歷 佟 張治強(qiáng),2 李 丹 張希巍

(1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,遼寧 鞍山 114051;2.遼寧省金屬礦產(chǎn)資源綠色開(kāi)采工程研究中心,遼寧 鞍山 114051;3.深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110819)

隨著淺層資源日益匱乏,礦山逐漸向深部開(kāi)采,充填采礦法因其可以控制低壓、減少尾礦庫(kù)的堆積、安全性高和綠色開(kāi)采等優(yōu)點(diǎn)逐漸得到深部礦山的應(yīng)用與發(fā)展[1-4]。管道輸送是充填采礦技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[5]。隨著開(kāi)采深度的增加,充填料漿管道輸送中堵管,爆管等事故風(fēng)險(xiǎn)大大增加,彎管是最容易發(fā)生堵管、爆管的部位,彎管局部阻力損失是深井充填料漿管道輸送中的一個(gè)重要問(wèn)題。

對(duì)于管道輸送,很多學(xué)者對(duì)其做出了不同的研究。閆澤鵬等[6]利用數(shù)值模擬研究大流量下的膏體管道輸送參數(shù)的最佳選擇,并建立了不同濃度下的管道阻力損失模型。鄧代強(qiáng)等[7]利用模擬的方法研究了不同濃度的充填料漿長(zhǎng)距離管道輸送的問(wèn)題,該研究為礦山的低倍線(xiàn)增阻或高倍線(xiàn)減阻提供了理論依據(jù)。張修香等[8]分析了管道自流輸送特性,研究了速度和濃度等因素對(duì)其造成的影響,也探究了這些因素對(duì)彎管部位的影響,并通過(guò)工業(yè)驗(yàn)證證明了其合理性。石宏偉等[9]通過(guò)數(shù)值模擬軟件研究深井礦山自流充填管道的磨損情況,分析了管道磨損的因素及其之間的關(guān)系。劉行等[10]利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了三紋螺旋管高濃度的充填料漿輸送模擬,探究了螺旋管道的料漿輸送特性、管道磨損的規(guī)律及管路磨損嚴(yán)重的問(wèn)題。Wang等[11]利用模擬軟件對(duì)深部煤礦管道輸送的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了分析。Zhang等[12]利用Fluent軟件分析了速度和質(zhì)量濃度對(duì)管道重力和彎曲部分特性的影響。Gu等[13]通過(guò)漿液管道輸送模擬分析探究了設(shè)計(jì)流速對(duì)管道斷面流速分布及漿液濃度變化規(guī)律的影響。

為了更好探究管道中彎管局部的阻力損失情況,本研究基于流變實(shí)驗(yàn)和COMSOL模擬軟件分析了不同濃度、管徑、初始速度、彎管曲率半徑對(duì)深井彎管局部阻力損失的影響,為深井充填料漿管道輸送彎管局部的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 流變?cè)囼?yàn)及結(jié)果

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用BROOKFIELD RST-CC高精度流變儀測(cè)量充填料漿的屈服應(yīng)力和黏度系數(shù),其優(yōu)點(diǎn)是可以降低壁面滑移效應(yīng),而且可以不破壞充填料漿體內(nèi)的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu),儀器配備V40-20型漿式轉(zhuǎn)子,控制方法分為剪切速率控制(CSS)和剪切應(yīng)力(CSR)控制2種方法,本次試驗(yàn)采用控制剪切應(yīng)力(CSR)的方法。

1.2 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用山東某礦山尾礦全尾砂,利用激光粒度儀對(duì)全尾砂的粒徑進(jìn)行測(cè)試,所測(cè)全尾砂10%、30%、60%累計(jì)質(zhì)量所對(duì)應(yīng)的粒徑分別為d10=1.65 μm、d30=6.72 μm、d60=24.10 μm,曲率系數(shù)CC=1.14,不均勻系數(shù)CU=14.61≥5,說(shuō)明全尾砂密實(shí)程度比較好,顆粒大小分布范圍大,級(jí)配良好;全尾砂的粒級(jí)分布曲線(xiàn)如圖1所示,粒度-20 μm累計(jì)含量達(dá)50%,說(shuō)明全尾砂與膠凝材料結(jié)合后有利于料漿流動(dòng)性。

圖1 粒級(jí)分布曲線(xiàn)Fig.1 Grain size distribution curve

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

全尾砂充填料漿中的灰砂比采用1∶4的比例,配制質(zhì)量濃度分別為72%,74%,76%,78%,此次試驗(yàn)流變儀采用控制剪切速率的方法,首先將裝有配制好的料漿燒杯放到流變儀的底座上,使流變儀的轉(zhuǎn)子完全進(jìn)入燒杯內(nèi),并應(yīng)使每次燒杯中的料漿攪拌均勻,放置好以后,打開(kāi)Rheo3000軟件開(kāi)始數(shù)據(jù)采集,剪切速率為100 s-1,剪切時(shí)間設(shè)置為90 s,剪切時(shí)間90 s到了以后,流變儀的轉(zhuǎn)子停止旋轉(zhuǎn),試驗(yàn)完成。

1.4 試驗(yàn)分析

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,并繪制了4組剪切應(yīng)力-剪切速率和黏度-剪切速率曲線(xiàn),如圖2和圖3所示。

圖2 剪切應(yīng)力-剪切速率曲線(xiàn)Fig.2 Shear stress-shear rate curves

圖3 黏度-剪切速率曲線(xiàn)Fig.3 Viscosity-shear rate curves

由圖2和圖3可知,當(dāng)充填料漿濃度不斷增大,料漿的屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)也隨之增大,料漿的剪切應(yīng)力-剪切速率曲線(xiàn)明顯符合賓漢姆體特征,對(duì)其剪切應(yīng)力-剪切速率曲線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性回歸擬合處理,可以獲取到4組料漿對(duì)應(yīng)的不同屈服應(yīng)力τ0和黏度系數(shù)η,結(jié)果如表1所示。

表1 不同濃度的黏度系數(shù)和屈服應(yīng)力參數(shù)Table 1 Viscosity coefficient and yield stress parameters at different concentrations

全尾砂充填料漿模型符合賓漢姆模型,賓漢姆模型表達(dá)式為

式中,τ為剪切應(yīng)力,Pa;τ0為屈服應(yīng)力,Pa;η為黏度系數(shù),Pa·s;為剪切速率,s-1。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型參數(shù)

本研究將建立基于COMSOL的充填管道,其中彎管角度為90°。彎管曲率半徑選取1、3、5、7 m;初始速度選取1.5、2.0、2.5、3.0 m/s;管徑選取140、160、180、200 mm。COMSOL軟件具有很強(qiáng)的網(wǎng)格剖分工具的編輯能力,用戶(hù)能夠根據(jù)所需調(diào)整網(wǎng)格的大小和形狀,以達(dá)到更為精確的模擬效果,具體劃分形式如圖4(a)所示。

圖4 彎管模型Fig.4 Bending model

2.2 流動(dòng)控制方程

充填料漿視為不可壓縮流體,流體一般在流動(dòng)過(guò)程中遵循連續(xù)性方程、能量方程以及動(dòng)量方程。

(1)連續(xù)性方程。

式中,ρ為料漿密度,kg/m3;u為速度矢量,m/s。

(2)動(dòng)量方程(納維-斯托克斯方程),是用來(lái)描述黏性不可壓縮流體動(dòng)量守恒的運(yùn)動(dòng)方程,通常簡(jiǎn)稱(chēng)為N-S方程。

式中,P為流體壓力,Pa;?P為壓力散度;I為流體上的質(zhì)量力,N;μ為動(dòng)力黏度,Pa·s;Δu為速度梯度。

(3)能量方程。

式中,Z、Z1為流體位置,m;P、P1為流體壓力,N;γ、γ1為料漿的容重,N/m3;g為自由落體加速度,m/s2;ν、ν1為流體速度,m/s;h為能量損失。

2.3 模型假設(shè)

基于以有限元法為基礎(chǔ)的COMSOL軟件進(jìn)行模擬,根據(jù)料漿在管道中的流動(dòng)過(guò)程做如下假設(shè):本次模擬中料漿被視為不可壓縮流體;料漿在管道中流動(dòng)時(shí)是連續(xù)的狀態(tài),且不存在流體間隙;料漿在流動(dòng)過(guò)程中與外界無(wú)熱交換。

3 結(jié)果分析

通過(guò)COMSOL的計(jì)算和后處理功能,得到管道中料漿在彎管局部的不同條件下的壓力損失,通過(guò)阻力公式計(jì)算可以得到不同條件下的沿程阻力損失值,如表2和表3所示。

表2 不同濃度條件下的阻力損失Table 2 Resistance loss at different concentrations

3.1 彎管部位壓力分布

以灰砂比為1∶4,質(zhì)量濃度為76%,管徑為180 mm,初始速度為2 m/s為例。圖5為彎管不同部位壓力分布。由圖5可知,彎管不同部位存在明顯的壓力梯度,越靠近彎管底部管壁壓力越大,越靠近彎管頂部管壁壓力越小,料漿剛進(jìn)入彎管部位,由于流速和重力的原因,料漿明顯地改變方向流動(dòng),開(kāi)始進(jìn)入彎管部位產(chǎn)生壓力梯度。料漿在彎管開(kāi)端處的最大壓力是1.87×104Pa,經(jīng)過(guò)彎管截面1處和彎管截面2處,最后達(dá)到彎管末端時(shí)的最大壓力是1.54×104Pa,料漿從進(jìn)入彎管開(kāi)端處經(jīng)過(guò)彎管中心,最后到達(dá)彎管末端,最大壓力區(qū)域面積再逐漸減小,隨之最小壓力區(qū)域面積再逐漸增大,料漿在不同條件下產(chǎn)生壓降,說(shuō)明料漿在彎管部位有明顯的能量損失。

3.2 濃度對(duì)彎管局部阻力損失的影響

圖6是濃度與彎管局部阻力損失之間的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖6(a)中曲線(xiàn)可以看出,濃度與阻力損失呈正相關(guān)的關(guān)系;隨著濃度的增大,彎管局部的阻力損失增長(zhǎng)速率也隨之增大;這是由于料漿的黏度系數(shù)變大,加大了料漿與彎管局部管壁的摩擦系數(shù);隨之,管壁的阻力損失增大。由圖6(b)曲線(xiàn)可知,當(dāng)濃度為72%時(shí),4條曲線(xiàn)相對(duì)密集,當(dāng)濃度為78%時(shí),4條曲線(xiàn)相對(duì)分散,說(shuō)明濃度較低時(shí),對(duì)阻力損失增長(zhǎng)率緩慢程度影響較小,濃度較高時(shí),影響較大。所以在此次研究中,建議選用74%～76%的濃度配制充填料漿。

圖6 濃度與阻力損失之間的關(guān)系Fig.6 The relationship between concentration and resistance loss

3.3 管徑對(duì)彎管局部阻力損失的影響

圖7是管徑與彎管局部阻力損失之間的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖7可知,隨著管徑的增加,阻力損失逐漸減小。當(dāng)管徑為140 mm時(shí),阻力損失達(dá)到最大,管徑為200 mm時(shí),與之相反,阻力損失達(dá)到最小;這是由于管徑越大,單位體積內(nèi)的料漿與管壁之間的接觸面積越小,料漿和管壁之間的摩擦損失及顆粒和管壁之間的碰撞的能量損失越小。所以在本研究中,應(yīng)選擇管徑較大的,為了節(jié)約成本,綜合考慮建議管徑選擇160～180 mm。

圖7 管徑與阻力損失之間的關(guān)系Fig.7 The relationship between pipe diameter and resistance loss

3.4 初始速度對(duì)彎管局部阻力損失的影響

圖8是初始速度與彎管局部阻力損失之間的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖8可知,隨著初始速度的增大,彎管部位管壁的阻力損失也隨之增大,對(duì)管壁的阻礙作用越大,速度為1.5 m/s時(shí),管壁阻力損失達(dá)到最小。在料漿達(dá)到彎管部位時(shí),料漿在豎直管道中,流速在管道半徑方向上,越靠近中心處流速越大,速度梯度分布明顯。速度過(guò)高,阻力損失增大,速度過(guò)低,易造成管道堵塞,所以在此次研究中,建議選用2.0～2.5 m/s的初始速度。

圖8 初始速度與阻力損失之間的關(guān)系Fig.8 The relationship between initial velocity and drag loss

3.5 彎管曲率半徑對(duì)彎管局部阻力損失的影響

圖9是彎管曲率半徑與彎管阻力損失之間的關(guān)系曲線(xiàn)。隨著彎管曲率半徑的增加,彎管部位所受的阻力損失逐漸減小,這是由于料漿從豎直管道進(jìn)入彎管,對(duì)彎管底部產(chǎn)生沖擊作用并改變了流速方向。流速相同時(shí),彎管曲率半徑越大,充填料漿改變方向后的流速所產(chǎn)生的沿管壁方向的速度分量越小,充填料漿之間的相互阻礙作用越大,能量損失越大。在其他條件不變的情況下,較大的彎管曲率半徑,可以緩解對(duì)管道的磨損。所以在此研究中,建議選用彎管曲率半徑為5～7 m的管道。

圖9 彎管曲率半徑與阻力損失之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between the curvature radius of bend and resistance loss

4 結(jié) 論

為了研究深井充填料漿在管道輸送過(guò)程中彎管局部的阻力損失情況,利用COMSOL模擬軟件進(jìn)行不同條件彎管局部的阻力損失情況模擬,得出如下結(jié)論:

(1)充填料漿輸送管道彎管部位阻力損失隨著料漿濃度和初始速度的增大而變大,當(dāng)濃度達(dá)到78%,初始速度達(dá)到3 m/s,彎管局部阻力損失最大,造成堵管事故風(fēng)險(xiǎn)增大。

(2)彎管局部阻力損失隨著管徑和彎管曲率半徑的增大而逐漸減小,管徑和彎管曲率半徑較大時(shí),可以減少?gòu)澒芫植康哪p。

(3)在滿(mǎn)足充填性能的要求下,以彎管局部阻力損失為參考,建議充填體濃度選用74%～76%,管道直徑建議選用160～180 mm,最佳初始速度選用2.0～2.5 m/s,彎管曲率半徑選用5～7 m。