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煤矿储能式充填空间热能存取机理及方法研究

【摘要】:充填开采作为典型的能够与矿区环境保护相协调的绿色开采技术,已被广泛应用至煤炭资源开采,在岩层移动、地表沉陷和采场矿压等方面起到了显著的控制效果,对维护地下空间稳定性方面也具有明显的技术优势。充入采空区控制岩层移动的充填材料可经人工调配开发出特定的新功能,为后期煤矿地下空间的多重开发利用创造了有利条件。本文基于充填空间稳定及充填材料性能可控等有利条件,提出了充填开采协同热能地下储存的煤矿储能式充填模式,即利用采空区边充填边构筑热能储存空间的方法,实现热能地下高效储存与提取。因此,本论文围绕煤矿储能式充填空间热能储存与提取的研究主题,针对储能式充填空间热传递规律以及热能储存与提取机理等关键科学问题,开展了储能式充填材料研发、充填空间热能储存与提取规律以及储能层位选择方法等方面研究工作,取得了以下主要创新成果:(1)构建了煤矿井下采空区充填协同热能地下储存的储能式充填模式,提出了煤矿储能式充填空间热能储存与提取的系统构成与布局方式,阐释了煤矿储能式充填的技术原理与技术关键,得到了储能式充填空间热能储存与提取效果主控因素。(2)开发了具有高承载压缩性能与高效储热功能的储能式充填材料,得到了充填材料配比参数、水及应力环境对充填材料导热性能影响规律,建立了充填材料导热系数预测模型,揭示了石英砂、石墨及钢纤维对储能式充填材料导热性能的强化调控机制。(3)研发了充填材料热能储存与提取模拟实验平台,分析了热能储存与提取过程中水温动态变化与充填材料温度时空响应特征,建立了充填空间热能储存CFD模型,揭示了充填材料导热系数、水流流速以及管路布置等因素影响下充填空间热能储存与提取机理。(4)建立了充填空间热能储存多层围岩-充填体-水流瞬态非线性热传递模型,采用Laplace变化求解得到了边界温度周期变化条件下充填空间温度分布的解析解,给出了热能提取量与储能层位围岩构成的定量关系,提出了煤矿储能式充填储能层位选择方法及储能式充填工程设计流程。该论文有图113幅,表17个,参考文献205篇。

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