礦井“應(yīng)急排水-快速清淤”的固液兩相流數(shù)值模擬

郝傳波， 蒲文龍， 張國華

(1.黑龍江科技大學(xué)， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 3.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

礦井“應(yīng)急排水-快速清淤”的固液兩相流數(shù)值模擬

郝傳波1， 蒲文龍2， 張國華3

(1.黑龍江科技大學(xué)， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 3.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

針對礦井水災(zāi)煤泥淤積堵塞巷道影響應(yīng)急救援時效的問題，提出“應(yīng)急排水-快速清淤”同步一體的救援新思路?；诹黧w動力學(xué)理論，選擇Eulerian多相流模型，利用Fluent對煤泥漿體固-液兩相流體進(jìn)行模擬，得到不同體積分?jǐn)?shù)煤泥在管道內(nèi)部的固體顆粒流場、壓強(qiáng)及流速分布規(guī)律。結(jié)果表明：水平管道直徑為150 mm條件下，煤泥體積分?jǐn)?shù)在25%～45%時，管道輸送效率較高；煤泥體積分?jǐn)?shù)在55%～65%時，管道接近“堵塞”狀態(tài)。為提高管道輸送效率、防止管道堵塞，可對煤泥漿體進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，改善管道進(jìn)口條件。

礦井水災(zāi)； 煤泥； 流動規(guī)律； 數(shù)值模擬

0 引 言

我國煤礦隨開采深度及強(qiáng)度增加，突水事故已成為繼瓦斯災(zāi)害之后的第二大災(zāi)害[1]。礦井水災(zāi)發(fā)生后，高壓突水裹挾大量煤泥在巷道軸向方向逐漸沉淀淤積，導(dǎo)致個別區(qū)段巷道(如巷道變坡點(diǎn))形成堵塞。當(dāng)前我國礦井水災(zāi)應(yīng)急救援存在如下關(guān)鍵問題：其一，水災(zāi)發(fā)生后，井下應(yīng)急救援程序?yàn)閼?yīng)急排水、巷道清淤、恢復(fù)巷道和搶險(xiǎn)救人。據(jù)煤礦事故統(tǒng)計(jì)和救援經(jīng)驗(yàn)，井下重大災(zāi)害第一現(xiàn)場瞬間死亡人員比例不到10%，其余大部分是因逃生路線阻斷無法及時逃離、氧氣逐步耗盡而窒息、救援通道受阻而長時間得不到補(bǔ)給和及時救治所致[2-3]。其二，水災(zāi)發(fā)生后，應(yīng)急指揮決策把如何快速排水做為首要任務(wù)；而對動力排水條件下，如何起動淤積煤泥使其懸浮形成可輸送漿體，減少清淤工作量和縮短應(yīng)急救援時間尚未考慮。因此，礦井水災(zāi)發(fā)生后，除應(yīng)急排水之外，如何快速清理巷道堵塞淤積體，已成為能否實(shí)現(xiàn)安全、快速、有效救援的關(guān)鍵?；诖?，筆者提出“應(yīng)急排水-巷道清淤”同步一體的救災(zāi)新思路。

當(dāng)前，研究固液兩相流體管道輸送特性的手段為室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，而固液兩相流動特性極其復(fù)雜，室內(nèi)環(huán)管實(shí)驗(yàn)測試流動參數(shù)難度大(如無法得到管道內(nèi)部漿體壓力分布和速度分布狀況)且成本高；獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，建立的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式應(yīng)用范圍受到限制[4]。隨計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展和不斷完善，運(yùn)用數(shù)值模擬分析計(jì)算固液兩相流體已成為一種全新的研究手段。鄧代強(qiáng)等[5]運(yùn)用Fluent軟件對料漿長距離管道輸送問題進(jìn)行了細(xì)致分析；張欽禮等[6]結(jié)合因次分析法和數(shù)值模擬軟件對高濃度超細(xì)全尾砂料漿的管道輸送阻力問題進(jìn)行了分析；李石林等[7]運(yùn)用固液兩相流的數(shù)值模擬方法，研究了黏土膠結(jié)漿體管道輸送特性。但針對礦井水災(zāi)煤泥堵塞淤積巷道條件下，“應(yīng)急排水-快速清淤”管道輸送的固液兩相數(shù)值模擬研究鮮有報(bào)道。因此，文中采用Fluent軟件對煤泥漿體的固液兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬，研究礦井水災(zāi)不同煤泥漿體濃度的固體顆粒管道沿程濃度變化、壓降損失和速度流場變化規(guī)律，以期得到適合管道輸送的煤泥漿體濃度區(qū)間，為礦井水災(zāi)“應(yīng)急排水-快速清淤”的管道輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化以及預(yù)防管道堵塞提供參考，為提高礦井水災(zāi)應(yīng)急救援時效提供支持。

1 幾何模型與邊界條件

由于煤泥管道輸送工藝及其流動特性的復(fù)雜性，建模和分析計(jì)算通常做如下假設(shè)：漿體視為均質(zhì)滿管流且固體顆粒不發(fā)生相變；漿體為非牛頓流體；料漿在管道輸送過程中不考慮其熱量交換；漿體不受振動和地壓波等影響。

Fluent軟件是目前處于世界領(lǐng)先地位的計(jì)算流體動力學(xué)軟件，是研究流體流動的理想工具[8]。在Fluent中，共有三種多相流模型，即流體體積模型(VOF)、混合模型(Mixture)和歐拉模型(Eulerian)[9-10]。歐拉模型適合煤泥漿體固液兩相的混合和分離，精度較高，研究中選用Eulerian。煤泥漿體管道輸送的數(shù)值模擬采用Gambit[11]進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格劃分，見圖1和2。設(shè)置運(yùn)輸管道為水平方向，管道直徑為150 mm、長度為2 000 mm，管道進(jìn)口速度v為1.5 m/s；設(shè)置煤泥顆粒密度ρ為1 400 kg/m3，煤泥中值粒徑為0.25 mm。

圖1 管道輸送模型

圖2 網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 中截面固體顆粒分布規(guī)律

模擬得到體積分?jǐn)?shù)為25%～65%的煤泥漿體在管道中截面的固體顆粒分布規(guī)律見圖3。由圖3可知，輸送管道流場隨體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律為：顆粒濃度在漿體體積分?jǐn)?shù)φ為25%～45%區(qū)段緩慢上升，體積分?jǐn)?shù)為55%時明顯上升，體積分?jǐn)?shù)為65%時大幅上升。這是由于體積分?jǐn)?shù)小于55%時，顆粒間距較大，顆粒的湍流脈動，尚不足以引起高頻度顆粒碰撞、摩擦、擠壓。體積分?jǐn)?shù)大于55%時，這種擠壓效應(yīng)逐漸強(qiáng)烈起來，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為65%時，顆粒間距接近固相的局部可壓縮極限，管道接近于“堵塞”狀態(tài)(見圖3e)。

a φ=25%

b φ=35%

c φ=45%

d φ=55%

e φ=65%

2.2 橫截面固體顆粒分布規(guī)律

模擬得到體積分?jǐn)?shù)為25%～65%的煤泥漿體距管道進(jìn)口0.3、1.0、1.7 m位置處的固體顆粒分布規(guī)律見圖4。

a φ=25%

b φ=35%

c φ=45%

d φ=55%

e φ=65%

Fig. 4 Cross-sectional solid particle concentration distribution in clouds

由圖4可知，固體顆粒云圖形態(tài)表現(xiàn)兩個趨勢：第一是沿豎向的趨勢，在進(jìn)口處顆粒均勻分布，在管道后程，隨著重力影響，最頂部顆粒濃度趨小，底部趨大；這種趨勢在顆粒體積分?jǐn)?shù)變大的情況下表現(xiàn)尤為明顯。第二是沿環(huán)向的趨勢，由于管壁是完全剛性的，在濃度大的區(qū)域，顆粒更容易受擠壓而堆積于管壁附近，這種趨勢會隨著平均體積分?jǐn)?shù)的增大而加劇。從橫截面體積分?jǐn)?shù)圖可以清晰地看出：上部近壁環(huán)面在低濃度時，由于重力豎向趨勢影響濃度是低于平均值的；下部近壁環(huán)面的環(huán)長，由低濃度時的最底部一小段，逐漸變化到高濃度時的布滿整個半環(huán)面，當(dāng)煤泥體積分?jǐn)?shù)為65%時，環(huán)向趨勢達(dá)到了頂點(diǎn)，整個近壁環(huán)面都是高于平均濃度的區(qū)域，而且有一定的厚度，管道接近于“堵塞”狀態(tài)。

2.3 中截面靜壓力分布規(guī)律

模擬得到體積分?jǐn)?shù)為25%～65%的煤泥漿體在管道中截面的靜壓力分布規(guī)律見圖5和6。

圖5 管道中截面壓力分布規(guī)律曲線

由圖5可知，煤泥體積分?jǐn)?shù)25%、35%、45%的管道壓力曲線基本重合，壓降穩(wěn)定；煤泥體積分?jǐn)?shù)55%和65%的管道壓力曲線顯示出壓降損失較大。其中，煤泥體積分?jǐn)?shù)25%～45%的管道平均進(jìn)口壓力為603 Pa，平均出口壓力為-65 Pa，壓降為668 Pa；煤泥體積分?jǐn)?shù)55%的進(jìn)口壓力為982 Pa，出口壓力為-115 Pa，壓降為1 097 Pa；煤泥體積分?jǐn)?shù)65%的進(jìn)口壓力為2 314 Pa，出口壓力為-112 Pa，壓降為2 426 Pa。分析可知，煤泥體積分?jǐn)?shù)小于45%時，壓降穩(wěn)定傳輸效率較高，而當(dāng)煤泥體積分?jǐn)?shù)為55%和65%時，壓降增大幅度較大即壓降損失較大，傳輸效率反而降低，與固體顆粒分布規(guī)律云圖對比可知，此時管道接近于“堵塞”狀態(tài)。

由圖6可知，中截面壓力圖的形態(tài)之所以呈斜紋狀，是因?yàn)轭w粒重力勢能的影響。進(jìn)口處顆粒在豎向是均勻分布的，在向右流動的過程中，整個固相有逐漸向下沉降的微小趨勢；本來應(yīng)該均勻分布的垂直壓力等高線，被這種沉降擠壓成偏斜狀。偏斜程度由顆粒相濃度在豎向的不均勻程度決定，當(dāng)煤泥體積分?jǐn)?shù)為65%時，由于整體顆粒濃度都很高，上下相對還比較對稱，所以偏斜度最低。

a φ=25%

b φ=35%

c φ=45%

d φ=55%

e φ=65%

2.4 中截面流速分布規(guī)律

模擬得到體積分?jǐn)?shù)為25%～65%的煤泥漿體在管道中截面的流速狀態(tài)及規(guī)律見圖7和8。

a φ=25%

b φ=35%

c φ=45%

d φ=55%

e φ=65%

由圖7可知，煤泥體積分?jǐn)?shù)為25%、35%、45%即小于45%時流體層不是特別明顯，而65%時流體層分層明顯，特別是靠近管壁，出現(xiàn)近極限濃度區(qū)很厚即出現(xiàn)固體顆粒和液相水離析現(xiàn)象；基本上是和固體顆粒濃度場分布云圖呈反向關(guān)系的，也就是說顆粒濃度大的地方，阻力大，流速低；反之亦然。

由圖8可分析出不同體積分?jǐn)?shù)煤泥在水平運(yùn)輸管道中流速場規(guī)律，其中煤泥體積分?jǐn)?shù)為25%、35%、45%時，流速分布曲線呈現(xiàn)重合狀態(tài)，中截面流速穩(wěn)定，平均值為0.932 m/s；體積分?jǐn)?shù)為55%、65%時，中截面流速均值分別為0.982和1.118 m/s。可知隨煤泥體積分?jǐn)?shù)超過55%，管壁固體顆粒組分增多，靠近管道后程接近“堵塞”。

圖8 管道中截面流速分布曲線

3 結(jié) 論

(1)文中提出“應(yīng)急排水-快速清淤”同步一體的救援新思路，可提高礦井水災(zāi)煤泥淤積堵塞巷道應(yīng)急救援時效，為災(zāi)區(qū)受困人員提供安全、快速、有效的救助。

(2)輸送管道中/橫截面固體顆粒流場在煤泥體積分?jǐn)?shù)為25%～45%區(qū)段緩慢上升，是由于顆粒間距較大不足以引起高頻度的顆粒碰撞、摩擦、擠壓；在煤泥體積分?jǐn)?shù)55%～65%時上升明顯，是由于顆粒間距比較接近固相的局部可壓縮極限，管道接近“堵塞”狀態(tài)。

(3)輸送管道煤泥漿體兩相流壓降與其不同體積分?jǐn)?shù)密切相關(guān)，煤泥體積分?jǐn)?shù)為25%、35%、45%時，壓降穩(wěn)定，均值為668 Pa；煤泥體積分?jǐn)?shù)為55%、65%時，對應(yīng)壓降為1 097 和2 314 Pa，壓降急劇增加。也就是說，水平管道直徑為150 mm條件下，煤泥體積分?jǐn)?shù)在25%～45%區(qū)段，管道沿程壓降損失較小，輸送率較高。

(4)煤泥體積分?jǐn)?shù)為25%、 35%、 45%時，流速分布曲線呈現(xiàn)重合狀態(tài)，中截面流速穩(wěn)定，均值為0.932 m/s；煤泥體積分?jǐn)?shù)為55%、65%時，中截面流速均值分別為0.982和1.118 m/s?？芍耗囿w積分?jǐn)?shù)為55%時，管壁固體顆粒組分增多；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為65%時，固液兩相流壁面離析明顯，管道后程接近“堵塞”狀態(tài)。

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(編校 王 冬)

Numerical simulation of solid liquid two phase flow featuring combination of drainage and fast dredging in mine emergency

HaoChuanbo1，PuWenlong2，ZhangGuohua3

(1.Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022， China； 2.School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022， China； 3.School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022， China)

This paper proposes a novel approach, called“emergency drainage-fast dredging” synchronization, which could address the emergency rescue problems due to slime sedimentation jam occurring in the flood disaster in mine roadways. The research building on fluid dynamics theory, selected Eulerian multiphase flow model, and the Fluent software involves the simulation of solid-liquid two-phase fluid for coal slurry and a better insight into the distribution law behind flow field of solid particle, the pressure, and velocity of coal slimes with the different volume fraction inside the pipelines. The results demonstrate that the pipeline offers a higher transportation efficiency, if the horizontal line has a diameter of 150 mm and the coal volume fraction ranges between 25% and 45%; and the pipeline tends to be left blocked if coal slurry volume fraction ranges between 55% and 65%. An effective improvement in the transportation efficiency and a better prevention of pipeline blockage are achieved by fully mixing coal slurry and improving the way a pipe works.

mine flood; coal slime; flow pattern; numerical simulation

2016-12-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51374097；51674107)

郝傳波(1962-)，男，黑龍江省寧安人，教授，博士，研究方向：煤礦應(yīng)急救援與影響控制、礦山安全與管理，E-mail：haochuanbo@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.002

TD745

2095-7262(2017)01-0008-05

A