煤矸石胶结充填材料流动性能经时变化研究

作     者：李化运 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭育霞

授予年度：2019年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：煤矸石胶结充填材料 流动性能 流变特性 经时变化 BP神经网络 预测模型 

摘      要：煤炭资源的开采造成的地表沉陷、煤矸石堆积、地表水流失、地下水污染等环境破坏问题和“三下大量压煤资源浪费问题亟待解决,国内外大量研究表明,充填开采是解决上述问题的有效途径。充填开采时,制备好的充填材料在泵送到采空区过程中其流动性能会发生改变,对充填材料的工作性能和硬化后充填体的力学性能和耐久性产生不利影响。本文以煤矸石胶结充填材料为研究对象,采用实验室试验和理论分析相结合的方法,研究了不同粉煤灰含量、粗骨料比例、质量浓度、减水剂掺量对煤矸石胶结充填材料流动性能经时变化的影响,分析了坍落扩展度和流变特性参数之间的对应关系,建立了基于BP神经网络的煤矸石胶结充填材料流动性能预测模型。主要研究内容和结论如下:(1)试验测试了20组不同材料配比充填材料在120min内的坍落度和扩展度,研究粉煤灰含量、粗骨料比例、质量浓度和减水剂掺量对煤矸石胶结充填材料坍落扩展度经时变化的影响,结果表明:随着测试时间的增加,坍落度和扩展度均减小;随着粉煤灰含量的增加,坍落度和扩展度的经时损失减小;随着粗骨料比例的增加,坍落度和扩展度的经时损失增加;随着质量浓度增加,坍落度和扩展度的经时损失先增加后减小,质量浓度为81%的充填材料的坍落度和扩展度经时损失最大;随减水剂掺量的增加,坍落度经时损失先减小后增大,扩展度经时损失逐渐增加;四因素对坍落度和扩展度经时损失影响显著性排序为:粉煤灰含量减水剂掺量质量浓度粗骨料比例。(2)试验测试了20组不同材料配比充填材料在120min内的屈服应力和塑性粘度,研究粉煤灰含量、粗骨料比例、质量浓度和减水剂掺量对煤矸石胶结充填材料屈服应力和塑性粘度经时变化的影响。结果表明:随着测试时间的增加,屈服应力和塑性粘度均增加;随着粉煤灰含量增加,屈服应力经时增量降低,塑性粘度经时增量增加;随着粗骨料比例和减水剂掺量增加,屈服应力和塑性粘度经时增量增加;随着质量浓度增加,屈服应力经时增量降低,塑性粘度经时增量先增加后减小;四因素对屈服应力经时变化影响显著性排序为:减水剂掺量粉煤灰含量粗骨料比例质量浓度;四因素对塑性粘度经时变化影响显著性排序为:粉煤灰含量质量浓度减水剂掺量粗骨料比例。(3)运用MATLAB三维建模和拟合,得出了不同材料配比充填材料的坍落度、扩展度、屈服应力和塑性粘度随时间变化的预测模型,多个相关系数大于0.9,可以较好的用来预测不同配比下充填材料的坍落度、扩展度、屈服应力和塑性粘度随时间变化量。(4)修正了煤矸石胶结充填材料的坍落度和屈服应力、扩展度和塑性粘度之间的关系式,并用上述坍落扩展度试验结果和流变特性试验结果进行了验证,结果表明通过上述公式计算出的屈服应力和塑性粘度与流变特性试验得到的屈服应力和塑性粘度之间吻合良好,可根据煤矸石胶结充填材料的坍落度和扩展度得出屈服应力和塑性粘度,为现场实际预测充填材料的流变性能提供了理论指导。(5)基于MATLAB中的BP神经网络工具,通过理论计算结果,进行多次数值调整和训练确定坍落度-扩展度经时损失预测模型的网络结构为[511 2],屈服应力-塑性粘度预测模型的网络结构为[5 9 2],坍落度和扩展度经时损失预测模型的相关系数分别为0.986和0.997,屈服应力和塑性粘度预测模型的相关系数分别为0.867和0.77,所以上述BP神经网络预测模型可以较好地对多因素影响下煤矸石胶结充填材料的坍落度、扩展度、屈服应力和塑性粘度进行预测。