高粘性松散礦巖放礦數(shù)值模擬研究

仵鋒鋒,萬琳輝,肖鳳元

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院, 湖南長(zhǎng)沙 410012;2.中南大學(xué), 湖南長(zhǎng)沙 410083)

高粘性松散礦巖放礦數(shù)值模擬研究

仵鋒鋒1,萬琳輝2,肖鳳元1

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院, 湖南長(zhǎng)沙 410012;2.中南大學(xué), 湖南長(zhǎng)沙 410083)

高粘性松散礦巖作為一種特殊的物質(zhì),對(duì)其放礦規(guī)律進(jìn)行研究具有重要的代表意義。利用數(shù)值模擬軟件對(duì)礦巖物質(zhì)在礦倉中的流動(dòng)進(jìn)行了模擬,通過不同的漏斗壁面摩擦系數(shù)和有無振動(dòng)情況下的一系列數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)改變料倉壁的摩擦系數(shù)和使用振動(dòng),可以達(dá)到礦巖助流的目的。

高粘性松散礦巖;放礦規(guī)律;數(shù)值模擬;振動(dòng)放礦;助流機(jī)理

大量礦巖組成的高粘性松散體系具有許多不同于固、液、氣物質(zhì)的奇特現(xiàn)象和獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,其作為一種特殊的物質(zhì),對(duì)其放礦規(guī)律進(jìn)行研究具有重要的代表意義,對(duì)高粘性松散礦巖放礦過程中的物質(zhì)流動(dòng)性及其助流機(jī)理的研究具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用背景[1～8]。

本文利用數(shù)值模擬軟件做放礦過程的數(shù)值模擬,檢測(cè)不同的漏斗壁摩擦系數(shù)和有無振動(dòng)情況下,放礦過程中的物質(zhì)流動(dòng)情況、物質(zhì)之間的接觸應(yīng)力、漏斗壁面的壓力等的變化,研究不同條件下鋁土礦礦倉礦石的粘倉、成拱機(jī)理,為研究高粘性松散礦巖流動(dòng)機(jī)理和助流方法的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 模型的建立

根據(jù)計(jì)算精度、計(jì)算速度和計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的要求,建立圖1、圖2、圖3所示的計(jì)算模型。根據(jù)相似條件,漏斗模型與原型的幾何相似比為1∶100,物質(zhì)的半徑分布為0.05～0.075mm,模型中充填物質(zhì)的數(shù)量為5000個(gè)。對(duì)于振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?在圖3所示位置設(shè)置振動(dòng)源,振動(dòng)頻率為70Hz,振幅為2mm,然后進(jìn)行放礦,觀察振動(dòng)情況下的放礦過程,并與無振動(dòng)情況下的放礦進(jìn)行比較。

為了觀測(cè)放料過程中料倉壁壓力的變化情況,在圖1所示的“墻”4,5,6,7,8,9,10,11處分別設(shè)置了8個(gè)虛擬的壓力傳感器元件。本實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 主要物理力學(xué)參數(shù)

料倉內(nèi)物質(zhì)生成并壓緊后處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的分布見圖2。料倉中整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)不平衡力從物質(zhì)生成到靜止過程中的變化見圖4,從圖4可以看出,當(dāng)物質(zhì)靜止時(shí),系統(tǒng)內(nèi)的不平衡力為0。

圖4 物質(zhì)由生成到靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的不平衡力

2 模擬放礦過程

2.1 不同的漏斗壁面摩擦系數(shù)下的物質(zhì)流動(dòng)

圖5為漏斗壁面摩擦系數(shù)分別為0.1和1.0時(shí),3種典型的流態(tài)圖及其對(duì)應(yīng)的接觸力;圖6為漏斗壁面摩擦系數(shù)為0.1和1.0時(shí),各監(jiān)測(cè)面的X軸方向的壓力變化曲線。

2.2 有無振動(dòng)情況下物質(zhì)的流動(dòng)

圖7為沒有安裝振動(dòng)和安裝振動(dòng)兩種情況下的3種典型流態(tài)圖及其對(duì)應(yīng)的接觸力。

3 結(jié)果及分析

(1)從物質(zhì)流動(dòng)過程的速度監(jiān)測(cè)可以看出,在物質(zhì)隨機(jī)分布的情況下,物質(zhì)在流動(dòng)過程中的速度是沒有規(guī)律的,速度的大小和方向都隨時(shí)發(fā)生著改變。整體而言,位于料倉上半部物質(zhì)內(nèi)的壓力拱并不明顯,壓力比較均勻,這部分物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度基本上是一致的,處于整體流動(dòng)狀態(tài);而在料倉下半部分,由于動(dòng)態(tài)壓力拱的產(chǎn)生并伴隨壓力釋放現(xiàn)象,這部分物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度變化很大,不斷有管狀流動(dòng)區(qū)形成。

圖5 不同的漏斗壁面摩擦系數(shù)下3種典型的流態(tài)圖及其對(duì)應(yīng)的接觸壓力

(2)由圖5和圖6可以看出,料倉卸料過程中,筒倉內(nèi)的壓力網(wǎng)絡(luò)線也有不同的分布,不同的壓力網(wǎng)絡(luò)線表明了料倉下部物質(zhì)之間存在接觸力,而且物質(zhì)對(duì)倉壁的側(cè)壓力比上部大;在料倉口附近的壓力網(wǎng)絡(luò)線比較粗而且結(jié)成拱形,該拱形并不穩(wěn)定,并且在放料過程中隨著物料的流動(dòng)不斷發(fā)生變化,特別是漏斗豎直壁面與傾斜壁面的交接處,接觸壓力網(wǎng)絡(luò)線明顯最粗,且壓力拱也最為明顯,因此,此處容易形成流動(dòng)死角,直接影響了礦石的流動(dòng)性。

(3)從立筒倉卸料過程115萬步、515萬步和915萬步時(shí)的流態(tài)圖和接觸力示意圖看出,漏斗的壁面摩擦系數(shù)越小,物質(zhì)越容易放出。在運(yùn)行相同的步數(shù)915萬步的情況下,壁面摩擦系數(shù)為0.1,放出的物質(zhì)數(shù)為1586,壁面摩擦系數(shù)為1.0,放出的物質(zhì)數(shù)為1257。因此漏斗壁面摩擦系數(shù)越小,物質(zhì)的流動(dòng)性也越好,其流動(dòng)的速度也越大,物質(zhì)與物質(zhì)之間以及物質(zhì)與墻體之間的接觸力也越大,但物質(zhì)流動(dòng)的形態(tài)基本一致(主要為整體流動(dòng)或管狀流動(dòng)與整體流動(dòng)混合流動(dòng)狀態(tài))。

(4)圖7(a)、7(b)相比,表明安裝了振動(dòng)助流體后物質(zhì)的流動(dòng)形式得到顯著改變,在筒倉筒體部分的物質(zhì)呈整體流動(dòng),而在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處,物質(zhì)不是嚴(yán)格的整體流動(dòng),但料斗內(nèi)所有的物質(zhì)都在流動(dòng),不存在死區(qū)與結(jié)拱現(xiàn)象?？梢娂尤胝駝?dòng)以后可以消除結(jié)拱、使物質(zhì)能夠連續(xù)流出。這是因?yàn)檎駝?dòng)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行了松散,破壞了拱腳,減少了結(jié)拱的機(jī)率。

4 結(jié) 論

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)漏斗下部接觸壓力比較大,容易結(jié)拱;對(duì)不同的漏斗壁面摩擦系數(shù)和有無振動(dòng)情況下的放礦進(jìn)行了數(shù)值模擬,可以看出,在漏斗內(nèi)壁摩擦系數(shù)為0.1時(shí),物質(zhì)的流動(dòng)情況比在漏斗壁面摩擦系數(shù)為1.0時(shí)的流動(dòng)性好得多,在振動(dòng)情況下物質(zhì)的流動(dòng)性比沒有振動(dòng)時(shí)有明顯的改善?？梢?在漏斗內(nèi)安裝光滑襯壁和安裝振動(dòng)元件可以達(dá)到改善礦石流動(dòng)性的目的。

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2010-01-11)

仵鋒鋒(1982-),男,甘肅慶陽人,助理工程師,主要從事采礦工藝研究,Email:wufengfeng2001@163.com。