基于fluen的充填料漿輸送管道輸送特性研究

基于fluen的充填料漿輸送管道輸送特性研究

高度精煉的填充材料不經(jīng)過(guò)分析，不分層。填充質(zhì)量好，填充效率高，在國(guó)內(nèi)外廣泛傳播。在結(jié)構(gòu)理論上，高濃度填充材料是一種均勻的結(jié)構(gòu)流。結(jié)構(gòu)流理論上的“濃度”是指填充材料的濃度接近臨界值的濃度，然后小于極限。在管道輸送阻力方面，甘德清等目前，國(guó)內(nèi)外研究成果存在以下不足：其一是很少考慮級(jí)配因素對(duì)管輸沿程阻力損失的影響；其二是很少以礦山實(shí)際充填管路為模板建模，不能真實(shí)地反映礦山充填實(shí)際情況，所得結(jié)果往往差強(qiáng)人意。因此，針對(duì)以上不足，本文作者以金川公司二礦區(qū)實(shí)際充填管路建模，模擬實(shí)際充填料漿管輸情況，研究廢石-風(fēng)砂充填料漿在不同級(jí)配的情況下管道輸送的特性分析管道輸送過(guò)程中的流速和壓力規(guī)律，為廢石-風(fēng)砂高濃度料漿自流充填技術(shù)的發(fā)展提供研究依據(jù)。1廢石-風(fēng)砂骨料堆積虛實(shí)度1)實(shí)驗(yàn)中所用的廢石風(fēng)砂均來(lái)自金川公司二礦區(qū)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得廢石破碎集料的密度為2.625g/cm2)風(fēng)砂是自然采集到的天然集料，金川礦區(qū)地處沙漠戈壁地區(qū)，是一種理想的充填材料。風(fēng)砂顆粒呈圓球狀，成分90%為石英砂，密度為2.570g/cm3)堆積密實(shí)度是固體顆?；旌衔矬w系的一個(gè)重要性質(zhì)，其定義為單位體積中固體顆粒所占的體積，骨料的堆積密實(shí)度能全面反映骨料填隙效應(yīng)，是孔隙率、顆粒粒徑、形狀、級(jí)配關(guān)系的綜合反映，是描述骨料散體體系的重要特征參數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得廢石-風(fēng)砂兩種骨料的堆積密實(shí)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。堆積密實(shí)度的大小只能反映骨料填隙效應(yīng)的優(yōu)劣，并不能說(shuō)骨料堆積密實(shí)度越大越適合管道輸送，所以本文選取廢石風(fēng)砂質(zhì)量比為5:5、6:4和7:3的三種混合料比的骨料來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。2數(shù)值建模2.1幾何模型的建立根據(jù)金川公司二礦區(qū)實(shí)際充填管路的布置情況，結(jié)合FLUENT軟件的特性，利用前處理建模軟件Gambit建立了與實(shí)際管道一樣的管道輸送的幾何模型。該模型主要包括管道在1680m水平的二期充填小井到井下978回采中段充填工作面，主要有13個(gè)彎管部分和10個(gè)變徑管部分，管道總長(zhǎng)約2378m，垂直高差約為703m，理論充填倍線為3.38。主要幾何模型示意圖如圖1所示。2.2管輸特性分析本次進(jìn)行的數(shù)值模擬中充填漿體采用廢石與風(fēng)砂質(zhì)量比分別為5:5、6:4和7:3，水泥添加量為310kg/m通過(guò)數(shù)值模擬分析，可以得到不同配比、不同級(jí)配和不同流速條件下的管輸阻力規(guī)律以及充填料漿在管輸過(guò)程中的流速及壓力的分布規(guī)律。2.3口veloct-inlet根據(jù)數(shù)值模擬的試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，在管道模型中設(shè)置入口邊界條件為速度入口(Velocity-Inlet)，管道壁定義為管壁邊界(Wall)，出口邊界條件為出口流動(dòng)(Outflow)。因金川集團(tuán)二礦區(qū)采用重力自流輸送，設(shè)置邊界條件時(shí)，需附上豎直方向的重力加速度(9.8m/s2.4表觀滑移流動(dòng)邊界層位于管道壁面和漿體主流區(qū)之間，其黏度遠(yuǎn)低于漿體主流區(qū)的黏度。當(dāng)充填料漿受到剪切作用時(shí)，在邊界層內(nèi)產(chǎn)生極高的速度梯度。邊界層厚度相對(duì)于管道直徑極小，料漿流動(dòng)過(guò)程中的速度分布在壁面上表現(xiàn)出躍遷，形成所謂的表觀滑移流動(dòng)。該邊界層對(duì)充填料漿管道輸送起到減租的作用?？紤]到這一點(diǎn)，本次模擬建立了邊界層網(wǎng)格，為了合理體現(xiàn)邊界層，邊界層網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為5層，使模擬結(jié)果更加接近實(shí)際情況。邊界層網(wǎng)格如圖2所示。3數(shù)值模擬結(jié)果的分析3.1管道的速度分布經(jīng)過(guò)FLUENT的計(jì)算結(jié)果和模擬的速度云圖(見(jiàn)圖3)可以發(fā)現(xiàn)，36個(gè)方案中的速度規(guī)律基本都一致的，只是在速度的大小上有所差別，為避免重復(fù)，現(xiàn)僅附上方案3(即廢石風(fēng)砂質(zhì)量比為5:5、料漿濃度為82%、漿體流速為2.04m/s)的各種管道處的速度云圖，如圖3所示。從圖3中可以看出，因邊界層表面效應(yīng)(也叫“伯努利效應(yīng)”)，充填管道的整個(gè)管道壁面處的速度接近0或?yàn)?；在管道的半徑方向，在管道圓心附近的速度較大，接近管道的管壁附近的速度比較小，在管道的管徑方向有明顯的速度梯度。從圖3中的不同彎管及變徑管的速度云圖可觀察到，在彎管處的速度有劇烈的波動(dòng)，其主要原因是在彎管處漿體的流速和方向發(fā)生了變化。在彎管靠近圓心處其速度相對(duì)較小，而在彎管離圓心較遠(yuǎn)處其速度就相對(duì)較大。特別是由圖3(c)和(d)可明顯看出，90°的彎管比其他角度的彎管的變化更為明顯。漿體的流速在彎管處的波動(dòng)較大，但不是一過(guò)彎管料漿流速就趨于穩(wěn)定，而是要過(guò)一段過(guò)渡階段才能趨于穩(wěn)定，然后呈管道圓心靠下處的速度大、管徑方向往管壁處速度逐漸減小的梯度分布。特別是管道的拐彎越大，其速度云圖中的過(guò)渡階段越明顯。從圖3(b)和(c)可以看出，變徑管對(duì)充填料漿具有加速或減速的作用。從圖3(e)和(f)中可以看出，變徑管的入口速度明顯小于出口速度，這是由于管徑由大變小，導(dǎo)致流速增大，而流速增大導(dǎo)致管道輸送動(dòng)壓增大，阻力損失增大。由于增大流速可以減輕料漿沉降的情況，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體情況，選擇對(duì)應(yīng)的變徑管。以廢石風(fēng)砂質(zhì)量比為5:5、水泥添加量為310kg/m3.2充填料漿沿程阻力損失的變化結(jié)果圖5所示為料漿濃度與沿程阻力損失的關(guān)系。從圖5中可已看出，在廢石-風(fēng)砂充填料漿的管輸中，當(dāng)骨料比和流速相同時(shí)，料漿濃度對(duì)管輸阻力的影響非常大。當(dāng)充填料漿的料漿濃度有較小的變化時(shí)，管道沿程阻力損失迅速變大，通常在充填料漿濃度相差2%左右時(shí)，管道單位長(zhǎng)度的阻力損失可能會(huì)相差20%～30%。因此，在實(shí)際輸送時(shí)通常通過(guò)降低充填料漿的濃度來(lái)輸送充填料漿至采場(chǎng)，這樣可以防止充填料漿在管輸阻力過(guò)大，導(dǎo)致充填料漿不能夠流動(dòng)而造成堵管。從圖5中可知，隨著料漿濃度的增大，管道的沿程阻力損失變得越來(lái)越大。料漿濃度在82%～83%時(shí)，沿程阻力損失增加緩慢，而料漿濃度在83%～84%時(shí)，沿程阻力損失增加較快，尤其當(dāng)廢石風(fēng)砂質(zhì)量比為5:5時(shí)，這種趨勢(shì)尤為明顯。根據(jù)金川公司二礦區(qū)的具體條件和管輸阻力綜合考慮，比較適合管道輸送的廢石-風(fēng)砂充填料漿的質(zhì)量濃度為82%～83%。3.3廢石風(fēng)砂比對(duì)充填料漿穩(wěn)定性和沿程阻力損失的影響圖6所示為不同級(jí)配的料漿流速與沿程阻力損失的關(guān)系。級(jí)配是影響著充填料漿管道輸送阻力的重要因素。由圖6可知，在相同的料漿濃度和流速下，廢石風(fēng)砂質(zhì)量比為5:5和7:3的漿體的沿程阻力損失要明顯大于廢石風(fēng)砂質(zhì)量比為6:4的漿體的沿程阻力損失。其原因是：當(dāng)漿體的廢石風(fēng)砂比過(guò)小時(shí)，由于漿體中細(xì)粒級(jí)含量過(guò)多，漿體的黏度增大，在漿體流動(dòng)時(shí)漿體的管道阻力比較大，從而使沿程阻力損失增大。而當(dāng)廢石風(fēng)砂比較大時(shí)，漿體中粗顆粒(廢石)的含量過(guò)多，導(dǎo)致漿體的固體顆粒級(jí)配較差，漿體的穩(wěn)定性也就相對(duì)較差，從而導(dǎo)致漿體的管道阻力變大，沿程阻力損失增大。從沿程阻力損失的關(guān)系中可知，廢石風(fēng)砂質(zhì)量比為5:5、6:4和7:3充填料漿中，廢石風(fēng)砂質(zhì)量比為6:4的廢石-風(fēng)砂漿體的穩(wěn)定性和流動(dòng)性要相對(duì)較好，相對(duì)更有利于管道輸送。在實(shí)際的礦山高濃度充填中，要使高濃度的廢石-分級(jí)尾砂料漿的濃度提高1%～2%是比較困難的，因此選擇合理的配合比就非常重要。根據(jù)金川公司二礦區(qū)的管輸實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，廢石風(fēng)砂質(zhì)量比為6:4應(yīng)是比較合理的配比。在礦山的實(shí)際充填中還可以充分利用井下的廢石，使充填成本盡量降到最低又可以取得較好的充填效果。4管道阻力回歸模型金川公司二礦區(qū)高濃度充填料漿的管道輸送阻力計(jì)算新模型，主要采用金川公司二礦區(qū)充填料漿的流變實(shí)驗(yàn)獲得的參數(shù)，與進(jìn)行FLUENT數(shù)值模擬統(tǒng)計(jì)的沿程阻力為基礎(chǔ)，結(jié)合常用的經(jīng)驗(yàn)-半經(jīng)驗(yàn)的阻力計(jì)算公式，基于量綱分析法來(lái)建立新的阻力計(jì)算模型，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)回歸分析法來(lái)回歸得出具體公式。根據(jù)高濃度充填料漿管道輸送阻力的影響因素和管道阻力損失的關(guān)系，建立了新的管道阻力計(jì)算模型如式(1)所示：式中：v為料漿流速，m/s;φ根據(jù)數(shù)值模擬得出的充填料漿管道輸送沿程阻力損失值，運(yùn)用Origin對(duì)表中的數(shù)值進(jìn)行回歸分析，擬合結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可以看出，數(shù)據(jù)和擬合曲線的相關(guān)性R式中：Δ5壓力檢測(cè)設(shè)備為了能準(zhǔn)確地了解新的沿程阻力損失模型的適用性以及實(shí)際管輸時(shí)的阻力情況，在金川二礦的二期制備站進(jìn)行管輸工業(yè)試驗(yàn)，并于1350中段安裝了壓力檢測(cè)設(shè)備，根據(jù)壓力檢測(cè)設(shè)備的讀數(shù)計(jì)算出實(shí)際的沿程阻力損失。工業(yè)試驗(yàn)沿程阻力損失結(jié)果與新的沿程阻力損失模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表6所示。通過(guò)表6中的結(jié)果對(duì)比可知，新模型的結(jié)果與工業(yè)試驗(yàn)的誤差在5%以?xún)?nèi)。從表6和圖7可以看出，金川公司二礦區(qū)的工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算的阻力值最大誤差為4.16%，最小誤差為0.32%。結(jié)果表明，用新模型來(lái)計(jì)算管道輸送的沿程阻力損失是可行的，新模型有良好的普遍適用性。6充填料漿流場(chǎng)及密度1)充填管道的整個(gè)管道壁面處的速度接近0或?yàn)?；在管道的管徑方向，在管道圓心附近的速度較大，接近管道的管壁附近的速度比較小，在管道的管徑方向有明顯的速度梯度，料漿的輸送沿程阻力損失隨料漿流速的增大而呈線性增大。2)料漿濃度對(duì)管輸阻力的影響非常大，當(dāng)料漿濃度有較小的變化時(shí)，管道沿程阻力損失迅速變大。3)對(duì)不同骨料比的充填料漿的數(shù)值模擬結(jié)果表明