高 鋒，甘德清，邵靜靜

（1.河北聯(lián)合大學(xué)，河北唐山063009；2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山063009）

充填料漿管道輸送數(shù)值模擬研究評(píng)述

高 鋒*1，甘德清1,2，邵靜靜1

（1.河北聯(lián)合大學(xué)，河北唐山063009；2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山063009）

以金屬礦山充填開(kāi)采料漿管道輸送為背景，分析了充填料漿管道輸送數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。重點(diǎn)介紹了ANSYS FLUENT，ANSYS FLOTRAN，F(xiàn)LOW-3D三種流體力學(xué)軟件和基于計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言的數(shù)值仿真模擬技術(shù)，總結(jié)了基于不同數(shù)值模擬技術(shù)的最具有代表性的最新研究成果，歸納分析相關(guān)結(jié)論，論證了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)是研究充填料漿管道輸送的有效工具?？隙藬?shù)值模擬研究技術(shù)在充填管道輸送研究中具有可靠、便捷、精確度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)指出當(dāng)前礦山管道輸送仿真模擬存在的不足，對(duì)利用流體力學(xué)軟件進(jìn)行充填料漿管道輸送的研究起到一定的指導(dǎo)作用。

充填料漿；管道；輸送；數(shù)值模擬

1 概述

隨著淺部礦體日益枯竭，我國(guó)90%的地下礦山面臨深部或“三下”礦體開(kāi)采，為解決深井開(kāi)采“三高”問(wèn)題和“三下”開(kāi)采的技術(shù)難題，很多地下金屬非金屬礦山選用充填采礦法，如安慶銅礦、新村煤礦、冬瓜山銅礦等。充填系統(tǒng)包括充填料漿濃縮與制備、料漿輸送和采區(qū)充填3大系統(tǒng)。充填料漿管道輸送系統(tǒng)是連接充填站和采場(chǎng)的紐帶，對(duì)保證礦山充填效率和采充平衡至關(guān)重要。受料漿濃度、流速與壓力、物料摩擦與腐蝕、管道長(zhǎng)度與直徑、管道材質(zhì)、安裝質(zhì)量等因素的影響，充填料漿輸送管道成為充填系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。充填管道穩(wěn)定性失效的模式主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：管壁磨損、管道堵塞與爆裂[1-6]。

充填料漿管道輸送研究的常用方法有經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算與理論分析、實(shí)驗(yàn)室充填環(huán)管試驗(yàn)、礦山半工業(yè)管道輸送試驗(yàn)以及充填工業(yè)試驗(yàn)等。由于研究條件的不同，充填管道輸送特性參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式均具有一定的局限性，使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值偏差較大；實(shí)驗(yàn)室充填環(huán)管試驗(yàn)受空間和比例尺的限制，難以按礦山充填倍線的要求進(jìn)行管道自流輸送的相似模擬試驗(yàn)；礦山半工業(yè)管道輸送試驗(yàn)以及充填工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果可靠，但試驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜、成本高、經(jīng)歷時(shí)間長(zhǎng)，影響礦山的投產(chǎn)時(shí)間。隨著計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)的發(fā)展，許多流體力學(xué)軟件得以開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，直接促進(jìn)了充填料漿管道輸送方面的研究。

2 基于數(shù)值模擬的充填料漿管道輸送研究

研究充填料漿管道輸送的流體力學(xué)軟件主要有ANSYS FLUENT、ANSTS FLOTRAN、FLOW-3D等，有些學(xué)者利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程技術(shù)研究充填料漿管道輸送穩(wěn)定性。

2.1 基于FLUENT的充填管道輸送研究

FLUENT由ANSYS.Inc.公司開(kāi)發(fā)，是一個(gè)用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域的流體流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象的專用軟件，基于CFD（Computational Fluid Dynamics計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）軟件的思想設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)發(fā)展到FLUENT14.0版本。FLUENT軟件用來(lái)模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)，采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，求解時(shí)能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度，而且擁有強(qiáng)大的前、后處理功能，ANSYS FLUENT管道輸送模型網(wǎng)格劃分均勻細(xì)密，計(jì)算精度高，特別是對(duì)于湍流的計(jì)算更符合實(shí)際情況[7]。

北京科技大學(xué)吳迪，蔡嗣經(jīng)等[8]運(yùn)用FLUENT數(shù)值模擬軟件研究充填料漿濃度及流量對(duì)其管道輸送的影響，著重對(duì)管道系統(tǒng)的阻力損失及彎管受力情況進(jìn)行分析。模擬結(jié)果認(rèn)為：在充填料漿流量一定的條件下，管道自流輸送的阻力損失隨著料漿濃度的增大而增大；當(dāng)料漿濃度超過(guò)一定值時(shí)，容易引起充填管道的堵塞；在充填料漿濃度一定的條件下，管道自流輸送的阻力損失和彎管壁面的受力隨著料漿流量的增大而增大；當(dāng)料漿流量過(guò)大時(shí)，會(huì)超過(guò)充填管道的輸送能力而引起管道堵塞，同時(shí)彎管拐彎部分也會(huì)有跑漿甚至爆管的可能。

長(zhǎng)砂礦山研究院鄧代強(qiáng)，湖南科技大學(xué)朱永建等[9]結(jié)合冬瓜山銅礦充填系統(tǒng)，灰砂比不變，使用FLUENT2dd軟件模擬不同濃度料漿在不同部位流動(dòng)的管道壓強(qiáng)、流速等參數(shù)的變化規(guī)律。研究認(rèn)為：料漿濃度較高時(shí)，最大流速偏移小，管道磨損小，料漿入口處斷面徑向壓強(qiáng)呈拋物線分布，但堵管風(fēng)險(xiǎn)增加；濃度較低時(shí)，流速發(fā)生偏移，料漿進(jìn)口處管周邊與中心處壓強(qiáng)差大幅減小，管道磨損加劇，充填質(zhì)量降低；在彎管處，流速呈外側(cè)小內(nèi)側(cè)大的梯度分布；濃度為70%～74%的料漿流動(dòng)性能好，輸送可靠性高。

研究結(jié)果證實(shí)，ANSYS FLUENT軟件的模擬結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際相吻合，塌落度試驗(yàn)、自然沉降試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證了利用該軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的可靠性，可為礦山充填料漿管道輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、管理與維護(hù)提供合理的依據(jù)。

2.2 基于ANSTS FLOTRAN的充填管道輸送研究

ANSYS程序中的FLOTRAN CFD分析功能是一個(gè)用于二維及三維流體流動(dòng)場(chǎng)的先進(jìn)工具，使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID141和FLUID142單元，能夠很好的解決彎管中流體的復(fù)雜的三維流動(dòng)，如彎管及直管中料漿流速分布問(wèn)題、料漿中骨料運(yùn)行軌跡計(jì)算等。FLOTRAN分析高濃度料漿管道輸送有如下7個(gè)主要步驟：確定問(wèn)題的區(qū)域、確定流體的狀態(tài)、生成有限元網(wǎng)格、施加料漿和管道邊界條件、設(shè)置FLOTRAN分析參數(shù)、求解和反饋、檢查結(jié)果[10]。

長(zhǎng)砂有色冶金設(shè)計(jì)研究院陶平凱[11-12]結(jié)合黃砂坪礦深部礦體開(kāi)采的具體情況，給出一整套高濃度充填料漿管道輸送參數(shù)的計(jì)算方法和思路，在管道輸送系統(tǒng)中具有較高的參考價(jià)值。用FLOTRAN軟件模擬驗(yàn)證管道自流輸送的可行性和管道的可靠性，指出該礦全程最大流速在20m水平充填彎管附近。FLOTRAN軟件的模擬結(jié)果得出：管道直徑對(duì)管道壓力的影響最大，料漿流速次之，料漿濃度的影響最??；組合管對(duì)于高靜壓的深井充填來(lái)說(shuō)，更加有利于充填料漿滿管輸送。

中南大學(xué)王新民、丁德強(qiáng)等[13-14]利用FLOTRAN軟件，對(duì)孫村煤礦膏體充填管道阻力損失與其主要影響因素（濃度和有效粘度）進(jìn)行直觀性強(qiáng)的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)阻力損失隨管道總長(zhǎng)度、膏體初速度、膏體密度和有效黏度的增加而增大；管道內(nèi)膏體流速基本穩(wěn)定，呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)流特點(diǎn)，但在彎管處自外側(cè)向內(nèi)側(cè)流速逐漸增大。

利用FLOTRAN軟件進(jìn)行管道輸送關(guān)鍵參數(shù)模擬與分析，得出的一系列結(jié)果，符合科學(xué)規(guī)律，基于膏體充填力學(xué)參數(shù)的研究結(jié)果與實(shí)際相符合，證實(shí)了FLOTRAN軟件的有效性。

2.3 基于FLOW-3D的充填管道輸送研究

FLOW-3D是由美國(guó)流動(dòng)科學(xué)公司開(kāi)發(fā)的具有高真度流體動(dòng)力學(xué)模型的三維流體動(dòng)力學(xué)和傳熱分析軟件，能夠真實(shí)的模擬管道中漿體的流動(dòng)特性和力學(xué)特征[15]。FLOW-3D軟件具有結(jié)構(gòu)式有限差分法網(wǎng)格，多區(qū)塊網(wǎng)格技術(shù)，支持嵌入式或者是連接式網(wǎng)格區(qū)塊技術(shù)，自由網(wǎng)格設(shè)定技術(shù)等，可讀入多種CAD格式圖檔，能夠高效率并且精確的定義幾何外型，支持兩相流的管內(nèi)流、管外流和自由液面流動(dòng)的多種維度計(jì)算。根據(jù)流體動(dòng)力物理定律，軟件主要包含3大方程：常規(guī)的連續(xù)質(zhì)量方程、添加附加項(xiàng)的流體3個(gè)坐標(biāo)分量相對(duì)應(yīng)的N-S方程、可壓縮流體或熱量流動(dòng)問(wèn)題的內(nèi)部能量方程[16-17]。

中南大學(xué)王新民、張德明等[18]結(jié)合金川龍首礦的實(shí)際情況，開(kāi)發(fā)應(yīng)用該軟件針對(duì)不同的充填倍線，進(jìn)行管道壓力、管道中料漿流速和彎管壓力變化3個(gè)方面的分析研究。膏體在管道中滿管流動(dòng)，隨著充填倍線的增加，進(jìn)出口壓力不斷減少，充填系統(tǒng)的流量（流速）相應(yīng)減小，彎管連接處局部壓力先減小后增大，而進(jìn)口壓力相對(duì)于出口壓力沒(méi)有什么變化，系統(tǒng)的工作流速需保證充填系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的前提下達(dá)到最大。

通過(guò)FLOW-3D研究充填料漿深井管道自流輸送，模擬結(jié)果準(zhǔn)確，精度高，解決了物理實(shí)驗(yàn)室模擬深井自流充填系統(tǒng)的難題，為大倍線管道自流輸送研究提供了經(jīng)驗(yàn)。

2.4 充填管道輸送計(jì)算機(jī)編程仿真模擬技術(shù)

北京科技大學(xué)李國(guó)政、中國(guó)有色工程設(shè)計(jì)研究總院于潤(rùn)滄[19]運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式，參考大量的充填礦山的資料，采用Delphi7編程語(yǔ)言，建立了尾砂料漿充填環(huán)管實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)仿真模型，包括仿真的初始條件、仿真過(guò)程和結(jié)果可視化輸出3個(gè)部分。與現(xiàn)實(shí)的環(huán)管試驗(yàn)參數(shù)比較，管理阻力參數(shù)仿真結(jié)果的誤差較小，該仿真軟件仍在不斷改進(jìn)之中。仿真算法流程如圖1所示。

中南大學(xué)何哲祥等[20]分析了大倍線礦山自流輸送充填、膏體泵送充填經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了料漿管道擠壓輸送方式，如圖2所示。運(yùn)用Visual Basic語(yǔ)言編制計(jì)算機(jī)程序，模擬活塞運(yùn)動(dòng)周期，以及曲柄半徑和入口管道長(zhǎng)度變化時(shí)，充填料漿在擠壓輸送下的流動(dòng)狀態(tài)和流動(dòng)方向。

圖1 環(huán)管實(shí)驗(yàn)?zāi)M計(jì)算流程

圖2 管道擠壓輸送充填示意圖

采用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程的方式，建立充填料漿管道輸送仿真模型，可以根據(jù)研究人員的需要控制模擬的各個(gè)步驟，有效調(diào)節(jié)計(jì)算精度，輸出準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果、圖形等。

3 總結(jié)

（1）利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行充填料漿管道輸送研究，其邊界條件一般為：管道內(nèi)滿管流動(dòng)，充填料漿的黏度不隨時(shí)間、位置、溫度的變化而變化，流體在流動(dòng)的過(guò)程中不發(fā)生熱交換，管道不振動(dòng)，不受地壓波動(dòng)的影響等。

（2）高濃度充填料漿管道輸送數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展較快，數(shù)值模擬的結(jié)果與生產(chǎn)中觀察到的現(xiàn)象相吻合，與物理試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)相差在允許范圍內(nèi)，證明數(shù)值模擬技術(shù)可靠、快速、有效，可替代部分物理模擬試驗(yàn)。但是數(shù)值模型的邊界條件簡(jiǎn)單和理想化，對(duì)局部管道的壓力和料漿流動(dòng)狀態(tài)仍限于彎管，對(duì)其他薄弱環(huán)節(jié)研究較少，如管道接口、管道內(nèi)料漿自由落體階段，管道內(nèi)非滿管流動(dòng)階段，鉆孔偏斜階段管道等。

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TD862

A

1004-5716(2015)06-0160-04

2014-06-23

2014-06-24

國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局“超大規(guī)模超深井金屬礦山開(kāi)采安全礦山技術(shù)”研究項(xiàng)目。

高鋒（1988-），男（漢族），安徽淮北人，河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：礦業(yè)工程。