粉煤灰基充填漿料管輸系統(tǒng)數(shù)值模擬分析★

陳維新，李 濤，畢業(yè)武，于亮亮，關(guān)顯華

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

1 概述

煤炭資源開采為我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)，同時(shí)也帶來諸多問題，尤其是生態(tài)環(huán)境破壞和礦井災(zāi)害問題，其中最為突出的是地表沉陷和地下水流失。為解決上述問題，我國學(xué)者進(jìn)行了大量研究與實(shí)踐，形成了我國特有的特殊采煤技術(shù)體系，并逐步向“綠色”“安全”和“無害化”方向發(fā)展[1]。實(shí)踐證明，充填開采是實(shí)現(xiàn)煤礦“綠色”“安全”和“無害化”生產(chǎn)的有效途徑[2]。

目前，常用的充填技術(shù)可分為干式充填、水力充填、膠結(jié)充填。其中，水力充填技術(shù)將水作為載運(yùn)媒介，通過管路泵送將水和固體廢料運(yùn)送入采空區(qū)。膠結(jié)充填技術(shù)，一般是將水、固體垃圾(廢棄物)、膠結(jié)劑混合后，再通過管路輸送入采空區(qū)。因此，管路輸送是充填材料常用的輸送方式。常用的管道輸送充填漿料方法有兩種：自流輸送和泵輸送[3]。無論哪種輸送方式，管道輸送過程中經(jīng)常會(huì)遇到管道磨損嚴(yán)重、堵塞和爆裂等問題，其中管道堵塞和磨損最為常見。國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)充填料漿管路輸送問題進(jìn)行了大量的研究，如張亮等[4]，采用ANSYS軟件模擬并得到了增大L管豎直管道與水平管道連接處曲率半徑后該連接處的沖擊壓力值及其變化情況，并得出何種輸送條件能保證料漿管流輸送中沿程最大流速、出口處最大流速和入口處壓力值的較小值。聶文波等[5]利用ANSYS模擬分析了在固定流速下，不同料漿濃度、管徑對(duì)全程管壓的影響，找到易于輸送時(shí)的充填料漿濃度、管徑取值范圍。王海瑞[6]運(yùn)用軟件中的分析模塊，建立了二維實(shí)體模型對(duì)其進(jìn)行管路優(yōu)化與改造，對(duì)原有管路系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出管道磨損和破壞的直觀依據(jù)。

本文為解決砟子礦粉煤灰基充填料漿管輸系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，出現(xiàn)的管道高磨損、堵塞爆裂等問題，利用數(shù)值模擬軟件ANSYS動(dòng)態(tài)仿真模擬管輸系統(tǒng)，模擬質(zhì)量濃度為51%的粉煤灰基充填漿料在DN150 mm的“L”型管路的全程管壓及直角彎流速，從而確定漿料合理初速度，以及管路直角彎的曲率半徑。模擬結(jié)果可指導(dǎo)充填料漿管輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，避免管路過快磨損，甚至出現(xiàn)堵管、爆管事故。

2 粉煤灰基充填材料簡介

粉煤灰基膠結(jié)材料的主要原材料為具備一定活性的礦區(qū)廢棄粉煤灰，充填前先與HJJ系列活化劑陳置4 h～24 h，有效激發(fā)其活性后得到灰漿，再加入水泥、石灰、石膏、KYY-ZH系列早強(qiáng)緩凝劑、KYY-S系列速凝劑攪拌后得到充填漿料[7]，其質(zhì)量配比為：粉煤灰(800)∶水泥(100)∶石灰(25)∶石膏(15)∶KYY-ZH早強(qiáng)緩凝劑(9)∶KYY-S系列速凝劑(1)∶水(900)[8]。

充填漿料硬化形成的固結(jié)體具有親水性，在水環(huán)境中重結(jié)晶性較好，穩(wěn)定性良好，體積應(yīng)變較小，因此，相比其他充填材料，在井下密閉、潮濕的環(huán)境中，粉煤灰基膠結(jié)充填材料具有一定的優(yōu)勢，是一種理想的井下充填材料[9]。

3 砟子礦立井充填管輸概況

地面制漿系統(tǒng)制得粉煤灰基充填漿料，通過渣漿泵、單管路，經(jīng)立井、運(yùn)輸大巷等輸送至井下采空區(qū)充填地點(diǎn)，管路整體呈“L”型。其中立井段垂直管路L1=180 m，巷道段水平管路L2=360 m，充填倍線為3，見圖1。

4 充填漿料管道輸送系統(tǒng)數(shù)值模擬分析

4.1 ANSYS/FLOTRAN軟件簡介

ANSYS是一種大型有限元分析軟件，是機(jī)械、土木、力學(xué)、地理學(xué)等諸多學(xué)科工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的軟件之一。該軟件中的FLOTRAN分析模塊屬計(jì)算流體力學(xué)范疇，是一種成熟分析二維及三維流體流動(dòng)場問題的工具，ANSYS FLOTRAN CFD主要被用來解決以下幾類問題：層流分析、紊流分析，流體熱分析，可壓縮流動(dòng)分析，非牛頓體流動(dòng)分析，多組份傳輸分析，自由表面分析等[10]。因此，可以通過該模塊對(duì)管路輸送系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，對(duì)管道輸送參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，從而降低管路系統(tǒng)的事故率，節(jié)約生產(chǎn)成本。

4.2 粉煤灰基充填漿料參數(shù)及臨界流速計(jì)算

4.2.1 漿料密度

漿料密度的值為1 cm3體積中漿料的質(zhì)量。用泥漿比重計(jì)測量漿料的質(zhì)量，單位為g/cm3。

用泥漿比重計(jì)測三次漿料密度，取平均值為漿料的最終密度：

4.2.2 漿料質(zhì)量濃度

制得1 m3漿料需要0.7 t水和0.73 t固體顆粒，則固體質(zhì)量濃度為：

4.2.3 漿料體積濃度

制得1 m3漿料需要0.70 t水，水的密度按1.0 t/m3，則體積濃度得：

4.2.4 漿料黏度

由于漿料中粉煤灰的比重比較大，而粉煤灰顆粒小易懸浮，因此粉煤灰水泥漿料在流動(dòng)或停頓瞬間可看做為均質(zhì)流[11]。故漿料的黏度可選用托馬斯方程式(1)來計(jì)算：

(1)

其中，μm為漿料的黏度，Pa·s；μ0為漿料中懸浮介質(zhì)的黏度，通常懸浮介質(zhì)為水，Pa·s；cv·t為漿料的體積濃度；k，B均為固體物料的特性系數(shù)。

以托馬斯方程為基礎(chǔ)，通過大量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，粗粉煤灰漿料固體物料的特性系數(shù)k,B可分別取93,0.002 73。根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算出質(zhì)量濃度為51%的漿料與清水的黏度比：

1+2.5×0.30+10.05×0.302+93e0.002 73×0.30=95.70。

依據(jù)砟子礦井下條件，充填區(qū)白天全年氣溫均為13 ℃，此時(shí)清水的黏度為1.145 mPa·s，則充填漿料的黏度為109.58 mPa·s。

4.2.5 漿料臨界流速

充填漿料為固液兩相流。液固兩相流的流動(dòng)阻力特性與單相流完全不同，在管路管徑和漿料濃度一定的情況下，流速很小時(shí)，固體顆粒沉積于管底，水由沉積層表面漫過或從內(nèi)部滲過[12]；當(dāng)流速很大時(shí)，固體顆粒雖完全處于懸浮狀態(tài)，但用于克服沿程阻力的能量消耗也很大。因此，最理想的狀態(tài)是，在一定流速條件下，漿料處于紊流狀態(tài)，固體顆粒完全處于懸浮狀態(tài)，為此消耗的能量和液相流動(dòng)消耗的能量總和最小，將此流速稱為漿料管路輸送的臨界流速[13]。根據(jù)秦皇島礦山設(shè)計(jì)院公式(2)計(jì)算臨界流速。

(2)

其中，ρs為固體物料的密度；ρh為水的密度；CQv為懸液的體積濃度；D為管道直徑。

管路為DN150 mm，體積濃度30%時(shí)漿料臨界流速：

。

4.3 建立管道幾何模型

“L”型管道模型高20 m，水平長40 m，兩端夾角為直角，管道內(nèi)徑大小為150 mm，幾何充填倍線為3.0。假設(shè)漿料是賓漢流，黏性恒定不變，輸送過程中，無熱交換、地壓波等振動(dòng)影響的條件下，利用ANSYS FLOTRAN CFD進(jìn)行模擬。

4.4 管路初始流速的模擬分析

砟子礦為立井，充填管道從制漿站沿立井井筒到達(dá)充填工作面。取管道內(nèi)徑為150 mm，漿料質(zhì)量濃度選定為51%，漿液在管道的初始流速為1.5 m/s，2.5 m/s，3.5 m/s，4.5 m/s。利用ANSYS軟件及漿液相關(guān)參數(shù)，得到管路中直角彎附近漿料流速為沿程最大值，彎道處的模擬結(jié)果如圖2所示，總結(jié)圖中的最大速度，如表1所示。

從圖2,表1中的模擬結(jié)果分析可知：漿液初速越高，管路彎道附近的流速極值就越大，且流速極值、壓力極值增幅也在增大。較大流速的漿料在管道轉(zhuǎn)彎內(nèi)壁處，位置相對(duì)確定。漿液流動(dòng)速度的增大會(huì)使?jié){液中骨料運(yùn)移速度也隨之增大，骨料對(duì)管路的摩擦，使管路越來越薄，越來越粗糙，從而增加管路的摩擦阻力，造成堵管事故，同時(shí)，也會(huì)在沖擊壓力下發(fā)生爆管事故。

表1 不同漿液流速模擬的結(jié)果數(shù)據(jù)

基于以上分析，漿料流速在大于臨界流速1.51 m/s的條件下盡可能采用低速輸送的方式。因此，初始流速宜取2.5 m/s，彎管處最大速度為1.96 m/s，大于漿料的臨界流速，能減少較高流速的漿料對(duì)管路的快速磨損。

4.5 管道曲率半徑的模擬分析

根據(jù)以上對(duì)管路彎道處漿料流速的模擬可知，管道轉(zhuǎn)彎內(nèi)壁處的流速較大，因此，有必要對(duì)管道轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行模擬優(yōu)化。彎道的曲率半徑分別設(shè)為200 mm，350 mm，500 mm。以質(zhì)量濃度為52%、速度為2 m/s情況下的數(shù)值設(shè)定模擬參數(shù)，利用ANSYS軟件及漿液的相關(guān)參數(shù)，求解彎道處的流速，模擬結(jié)果如圖3所示。

從模擬結(jié)果中提取圖3的數(shù)據(jù)，如表2所示。

從圖3,表2中的模擬結(jié)果分析可知：隨著彎管處曲率半徑的減小，高流速漿料占整個(gè)管路截面的面積越來越小，但是流速極值卻越來越大，尤其是管徑為350 mm，200 mm時(shí)，較高速度的漿料集中在彎管內(nèi)徑處，說明該處最容易首先被漿料中的固體顆粒磨蝕。隨著曲率半徑的增加，管道最大壓力仍然集中在垂直管道的上部，且增幅基本可以忽略不計(jì)。說明彎管處的曲率半徑的變化對(duì)管道輸送全程最大壓力基本沒有影響。

表2 不同曲率半徑模擬結(jié)果數(shù)據(jù)

基于以上分析，為了避免管道彎曲處產(chǎn)生磨蝕，管道彎曲處的曲率半徑盡可能取較大值，但漿料流速必須大于漿料的臨界流速。因此，管道轉(zhuǎn)彎處的曲率半徑應(yīng)為500 mm。

5 工業(yè)試驗(yàn)

根據(jù)模擬分析結(jié)果，確定漿料初速為2.5 m/s，漿料輸送管道直徑為DN150 mm，因此，流量為181 m3/h。根據(jù)流量選用高強(qiáng)度耐磨材質(zhì)的GMZ80-45-160型臥式渣漿泵，其性能參數(shù)如表3所示。該渣漿泵為單級(jí)單吸、軸向吸入懸臂臥式離心泵，通過葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，從而達(dá)到漿料輸送目的。

表3 GMZ80-45-160型臥式渣漿泵性能參數(shù)

礦用鋼管具有承壓性能好、不收縮變形等優(yōu)點(diǎn)；但其抗腐蝕性、耐磨性較差，而且重量大，管內(nèi)壁摩擦力大，不適合充填漿液的運(yùn)輸。耐磨聚乙烯管材抗腐蝕性和耐磨性優(yōu)于礦用鋼管，具有一定的彎曲性能，且質(zhì)量輕，便于架設(shè)和搬運(yùn)，鋪設(shè)靈活，管內(nèi)壁摩擦力小，而且采用法蘭盤連接，密封效果好；其缺點(diǎn)就是承壓性能較差。

根據(jù)以上情況，選擇科研組與哈爾濱第四塑料廠共同研制開發(fā)的耐磨聚乙烯輸送管路為充填管路，管壁厚12.5 mm，壁厚偏差10%，不圓度2%，拉伸強(qiáng)度15.0 MPa，拉斷伸長率380%，外表面電阻平均值3.2×104Ω，內(nèi)表面電阻平均值1.5×104Ω，酒精噴燈有焰燃燒時(shí)間平均值2.0 s，有焰燃燒時(shí)間最大值2.3 s，無焰燃燒時(shí)間平均值0.4 s，無焰燃燒時(shí)間最大值0.5 s，所有管路采用法蘭盤連接。彎道處材質(zhì)選用錳鋼彎頭，以增強(qiáng)其強(qiáng)度及耐磨性，彎道的曲率半徑選用500 mm，見圖4。

從工業(yè)試驗(yàn)情況來看，管路輸送系統(tǒng)在充填開采6個(gè)月內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，能滿足采空區(qū)充填需求量，無堵管、爆管事故。

6 結(jié)語

1)粉煤灰基充填漿料初速越大，管路彎道附近的最大流速就越快，且最大流速、最大壓力增幅也在增大。較大流速的漿料在管道轉(zhuǎn)彎內(nèi)壁處，位置相對(duì)確定。初始流速取2.5 m/s可以滿足低速輸送且大于臨界流速的要求。

2)隨著彎管處曲率半徑的減小，高流速漿料占整個(gè)管路截面的面積越來越小，但是流速極值卻越來越大。隨著曲率半徑的增加，管道最大壓力均集中在垂直管道的上部。曲率半徑取500 mm，可以避免固體顆粒磨蝕。

3)根據(jù)模擬結(jié)果選用的高強(qiáng)度耐磨材質(zhì)的GMZ80-40-130型臥式渣漿泵、曲率半徑為500 mm錳鋼材質(zhì)彎頭，能滿足采空區(qū)充填需求量，無堵管、爆管事故。