甘德清 高 鋒 孫光華 邵靜靜 侯永康

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山063009;2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山063009)

隨著充填開采的礦山產(chǎn)能和采深不斷增大以及國家對(duì)礦山環(huán)境保護(hù)和治理的要求不斷提高，大直徑管道自流輸送全尾砂膠結(jié)充填料漿技術(shù)將成為充填開采領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容［1］。全尾砂膠結(jié)充填料漿的物理特性十分復(fù)雜，與常規(guī)管道輸送相比，全尾砂料漿在大直徑管道中的輸送特性會(huì)有所改變。根據(jù)礦山經(jīng)驗(yàn)，充填料漿濃度的提高有助于提高充填質(zhì)量，但會(huì)增加輸送阻力損失，加劇管道磨損［2-3］。因此，研究大直徑管道內(nèi)濃度對(duì)料漿流動(dòng)特性的影響，有助于促進(jìn)大能力礦山充填開采理論的發(fā)展，對(duì)礦山大直徑管道輸送充填料漿具有指導(dǎo)意義。

目前，充填料漿濃度對(duì)管道輸送特性的影響研究較多。李清望［4］利用50 mm 管徑的充填模擬系統(tǒng)，分析了高濃度漿體隨著濃度的提高，阻力損失的變化規(guī)律;呂憲俊等［5］自制傾斜管道實(shí)驗(yàn)裝置，測試了不同濃度料漿的輸送速度和流變參數(shù);鄧代強(qiáng)等［6］通過fluent－2ddp 軟件構(gòu)建礦山管道輸送系統(tǒng)，研究了不同轉(zhuǎn)彎部位料漿流速隨濃度的變化特征;王新民等［7-8］使用Ansys Flotran 數(shù)值模擬軟件，分析了漿體密度對(duì)阻力損失的影響;吳迪等［9］利用Flow －3D 軟件，研究了120 mm 管道條件下，料漿濃度對(duì)輸送阻力損失的影響。然而，這些研究均是在管徑小于或等于150 mm 的條件下進(jìn)行的，尚未涉及大直徑管道內(nèi)料漿輸送特性隨濃度的變化關(guān)系。本研究使用三維單精度解算器Fluent －3D［10-11］，在灰砂比為1∶6、充填倍線為3 的條件下［12］，研究直徑為200 mm 的充填管道內(nèi)超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填料漿自流輸送時(shí)濃度對(duì)輸送特性的影響。

1 大直徑充填管道數(shù)值建模

1.1 幾何模型建立

考慮到計(jì)算機(jī)內(nèi)部運(yùn)算的局限性和礦山充填管道輸送料漿的工程復(fù)雜性，構(gòu)建L 型自流充填管道三維模型，如圖1 所示。設(shè)計(jì)管道直徑200 mm，豎直管道10 m，水平管道20 m，充填倍線為3，彎管中心曲率半徑0.5 m，彎管直徑為200 mm。

圖1 L 形管道數(shù)值模擬幾何模型Fig.1 Numerical simulation geometric model of L-shaped pipe

1.2 網(wǎng)格劃分

考慮管道內(nèi)壁摩擦對(duì)料漿流動(dòng)的影響，設(shè)置管道邊界層網(wǎng)格，邊界層厚度為10 mm。然后設(shè)置面網(wǎng)格和體網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為pave，網(wǎng)格度為10 mm。

1.3 邊界類型與邊界條件

設(shè)置邊界類型為velocity －inlet、velocity －outlet、wall、pressure －inlet 和pressure －outlet。然后將模型保存成msh 文件，導(dǎo)入fluent －3d 解算器中。設(shè)定邊界條件如下:流動(dòng)介質(zhì)為Fluid，入口和出口位置絕對(duì)壓力為1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，重力加速度－9.8 m/s2，入口流速為1.769 m/s，水力直徑為0.2 m，根據(jù)式(1)計(jì)算并設(shè)定湍流強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。出口流動(dòng)比重為1，管壁粗糙度為0.000 03 m，管壁影響系數(shù)為0.5。

式中，I 為湍流強(qiáng)度;Re 為流動(dòng)雷諾數(shù)。

表1 料漿物理參數(shù)和出口平均流速計(jì)算結(jié)果Table 1 Physical parameters of slurry and average velocity at outlet

2 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)方案

以司家營礦超細(xì)全尾砂和標(biāo)準(zhǔn)水泥為實(shí)驗(yàn)材料，測定尾砂密度為292 0 kg/m3，中值粒徑為0.062 mm。按灰砂比1∶ 6 配制8 種不同濃度的超細(xì)全尾砂充填料漿，料漿的密度和黏度如表1 所示。

選擇壓力基隱式計(jì)算模型和Realizable k －epsilon 黏性模型，由于實(shí)驗(yàn)骨料為超細(xì)全尾砂，為簡化數(shù)值模擬過程，提高計(jì)算精度，把不同濃度超細(xì)全尾沙充填料漿近似看作均質(zhì)流體。當(dāng)控制因素改變時(shí)，出口平均流速的變化情況可以反映管道內(nèi)料漿流速的變化情況。分析料漿濃度變化，管道出口料漿平均流速的變化趨勢，并由此反映管道內(nèi)料漿流速隨濃度的變化情況。計(jì)算L 型管道內(nèi)料漿流動(dòng)的壓力損失，研究大直徑管道內(nèi)壓力損失隨濃度的變化情況。

設(shè)置殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為10－5，迭代步數(shù)為800，選擇壓力－速度耦合求解方式為Simlpe，差分格式為二階迎風(fēng)。對(duì)邊界條件進(jìn)行初始化，開始對(duì)料漿在管道中的流動(dòng)進(jìn)行迭代解算。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 料漿流動(dòng)解算結(jié)果

經(jīng)過600 次左右迭代運(yùn)算，料漿運(yùn)動(dòng)方程殘差均小于所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂可靠。殘差收斂曲線如圖2 所示，限于篇幅只給出60%，66%和72%濃度料漿流動(dòng)方程的殘差曲線圖。

3.2 濃度對(duì)彎管內(nèi)料漿流動(dòng)的影響

料漿在豎直管道內(nèi)運(yùn)行至彎管上部時(shí)，高流速區(qū)域變寬，且靠近內(nèi)側(cè)管壁，使內(nèi)側(cè)管壁磨損加劇;彎管下部內(nèi)側(cè)出現(xiàn)低流速區(qū)(流速小于1 m/s)。由于慣性，料漿經(jīng)彎管轉(zhuǎn)向水平管道時(shí)向彎管外側(cè)集中，導(dǎo)致彎管內(nèi)側(cè)管壁附近出現(xiàn)低流速區(qū)，發(fā)生空蝕。當(dāng)料漿濃度小于68%時(shí)，隨著濃度的增大，空蝕區(qū)范圍增大，且豎直管道內(nèi)高流速區(qū)域?qū)挾戎饾u減小;料漿濃度大于68%時(shí)，空蝕區(qū)范圍和豎直管道內(nèi)高流速區(qū)域?qū)挾茸兓幻黠@，如圖3 所示。

圖2 料漿運(yùn)動(dòng)方程殘差收斂曲線Fig.2 The residual convergence curves of slurry motion equation

圖3 不同濃度料漿管內(nèi)流速分布云圖Fig.3 Velocity distribution of different concentration of slurry in pipe

3.3 濃度對(duì)水平管道內(nèi)料漿流速的影響

料漿流動(dòng)方程計(jì)算結(jié)果收斂后，導(dǎo)出管道出口每點(diǎn)的流速值，計(jì)算管道出口處料漿流速的平均值，如表2 所示。

表2 不同濃度料漿的出口平均流速和壓力損失Table 2 Average velocities at outlet and pressure losses of different concentration of slurries

根據(jù)管道出口流速計(jì)算結(jié)果，繪制管道出口料漿平均流速隨濃度變化的關(guān)系曲線，如圖4 所示。

圖4 管道出口料漿平均流速隨料漿濃度變化關(guān)系曲線Fig.4 Variation relationship curve between average velocity and slurry concentration at outlet

由圖4 可知:

(1)當(dāng)料漿濃度小于64%時(shí)，隨著濃度的增加料漿容重增加，導(dǎo)致豎直管道內(nèi)料漿重力勢能增加，而濃度小于64%的料漿黏度小，在管壁摩擦作用變化不大的情況下，豎直管道內(nèi)增加的重力勢能作用遠(yuǎn)大于料漿黏滯阻力作用，因此料漿濃度小于64%時(shí)，隨料漿濃度的增加，料漿平均流速線性增大。

(2)當(dāng)料漿濃度由64%增大到66%時(shí)，料漿平均流速緩慢增大。這是由于此濃度范圍內(nèi)的料漿黏度值較大，超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填料漿開始形成絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，料漿黏滯阻力明顯增強(qiáng)，豎直管道內(nèi)增加的重力勢能消耗于克服黏滯阻力的部分較多，導(dǎo)致料漿平均流速變化不顯著。

(3)當(dāng)料漿濃度由66%增大到68%時(shí)，超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填料漿中絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，由于料漿容重增大而增加的重力勢能作用更占優(yōu)勢，料漿平均流速增長速率較大。

(4)料漿濃度大于68%時(shí)，隨著料漿濃度的進(jìn)一步增大，料漿中絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加緊密，逐漸形成絮狀結(jié)構(gòu)，料漿黏滯阻力和管壁摩擦作用進(jìn)一步增強(qiáng)，料漿平均流速增長速率變緩。料漿濃度為69%時(shí)，料漿平均流速達(dá)到極大值。此后，隨著料漿濃度的增大，料漿平均流速逐漸減小。

3.4 濃度對(duì)料漿流動(dòng)壓力損失的影響

導(dǎo)出不同濃度料漿最大壓力和最小壓力，計(jì)算料漿流動(dòng)壓力損失，如表2 所示。繪制不同濃度料漿在200 mm 管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，壓力損失隨濃度的變化趨勢圖，如圖5 所示。

圖5 壓力損失隨料漿濃度變化趨勢Fig.5 Variation trend of pressure loss along with slurry concentration

由圖4 可知，當(dāng)料漿濃度小于64%時(shí)，全尾砂充填料漿在200 mm 管道內(nèi)呈牛頓體流動(dòng)，壓力損失隨濃度呈線性增長趨勢;料漿濃度由64%增大至66%時(shí)，料漿處于從牛頓體向偽塑性體轉(zhuǎn)變的過程，壓力損失增長速率減小;料漿濃度由66%增大至68%時(shí)，料漿偽塑性體狀態(tài)形成，管壁摩擦損失和黏滯阻力顯著增加，壓力損失快速增大;料漿濃度大于68%時(shí)，料漿由偽塑性體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍嗡苄泽w或賓漢體，黏滯阻力繼續(xù)增大，但管壁處出現(xiàn)潤滑層，壓力損失增長緩慢。

4 結(jié) 論

在充填倍線為3，灰砂比為1 ∶6，入口流速為1.769 m/s 的條件下，隨著濃度的增大，超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填料漿在200 mm 管道內(nèi)的流動(dòng)表現(xiàn)出以下規(guī)律。

(1)料漿濃度小于68%時(shí)，隨著料漿濃度的增大，豎直管道內(nèi)流核寬度逐漸減小，彎管內(nèi)空蝕區(qū)范圍逐漸增大;料漿濃度大于68%時(shí)，豎直管道內(nèi)流核寬度和彎管空蝕區(qū)范圍幾乎不變。

(2)隨著料漿濃度的增大，料漿平均流速呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，料漿濃度為69%時(shí)料漿流速達(dá)到最大。當(dāng)料漿濃度小于64%時(shí)，料漿平均流速線性增長;料漿流速大于66%時(shí)，料漿平均流速變化曲線為一條開口向下的拋物線;當(dāng)料漿濃度由64%增加至66%，料漿流速增長緩慢。

(3)隨著料漿濃度的增大，壓力損失整體呈現(xiàn)增大的趨勢;料漿濃度小于64%時(shí)，壓力損失隨料漿濃度呈線性增長趨勢;料漿濃度由64%增加至66%，壓力損失增長緩慢;料漿濃度大于66%時(shí)，壓力損失快速增大，濃度大于68%時(shí)，壓力損失增長速率變緩。

(4)通過分析料漿平均流速和壓力損失受料漿濃度變化的影響，可知64%濃度和68%濃度是料漿在200 mm 直徑管道內(nèi)流動(dòng)型態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界濃度，200 mm 直徑管道輸送超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填料漿的最佳濃度為66%。

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