高濃度全尾砂料漿管道輸送數(shù)值模擬研究

甘德清 高 鋒 陳 超,3 劉愛興,3 張?jiān)迄i

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009;3.徐州鐵礦集團(tuán)吳莊鐵礦，江蘇 徐州 221138)

高濃度全尾砂料漿管道輸送數(shù)值模擬研究

甘德清1,2高 鋒1陳 超1,3劉愛興1,3張?jiān)迄i1,2

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009;3.徐州鐵礦集團(tuán)吳莊鐵礦，江蘇 徐州 221138)

高濃度全尾砂膠結(jié)充填采礦法在地下黑色金屬礦山中應(yīng)用廣泛，高濃度全尾砂膠結(jié)充填料漿管道輸送技術(shù)是研究該采礦方法的重要內(nèi)容。以吳莊鐵礦高濃度全尾砂膠結(jié)充填開采為背景，根據(jù)該礦山需要達(dá)到的充填能力，選擇內(nèi)徑為90 mm、113 mm和122 mm的充填管道，采用雙精度流體力學(xué)軟件fluent-2ddp研究高濃度全尾砂料漿在充填管道內(nèi)的流動狀態(tài)。根據(jù)礦體的賦存狀態(tài)、礦山生產(chǎn)規(guī)模和充填料漿的性質(zhì)，構(gòu)建管道輸送系統(tǒng)數(shù)值模型。設(shè)定管道入口和管壁的邊界條件，進(jìn)行料漿輸送過程的數(shù)值解算，分析解算結(jié)果。研究結(jié)果表明，與90 mm和122 mm管道輸送相比，113 mm管道輸送料漿的壓力損失和流速最合理；料漿在彎管內(nèi)側(cè)流速驟增，且顯著大于外側(cè)；料漿流速在管道斷面上近似拋物線分布，最大流速位于管道中心的上方。

管道內(nèi)徑 壓力損失 料漿流速 數(shù)值模擬

充填采礦法是一種綠色、安全和高效的采礦方法，隨著采掘設(shè)備和充填技術(shù)的不斷進(jìn)步，充填采礦法將成為今后我國地下礦山主要的開采方法[1]。在黑色金屬礦山中，高濃度全尾砂料漿膠結(jié)充填采礦法的應(yīng)用越來越廣泛。該采礦法主要有以下優(yōu)點(diǎn)[2-3]：①尾砂不用分級，簡化了充填工藝流程，提高了尾砂利用率；②相同的充填體強(qiáng)度下，水泥使用量少，降低了充填成本；③自流輸送可行性強(qiáng)，粗顆粒沉降速度相對較低，形成充填體的整體性好；④料漿到達(dá)采場后析水率低，巷道污染輕，井下排水量小。但高濃度全尾砂管道輸送過程中管道磨損嚴(yán)重，堵管事故發(fā)生后處理難度大。結(jié)合吳莊鐵礦充填開采的實(shí)際情況，采用fluent-2ddp數(shù)值模擬系統(tǒng)[4-8]，研究高濃度全尾砂充填料漿管道輸送過程的流速和壓力損失，優(yōu)化充填管道，分析管內(nèi)料漿流速分布的特征。

1 數(shù)值建模

1.1 礦山工程概況

徐州鐵礦集團(tuán)吳莊鐵礦地處徐州市利國鎮(zhèn)，礦區(qū)人口密集，地表為高產(chǎn)農(nóng)田，不允許塌陷。礦山地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，屬于大水礦床，地下涌水量1 200 m3/h，礦石質(zhì)量好，品位高，不適合崩落法和空場法開采，因此選擇兩步驟分段空場嗣后充填開采，階段高度50 m，分段高度10 m。礦山地質(zhì)儲量1 570萬t，礦體埋深標(biāo)高-280～-500 m，開采能力45萬t/a。

1.2 模型參數(shù)選取

根據(jù)礦山生產(chǎn)規(guī)模和工作制度，充填能力需要達(dá)到60 m3/h。依據(jù)礦山開采設(shè)計(jì)，尾砂的密度為2 910 kg/m3，礦房采用灰砂比為1∶12、質(zhì)量濃度為71%的全尾砂膠結(jié)充填，料漿密度為1 950 kg/m3，黏度為0.12，水泥漿密度為1 199 kg/m3；礦柱采用灰砂比為1∶6、質(zhì)量濃度為73.8%的全尾砂膠結(jié)充填，料漿密度為2 020 kg/m3，黏度為0.3，水泥漿密度為1 262 kg/m3。按礦山充填的一般規(guī)律，充填能力為60 m3/h的充填系統(tǒng)可用管徑為90～130 mm，查礦用管道尺寸，擬用內(nèi)徑為90 mm、113 mm和122 mm的管道進(jìn)行料漿輸送數(shù)值模擬研究。

1.3 管道可靠性驗(yàn)證

充填料漿自流輸送時，管道工作的可靠性一般采用臨界流速與合理工作流速的比值進(jìn)行驗(yàn)證。如果該比值大于1，則認(rèn)為這種管徑的管道在料漿自流輸送過程中工作是可靠的[1]。

瓦斯普臨界流速公式[9]：

(1)

或漿體管道臨界不淤流速公式[10]：

(2)

合理工作流速經(jīng)驗(yàn)公式[11]：

(3)

式中，ρs為物料密度，kg/m3；ρ為載體密度，kg/m3；D為管道內(nèi)徑，mm；d90為篩下物料質(zhì)量占總質(zhì)量90%的網(wǎng)格度，mm；F1為速度系數(shù)，根據(jù)鳩蘭特曲線取1.25；ρm為料漿密度，kg/m3；Cv為體積濃度；α為漿體對紊動抑制的影響系數(shù)，一般取α<1；Δ為管道內(nèi)壁當(dāng)量粗糙度，mm；Re為雷諾數(shù)；X為水砂比，濃度為71%的料漿水砂比為1.29，濃度為73.8%的料漿水砂比為1.02；N為充填倍線，3.88；g為重力加速度。

將礦山高濃度全尾砂充填料漿物理參數(shù)代入式(1)、式(2)、式(3)，得到臨界流速和合理工作流速以及合理工作流速和臨界流速之間的倍數(shù)關(guān)系，如表1所示。由表1可知合理工作流速是臨界流速的2.57～3.17倍，認(rèn)為3種管徑的輸送都是可靠的。

表1 臨界流速與合理工作流速計(jì)算結(jié)果 Table1 Calculation results of critical flow speeds and reasonable working flow speeds

1.4 數(shù)值計(jì)算模型

用fluent軟件前處理器gambit建模，通過geometry工具中vertex、edge和face功能，構(gòu)建幾何模型，通過mesh工具劃分網(wǎng)格，采用正方形單元網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為submap，步長值為0.01 m，使用zones功能設(shè)置邊界類型，inlet為velocity-inlet，outlet為outflow，wall為wall。彎管的繪制用arc功能完成，管道中心曲率半徑0.45 m。礦山最大充填倍線為3.88，數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 充填料漿管道數(shù)值模型Fig.1 Numerical model of backfilling slurry pipelines

2 數(shù)值解算及分析結(jié)果

2.1 數(shù)值解算

選擇二維雙精度解算器fluent-2ddp，輸入重力加速度-9.8 m/s2，設(shè)定表面壓力為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。根據(jù)邊界類型設(shè)置邊界條件，湍流強(qiáng)度5%，湍流模型中管壁粗糙度為0.03 mm，粗糙度影響系數(shù)默認(rèn)為0.5。根據(jù)礦山充填能力和管道內(nèi)徑，初始流速分別為2.62 m/s、1.66 m/s和1.43 m/s。為提高迭代解算精度，選擇2階迎風(fēng)second order upwind計(jì)算。在initialize中根據(jù)入口邊界條件初始化操作，在monitors中定義求解精度為0.000 01，迭代解算誤差收斂較好，如圖2所示。

2.2 數(shù)值分析結(jié)果

(1)輸送壓力與流速分析。同一物料，相同配比、流量和料漿濃度條件下，最大流速、最小流速、最大壓力和最小壓力的絕對值均隨著管徑的增大而減小。90 mm管徑輸送灰砂比1∶6、濃度73.8%的料漿時壓差最大，為2.44 MPa，而重力作用提供的壓力為9.28 MPa，大于2.44 MPa，這表明自流輸送是完全可以實(shí)現(xiàn)的。從料漿流速分析，料漿流速太大會增大阻力損失，流速太小會加速重顆粒沉降，表2顯示90 mm管徑輸送的料漿流速最高，113 mm管徑和122 mm管徑輸送的料漿流速顯著降低，而122 mm管道內(nèi)料漿最小流速為0.005 m/s，堵管風(fēng)險極大；從壓力損失分析，料漿能夠順利輸送至采場的前提下，壓力損失太大說明管壁沖刷嚴(yán)重，壓力損失太小容易引起爆管，從表2可以看出，90 mm管道壓力損失最大，122 mm管道壓力損失最小，113 mm管道的壓力損失和122 mm管道相差不大。

(a)90 mm管徑

(b)113 mm管徑

(c)122 mm管徑 圖2 73.8%料漿輸送殘差收斂曲線Fig.2 Residual convergence curve at the transportation of 73.8% slurry1—x向流速分量；2—y向流速分量；3—流速

(2)彎管流速分布及分析。5個彎管部位的高流速區(qū)域均偏向彎管內(nèi)側(cè)，與管道拐彎方向無關(guān)，如圖3所示。料漿在拐彎處切向速度會發(fā)生改變，彎管內(nèi)側(cè)曲率半徑小，料漿切向速度變化比外側(cè)料漿大，導(dǎo)致彎管內(nèi)側(cè)的固體顆粒相互碰撞的頻率比外側(cè)大，在彎管內(nèi)側(cè)固體顆粒的速度增量較大，故料漿流速矢量在彎管上部切點(diǎn)開始發(fā)生改變，在上部三分之一彎管處表現(xiàn)為料漿流速驟增，且高流速區(qū)域靠近彎管內(nèi)側(cè)，這是充填料漿對彎管內(nèi)側(cè)管壁沖刷嚴(yán)重的重要原因，所以生產(chǎn)過程中應(yīng)對該部位加厚處理。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同管徑輸送的料漿最大流速均發(fā)生在-330 m水平彎一處，礦山應(yīng)加強(qiáng)對彎一的檢查和防護(hù)。

表2 流動參數(shù)仿真解算結(jié)果Table 2 Simulation calculation results of flow parameters

(3)管道斷面流速分布。料漿流速在管道斷面上近似呈拋物線分布，最大值位于管道斷面中心的上側(cè)。管徑越大，最大流速位置偏離管道中心的距離越大，且73.8%濃度料漿最大流速位置的偏離量大于71%濃度料漿，如表3所示。

3 結(jié) 論

(1)數(shù)值模擬結(jié)果顯示：3種管道的充填料漿自流輸送都可以實(shí)現(xiàn)；90 mm管道輸送料漿的流速和壓差最大，管道磨損嚴(yán)重；122 mm管道輸送料漿的流速和壓差最小，但容易堵管；113 mm管道輸送料漿的流速和壓差合適，故建議礦山使用113 mm直徑的充填管道。

(2)由彎管流速矢量分布圖3可以看出，彎管內(nèi)側(cè)料漿的流速顯著大于外側(cè)流速，這是導(dǎo)致彎管內(nèi)側(cè)管壁磨損速度比外側(cè)快的主要因素。

(3)料漿在管道斷面上的流速分布并不是嚴(yán)格的拋物線分布，最大流速位于管道中心上方，與管道中心偏移量隨管徑的增大而增大。

(a)彎1流速矢量圖

(b)彎2流速矢量圖 圖3 73.8%濃度料漿113 mm管道彎1、彎2流速矢量圖Fig.3 Flow speed vector diagrams of No.1 bend and No.2 bend of 73.8% slurry by 113 mm pipe表3 管道出口斷面上最大流速位置及其偏移量Table 3 The position of the highest flow speed at outlet of pipe and its deviation

濃 度/%管 徑/mm最大流速位置/mm偏離量/%9045.0600.137111357.4091.6112262.3312.159045.1260.2873.811357.5851.9212262.5072.47

[1] 王新民,古德生,張欽禮.深井礦山充填理論與技術(shù)[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2010.

Wang Xinmin,Gu Desheng,Zhang Qinli.Filling Theory and Technology of Deep Mine[M].Changsha:Central South University Press,2010.

[2] Jung S J,Kousick B.Review of current high density paste fill and technology[J].Mineral Resources Engineering,2002,11(2):165-182.

[3] 賈鵬昆.望兒山金礦全尾砂高濃度充填新技術(shù)研究[D].青島:山東科技大學(xué),2004. Jia Pengkun.Research on the New Backfilling Technology of High-density Full Tailings in a Gold Mine[D].Qingdao:Shandong University of Science and Technology,2004.

[4] 溫 正.Fluent流體計(jì)算與應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009. Wen Zheng.Fluent Fluid Calculation and Application Tutorial[M].Beijing:Tsinghua University Press,2009.

[5] 吳 迪,蔡嗣經(jīng),楊 威，等.基于 CFD 的充填管道固液兩相流輸送模擬及實(shí)驗(yàn)[J].中國有色金屬學(xué)報,2012(7):2134-2141. Wu Di,Cai Sijing,Yang Wei,et al.Simulation and experiment of backfilling pipeline transportation of solid-liquid two-phase flow based on CFD[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2012(7):2134-2141.

[6] 陶平凱.基于ANSYS FLOTRAN的管道輸送參數(shù)優(yōu)化[J].金屬礦山,2012(11):43-45. Tao Pingkai.Pipe-conveying parameters optimization based on ANSYS FLOTRAN[J].Metal Mine,2012(11):43-45.

[7] 王新民,丁德強(qiáng),肖富國，等.膏體管道輸送阻力損失研究[J].金屬礦山,2007(5):29-31. Wang Xinmin,Ding Deqiang,Xiao Fuguo,et al.Study on resistance loss in paste piping transportation[J].Metal Mine,2007(5):29-31.

[8] 鄧代強(qiáng),朱永建,王發(fā)芝，等.充填料漿長距離管道輸送數(shù)值模擬[J].安徽大學(xué)學(xué)報,2012，36(6):36-43. Deng Daiqiang,Zhu Yongjian,Wang Fazhi,et al.Transportation numerical simulation of filling slurry in long distance pipeline[J].Journal of Anhui University,2012，36(6):36-43.

[9] 劉 弦.城市污水處理廠污泥管道輸送阻力特性研究[D].重慶:重慶大學(xué),2007. Liu Xuan.The Research of the Resistance Characteristics about Pipeline Transportation for Sludge in City's Waste Water Treatment Plant[D].Chongqing:Chongqing University,2007.

[10] 費(fèi)祥俊.漿體管道的不淤流速研究[J].煤炭學(xué)報,1997,22(5):522-566. Fei Xiangjun.Study of nondeposit velocity in slurry pipes[J].Journal of China Coal Society,1997,22(5):522-566.

[11] 陶平凱.黃沙坪礦深部開采充填管道輸送參數(shù)計(jì)算與仿真[J].金屬礦山,2012(9):21-23. Tao Pingkai.Pipe-conveying parameter calculation and simulation validation of deep mining filling system of Huangshaping Mine[J].Metal Mine,2012(9):21-23.

(責(zé)任編輯 石海林)

Numerical Simulation Study of High Density Total Tailings Slurry Pipeline Transport

Gan Deqing1,2Gao Feng1Chen Chao1,2Liu Aixing1,2Zhang Yunpeng1,2

(1.CollegeofMiningEngineering,HebeiUnitedUniversity,Tangshan063009,China; 2.MiningDevelopmentandSafetyTechnologyKeyLabofHebeiProvince,Tangshan063009,China；3.WuzhuangIronMineofXuzhouIronMineGroup,Xuzhou221138,China)

Mining method of cement backfilling with high density total tailings slurry has being extensively used in underground iron mines.The pipeline transportation of high density total tailings cemented backfilling slurry is an important part in the study of this mining method.Taking the cement backfilling mining with high density total tailings in Wuzhuang iron mine as raw material,backfilling pipes with inside diameters of 90 mm,113 mm and 122 mm were respectively chosen to study its in-pipe flow states by adopting double precision fluid software fluent-2ddp.According to the occurrence of the ore,the production scale of the mine and the properties of backfilling slurry,a numerical model of pipeline transportation system is built.The boundary conditions of the inlet and pipe walls are set up to make numerical calculating of slurry transportation process.The analysis on the calculation results showed that the pressure lost and velocity are most suitable when the slurry was transported by 113 mm pipe,compared with by 90 mm and 122 mm pipes.The slurry velocity surges at the bends and the slurry velocity inside is higher than one outside.The slurry velocity at the section distributes like a parabola and the highest velocity located at above the pipe center.

Inner diameter of pipe,Pressure loss,Flow speed of slurry,Numerical simulation

2014-05-02

甘德清(1962—)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師。

TD851

A

1001-1250(2014)-10-138-04