基于FLUENT的磷石膏膏體充填料漿管道輸送模擬

侯 俊 程文文 張小瑞 趙 龍

(長春黃金研究院有限公司)

隨著充填技術(shù)的日益完善，泵送膏體充填工藝被越來越多的礦山使用。該工藝將一種或多種充填材料與水進(jìn)行優(yōu)化組合，配制成具有良好穩(wěn)定性、流動(dòng)性和可塑性的膏狀流體，在重力或外加力(泵壓)作用下以柱塞流的形態(tài)輸送到采空區(qū)或離層區(qū)[1]，形成以膏體充填體為主的上覆巖層支撐體系，有效控制地表建筑物沉陷在允許值范圍內(nèi)，保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和地下水資源[2-3]。和普通膠結(jié)充填相比，膏體充填的最大的優(yōu)點(diǎn)是充入采場或采空區(qū)后，基本不需要脫水，克服了普通膠結(jié)充填脫水率高的缺點(diǎn)。貴州開磷集團(tuán)計(jì)劃采用磷石膏廢料與黃磷渣混合制成膏體輸送到井下，既解決了大量磷石膏廢料的地表堆積，也降低了井下排水費(fèi)用，保證井下安全生產(chǎn)。但是此法也存在一些難點(diǎn)，例如如何確定磷石膏充填料漿膏體濃度范圍，膏體充填料漿能否順利輸送到采場，充填料漿在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。因此，研究磷石膏膏體充填料漿管道輸送特性對指導(dǎo)礦山充填生產(chǎn)具有重大的意義。

隨著電子信息技術(shù)迅猛發(fā)展，料漿數(shù)值模擬技術(shù)被廣泛應(yīng)用，F(xiàn)LUENT是一款基于有限體積法原理用于流體特性分析的專業(yè)軟件[4]。鄧代強(qiáng)等[5]通過FLUENT軟件研究L型管數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，但L型管與礦山實(shí)際生產(chǎn)情況不符；黃玉誠等[6]通過數(shù)值模擬手段分析漿體在彎管處壓力、流速分布，但并未分析漿體在管道內(nèi)整體輸送情況；WANG等[7]應(yīng)用此軟件分析料漿在深井煤礦自流充填系統(tǒng)中的流速分布，但沒有分析漿體在管道各處的受力情況；張欽禮等[8]以孫村煤礦為研究對象，分析煤矸石充填料漿的特性，但僅分析料漿輸送的整體過程；吳迪等利用FLUENT軟件系統(tǒng)分析了對低濃度充填料漿在管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)以及沿程阻力損失。

基于以上分析，本文針對磷石膏廢料與黃磷渣混合配制膏體充填料漿，應(yīng)用FLUENT軟件模擬礦山實(shí)際充填情況，分析不同濃度漿體進(jìn)出口壓力差異，研究管道內(nèi)流速、壓力變化情況，以驗(yàn)證室內(nèi)實(shí)驗(yàn)磷石膏充填料漿膏體濃度的范圍，確定膏體充填料漿管道輸送過程中容易發(fā)生事故的位置，找出解決問題的方法，為礦山的安全生產(chǎn)提供保障。

1 磷石膏充填料漿物理性質(zhì)及膏體濃度的確定

此次模擬選用磷石膏與黃磷渣為充填骨料，2種材料的物理性質(zhì)及粒級組成見表1、表2。

通過進(jìn)行磷石膏充填料漿泌水實(shí)驗(yàn)，得出不同濃度充填料漿的泌水率，見表3。通過理論分析，漿體泌水率在1.5%～5%，即稱為膏體。

由表3測得的數(shù)據(jù)回歸泌水率與充填料漿濃度關(guān)系式見式(1)，復(fù)相關(guān)系數(shù)R= 0.998 5。

Y=-0.382 0X+28.258 ,

(1)

式中，Y為泌水率，%；X為充填料漿濃度，%。

表1 磷石膏與黃磷渣的基本物理性質(zhì)

表2 磷石膏與黃磷渣的不同粒徑組成

表3 不同磷石膏充填料漿濃度的泌水率 %

根據(jù)式(1)，若定義膏體的泌水率范圍為1.5%～5%，則對應(yīng)的充填料漿濃度區(qū)間為61.21%～70.41%，可認(rèn)為符合膏體泌水率要求。故此次磷石膏膏體管道輸送模擬實(shí)驗(yàn)的濃度選擇55%、60%、63%、65%。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 FLUENT軟件簡介

FLUENT 軟件由5方面構(gòu)成：GAMBIT的主要功能是建立模型和生成網(wǎng)格；prePDF為精確的仿真用PDF燃燒的流程；TGrid根據(jù)已經(jīng)存在的邊界網(wǎng)格進(jìn)而劃分出體網(wǎng)格；Filters(Translators)可以將不同程序的網(wǎng)格轉(zhuǎn)變?yōu)镕LUENT網(wǎng)格；FLUNENT為主要的流動(dòng)模型的計(jì)算程序[9]。

2.2 模擬參數(shù)設(shè)定

在模擬磷石膏膏體充填料漿管道輸送的過程中，可認(rèn)為料漿在輸送時(shí)無熱交換，漿體為滿管輸送且無能量損失。選取黃磷渣混合粉與磷石膏配比1∶5，濃度55%、60%、63%和65%的充填料漿進(jìn)行FLUENT模擬，分析漿體在管道內(nèi)壓強(qiáng)、流速等物理參數(shù)的變化。

料漿流速計(jì)算公式為

(2)

式中，D為管道內(nèi)徑，mm;Q為充填料漿流量,m3/h。

漿體流動(dòng)時(shí)雷諾數(shù)公式為

Re=ρVD/η,

(3)

式中，Re為雷諾數(shù)；ρ為料漿密度,t/m3；η為料漿黏度系數(shù)，Pa·s；D為管道內(nèi)徑,mm。

由式(2)計(jì)算得出，當(dāng)流量Q為90 m3/h時(shí)，料漿入口流速V=1.6 m/s，料漿黏性系數(shù)由磷石膏膏體充填料漿環(huán)管試驗(yàn)測得。由式(3)計(jì)算得出配比1∶5不同濃度充填料漿流動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)，見表4。根據(jù)流體力學(xué)理論，Re<2 300可判斷充填料漿在管道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)均為層流。

表4 配比1∶5磷石膏充填料漿流變參數(shù)和雷諾數(shù)

2.3 管道幾何模型確定及網(wǎng)格劃分

磷石膏膏體管道輸送數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)充填料漿濃度為55%、60%、63%和65%，根據(jù)礦山實(shí)際生產(chǎn)情況建立模型，見圖1。充填料漿首先通過豎直長80 m、直徑125 mm 的直管，直管下端連接一個(gè)轉(zhuǎn)彎半徑為500 mm的彎管，彎管出口連接的水平直管直徑變?yōu)?00 mm，長800 m，隨后豎直向下布置長20 m、直徑100 mm 的管道，最后料漿通過長400 m、直徑100 mm的水平直管接入采場。管道全程設(shè)立5個(gè)觀察位置，分別為料漿入口、80 m豎直管下端連接的1#彎管、20 m豎直管上端連接的2#彎管、20 m豎直管上端連接的3#彎管、料漿出口。建立好的模型通過Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并定義邊界條件，管道模型的入口選擇速度入口，填入初始初速度為1.6 m/s，水平出口條件為自由出口邊界,模擬的外界條件為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，設(shè)定重力加速度為Y軸負(fù)方向，9.8 m/s2。將劃分好的網(wǎng)格進(jìn)行保存，用于FLUENT計(jì)算。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.4.1 流速分布規(guī)律

以濃度63%、配比1∶5的高濃度磷石膏充填漿體為例，分析在管道不同位置的流速分布規(guī)律，見圖2?？梢钥闯?，管道內(nèi)漿體流速的整體分布比較均勻，流動(dòng)比較平穩(wěn)，在靠近管壁處的整體流速較低，但是在彎管處料漿的流速變化較大，當(dāng)料漿進(jìn)入管道，流速開始增加，通過仔細(xì)觀察對比，料漿在彎管中流速最大的位置通常在彎管出口1/3處。對比豎直管底部的2個(gè)彎頭可以發(fā)現(xiàn)，1#彎管的速度變化尤為劇烈，原因一是1#彎管前的豎直管較長，原因二是1#彎管后，管徑尺寸由125 mm變?yōu)?00 mm，通過這個(gè)現(xiàn)象可以說明，突然變化管徑會(huì)導(dǎo)致料漿在管道中的流速不穩(wěn)定。

圖1 管道輸送模型

圖2 濃度63%磷石膏料漿的速度分布

通過對比60%和65%濃度磷石膏漿體，料漿最大流速均出現(xiàn)在80 m豎直管的下部彎管(圖3)，尤其60%濃度磷石膏漿體最大流速達(dá)到5.6 m/s，分析原因?yàn)闈舛容^大的料漿由于受到剪切應(yīng)力較大，所以流速不會(huì)增加得特別多，在彎管處也是一樣的道理，而濃度較低的漿體受到較小的剪切力，在管道內(nèi)流速大小和方向變化都比較顯著，所以充填料漿對管壁的摩擦和沖撞會(huì)更加嚴(yán)重。

2.4.2 管道壓力分布規(guī)律

模擬結(jié)果顯示不同濃度充填料漿壓力分布規(guī)律類似，以濃度63%、配比1∶5的磷石膏充填料漿為例，分析料漿在不同位置的壓力分布，見圖4?？梢钥闯觯瑝毫ψ畲蟮奈恢镁霈F(xiàn)在80 m豎直管道的底部，大概位于底部彎頭出口的1/3處或與φ100 mm水平管道連接處附近。結(jié)合流速分析結(jié)果，推斷充填管道磨損最嚴(yán)重的部位正是這個(gè)位置，由此可見，1#彎頭的位置是整個(gè)管道最關(guān)鍵的部位。

圖3 1#彎頭處不同濃度磷石膏料漿的速度分布

圖4 濃度63%磷石膏料漿的壓力分布

2.4.3 管道進(jìn)出口壓力

管道中料漿流動(dòng)的動(dòng)壓是由管道進(jìn)出口壓差提供，流速隨著壓差的增大而加快。磷石膏充填料漿濃度提高時(shí)，在管道入口中心處的料漿受到剪切應(yīng)力的作用，其分布呈拱形特征，同時(shí)料漿受重力作用向管壁處擠壓，管道中心周圍的壓力逐漸減??；濃度低的磷石膏漿體，除靠近管壁的位置外，管道中心周邊處的壓力差明顯減小，不同濃度磷石膏料漿進(jìn)口壓力分布見圖5。對于出口位置壓力，由于管道中心處受管道摩擦作用最小，因此，這個(gè)位置的管道總壓力最大，相應(yīng)的流速也最大；由于重力作用，當(dāng)磷石膏充填料漿濃度較低時(shí)，出口位置上部的壓力要略小于對稱位置下部的壓力；當(dāng)磷石膏充填料漿濃度較高時(shí)，出口位置上部的壓力也略小于對稱位置下部的壓力，同時(shí)，總壓力較低濃度料漿大。不同濃度磷石膏料漿出口壓力分布見圖6。

圖5 不同濃度磷石膏料漿的進(jìn)口壓力分布

圖6 不同濃度磷石膏料漿的出口壓力分布

3 結(jié) 論

由磷石膏充填料漿泌水實(shí)驗(yàn)大體確定膏體濃度范圍為61.21%～70.41%。以此膏體濃度范圍為依據(jù)，結(jié)合環(huán)管試驗(yàn)得到磷石膏充填料漿的流變參數(shù)，對其在管道內(nèi)流動(dòng)特性進(jìn)行分析。通過FLUENT模擬，獲得充填料漿在充填管道內(nèi)不同位置的壓力、流速變化規(guī)律。料漿在彎管處的流速較大，料漿顆粒運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變會(huì)對充填管道造成較大的磨損；當(dāng)充填管徑發(fā)生變化時(shí)，會(huì)造成充填料漿流速不穩(wěn)定；料漿在輸送過程中壓力最大的位置均出現(xiàn)在豎直管道與彎管結(jié)合部，大概位于底部彎頭出口的1/3處，推斷此處為充填管道磨損最嚴(yán)重的部位，所以在礦山實(shí)際生產(chǎn)的過程中，在這個(gè)部位應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)慕祲捍胧?，不僅可以降低此處的流速，同時(shí)也可釋放管道的壓力。數(shù)值模擬結(jié)果為解決礦山充填實(shí)際問題提供了理論依據(jù)。

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