposeventilation.Designedfirstminingdistrictmakesuseofthemethodoftheminingstripdistrictpreparation.Thedesignlengthofworkingfaceis230m,whichusesfullymechanizedminingoverallheightinonetimestechnology.Theworkingdaysinoneyearare330.Everydayittakes18hoursinliftingthecoal.Theoperationmodeinthemineis“four-six”withthreeteamsminingandtheotheroverhauling.Everyminingteammakestwoworkingcycle.Soeverydaythereare6workingcycles.Theadvanceofaworkingcycleis0.8m,andthequantityof7312.24toncoalismakedeveryday.Mainroadwaymakesuseofbeltconveyortotransportcoalresource,andminecartobeassistanttransport.Themainshaftusestwodouble16tskipstoliftcoalandtheauxiliaryshaftusesatwinswide1.5tfour-cardouble-deckcagetoliftmaterialandpersonneltransportation.Themonographicstudyentitled“Minefillingmaterialandfillingtechnologydevelopment.”.Reviewedtheapplicationsinrecentyearsintheminingofcoalfillingthefillingmaterialandfillingtechnology..Thetranslatedtitleis“Boreholestabilityanalysisinathermoporo-elasticdual-porositymedium”.Keywords:shaft;twomininglevels;stripdistrict;fullymechanizedminingoverallheightinonetimestechnology;centralizedjuxtaposeventilation

目录TOC\h\z\t"标题,3,二级标题,2,一级标题,1,专题题目,1,专题一级标题,1"1矿区概述及井田地质特征 页译文：热多孔双重孔隙介质中的井壁稳定性分析RachelGeleta,b,BenjaminLoreta,n,NasserKhaliliba：法国格勒诺布尔市溶胶实验室，B.P.53X，38041。b：土木与环境工程学院，新南威尔士大学，澳大利亚悉尼2052摘要：双多孔介质中的质量扩散和转移是一个三阶段框架内的问题。固相假设包含两种截然不同的充满液体的腔。多孔的混合物组成的两个重叠的媒体：多孔块和裂隙网络。由于流体压力差之间的空腔流体可以转换。此外，液压和热通过混合扩散。提供一个大规模转移，扩散和变形的全局性共识。相关方程与现象源自于热平衡的混合。利用方程的近似有限元制定和实施垂直钻孔的稳定性分析。分析参数评估井眼周围流体压力剖面上的传热传质的影响。透水与半透水边界条件相比并预测排水和部分排水条件下的井筒故障的潜力。关键词：热的孔隙弹性，双重孔隙，热平衡，扩散控制流动，质量传递，井壁稳定介绍裂隙多孔介质的性能影响了热载荷相关的各种应用，如通过蒸汽或热水注入提高重油回收率，热及液压刺激致密储层，管理粘土缓冲区的核废料处理，干热岩石地热能源开采发。所有这些应用，需要一个井眼或隧道的稳定性分析，形成了设计依据的重要组成部分。目前井壁稳定性分析是建立在热载荷稀少，主要集中在一个单一的孔隙饱和岩石代表储层条件下的。井壁稳定的一个关键因素是井筒由于泥浆渗透的内衬上的孔隙水压力的变化。通常故障发生时，孔隙水压力降低，低于临界值的有效围压。热感应在低渗透介质中以热传导主，钻孔周围的流体流动的封闭形式的解决方案已经提出了一系列调查。McTigue提供的分析结果是用一个单一的孔隙度饱和多孔岩石的热弹性响应，突出的热液压扩散率和竞争之间的热和流体流动的重要性。Wang和Papamichos研究围绕抽水寒冷和温暖注入进程的热感应孔隙流体压力，基本准确地估计了诱导液在低渗透介质的流速的热耦合的重要性。Chen和EWY研究井壁稳定的热多孔效果，并分析井筒附近地区的塌陷故障指数。Abousleiman和Ekbote，Wang和Dusseault和Pao等在各向异性导电与对流传热流动，井壁失稳的多相流的影响方面也取得了显着的贡献。基于Biot的混合物理论，热-水力-力学模型已扩展到Barenblatt等人推出的双孔隙度概念。然而，现有Nair等人的文献着重于传导现象，合并或对流的主导地位。双重孔隙介质热弹性反应裂缝间距的灵敏度结果，但基于一些限制。特别是拟订分配矛盾的有效应力原理，在他们的双孔隙度模型的形变场中，在一个单一的应力实体定义为整个固体骨架，每个腔系统自身的有效应力，变形和整体规则。此外，他们的理论，来定义有效应力参数，假设孔隙和裂缝系统的形变场工作的系列方法可能无法适用于真正的岩石。本文提出热多孔双多孔介质非等温条件下完全耦合的有限元法。裂隙多孔介质被形容为多孔混合物组成的两个重叠的连续多孔块和裂隙网络。固相具有特殊的作用，因为它提供了矩阵的骨架和封闭的流体相。三相混合物的理论模型的建立，通过假定的三个阶段的本构方程和执行质量，动量和能量的结余。在第2节提供了一个总结理事微分方程，被指定为制定当地的各个阶段之间的热平衡，饱和土和扩散占优通量的标准。详列在第3节的弱式方程和时间整合过程，通过有限元方法的耦合方程来解决，主变量是位移，孔隙流体压力，裂隙中的流体压力和混合物的温度。系统方程是用来解决承受的压力和温度梯度的垂直钻孔潜在的故障（第4节）。重油通过热激法回收的实验模拟结果显示双孔隙度的方法和对井壁稳定性边界条件的影响（第5节）。另外，研究的重点是孔隙矩阵和裂隙网络之间的质量传递;以及在两腔之间的扩散比的对比度的稳定问题。符号：向量和矩阵量由黑体字母标识，例如r是总应力。i是单位矩阵。TR，▽和div分别表示跟踪，梯度和发散执行。2．方程

双孔隙度的概念框架内，通过变形裂隙多孔介质的变形，液压和热流量，传热传质微分方程描述，可以表示为（重复的静音使用索引i求和公式），其中其中u=（uj）是固相位移，PP是孔隙流体压力，PF是裂隙流体的压力和温度表示的混合。方程（1）1使用拉梅常数，体力的向量Fi，

λ和μ的排水固体混合物C的可压缩性，压缩性的多孔块CP，固体颗粒的可压缩性CS，体积热膨胀系数固相CT。式（1）2,3要求每个流体k=

p，f宏观孔隙nK，宏观的内在渗透kk和动力粘度mk。液压可压缩ch，k和热可压缩ct，k。定义式（11）中从流体k的内在的密度rk。方程（1）4涉及整体热容量在恒应变和流体压力cp，整体密度r，和整体导热系数ʌ。方程组（1）直接影响场方程的运算（动量平衡的混合，每个流体阶段的质量平衡，能量平衡的混合）。其中σ是总应力，F是体力的载体，Jk是流体通量k，q是混合物的热通量。项ρktr表示腔体k的质量由其他腔体供应。初始配置作为一个参考，在平衡状态中的应力，应变，压力和温度，可以是非零。离开这个参考状态表示∆。剪切行为占（排水）固体骨架式剪切模数m。在偏量部分的弹性应变和有效应力分别表示devϵel和devσ，形变本构矩阵涉及的总应力的各向同性部分trσ/3，流体的的体积变化∆Vp/V和∆Vf/V，和固体的熵变化∆Ss至各向同性部分的总应变trϵ，流体压力pp，pf和温度变化∆T=T-T0，其中ρs是表观密度的固体等同于ns

ρs，ss表观的是固体单位体积熵（kg/ms2），Cp，s是固体的内在热容量恒应变和流体压力（J/kgK），ξp和ξf为有效应力参数，它定义了液压机械耦合。apf是确保两者之间长期耦合的孔隙变形系统的兼容性参数。正压热流体k的密度随其压力和温度，其中可压缩系数chk和热膨胀系数ctk被定义为，扩散本构关系描述耦合达西定律和傅立叶定律，而传质使用Barenblatt的准稳态的关系，这种热-水力-力学模型来自一个有效应力的概念，见公式（7）1，占液压通量内的两个腔对整体热通量，液两腔之间的交流模型。该模型忽略对流的影响，重力和液压通量和热通量之间的耦合扩散约束。对模型参数的附加信息可以在以前的文章中发现。3有限元法分析混合有限元法的发展，其中主要的未知位移u，孔隙压力Pp，对裂隙流体压力Pf和温度的多孔介质T.有限元法的压缩，是介绍表达式fp，ff和ft的工具，其中加点部分表示局部的时间微分。3.1半离散方程虚拟域σu，σp和σT乘以场方程，并部分超过整体V整合提供了问题的弱式其中n为单位外向正常的边界әV。广义Galerkin过程采用相同的插值函数主要用于未知数的变化。主要未知数内插通用元素e，通过插值函数的节点值，分别为Nu，Np，Nt，其中Bu是标准的应变-位移矩阵，即ϵ=Buue插入总应力（7）1，液压和热通量（12）（18）产生的方程非线性系统，包括:一个元素贡献平衡混合物的动量，一个元素贡献孔隙流体质量的平衡，一个元素贡献裂隙流体质量的平衡，一个元素贡献混合物的能量的平衡，元力向量和矩阵的详情载于附录A元素e全局方程，可以在一个矩阵格式内转换，在这里，Ke是单元刚度矩阵，De是元素的扩散矩阵，Fe是元素负载向量，Xe为未知向量元素，所有子矩阵Ke和De列在附录B所造成的全局非线性半离散方程的未知向量X（18）意味着剩余的R为零，其中Fint是内力的矢量和Fsurf是表面负荷向量，共同标记为S。3.2时间积分广义梯形定义的规则由一个标量αϵ[0,1]组离散方程。在N+1步，方程在时间tn+α=tn+α∆t执行，∆t=tn+1-tn，即在上面的关系中，我们定义Z=S，X，V为Xn+1和Vn+1是X（tn+1）与（dx/dt）（tn+1）的近似。一个显式/隐式算子分裂迭代求解系统（27），即迭代i+1，其中其中X定义为预估值，及在上面的方程（29）所示的划分是出于两点意见：（1）依赖外部力量的矢量对解决方案的影响微弱;（2）内力线性矢量依赖于速度矢量V和非线性解决方案X。因此，通过表1表1

输入各向均匀同性双多孔介质中的代表性参数。

材料参数值单位文献弹性模量E9.5GPa[1]泊松比n0.25-[1]颗粒的体积弹性模量ķs=1/cs10Gpa[1]流体的体积模量ķk=1/ch,k4.3GPa[1]流体的粘度μp=μf10-3Pas[1,2]多孔岩块孔隙率np0.15-[1,2]多孔块渗透率kp5×10-20M2[1,2]可压缩比cp/c0.9-[3]裂隙网络孔隙nf0.1×np-[3]裂隙网络渗透kf10×npM2[3]多孔导热介质ʌ2.65W/mK[1]多孔热膨胀介质ct1.8×10-51/K[1,2]液体体积热膨胀ct,p=ct,f4.5×10-41/K[4]多孔介质的比热容cv837J/kgK[1,2]多孔介质的密度ρ1980kg/m3[1,2]然而，所有术语都着重于保留这个提法的一般性。全局的迭代过程中使用的全牛顿-拉夫森方程如上所述。系统方程是通过插入时间积分（30）-（32）解决在（29）的残差，其中求出牛顿指数∆V，有效扩散矩阵C*可以表达为全局扩散矩阵D和整体刚度矩阵K，时间步进∆t增量从1到1000秒之间，以电脑时钟保持一个合理的值。时间积分参数采取相应的2/3加勒金法，提供无条件的稳定和第一阶精度，线性问题和单通问题。4非等温井壁稳定性分析热-水力-力学本构方程现在用来评估在重油回收的背景下井眼的稳定，例如热激发储层。为此，认定热多孔裂隙介质中一个垂直的井筒，见图1。单位厚度的地层（H=0.1m），内半径r1设定为0.1米，远场的半径R2设置为800米，代表了一个大的距离边界。4.1边界条件双多孔介质应用于远场半径R=R2，在顶部的边界条件Z=H，并在底部Z=0（表2）。为了测试钻孔的稳定性，应用恒定的泥浆压力PW=12.0MPa。边界条件对井筒半径R=R1根据两个不同的配置均另案处理。（a）透水边界。认为径向应力，流体在两的腔压力和温度完全控制在井筒内任何zϵ[0,h]，（b）半透水边界。在这种情况下，作为钻井泥浆渗入透水介质的井壁上形成泥浆片。因此，具有低渗透孔隙矩阵可以由泥浆片密封在入口。我们来看，这种边界条件下半透水边界的密封过程，只适用于多孔块（图2）。第二种关系（38），因此改变， 5双多孔介质的热效应6结论重油通过热刺激回收的背景下，在有两个孔洞之间的材料转移扩散机制和质量进行了