L型充填管道料浆输送压力损失及优化研究_康志强.pdf

收稿日期2019-09-12 基金项目河北省自然科学基金项目 （编号 E2016209111） 。 作者简介康志强 （1974） ， 男， 教授， 博士， 硕士研究生导师。 L型充填管道料浆输送压力损失及优化研究 康志强 1， 2 辛东夫 1， 2 邵陆航 1， 2 张晨 1， 21 （1. 华北理工大学矿业工程学院， 河北 唐山 063200； 2. 河北省矿业开发与安全技术重点实验室， 河北 唐山 063200） 摘要全尾砂料浆管道输送作业中， 料浆管道底部磨损问题比较严重， 极大地影响了料浆管道的使用寿命。 结合唐山某铁矿全尾砂料浆L型管道充填现状， 以L型管道输送压力损失最小为原则进行研究， 选择灰砂比为1 ∶ 4、 1 ∶6、 1 ∶8， 配比浓度为54、 58、 62的充填料浆作为试验对象， 以3、 5、 7 m/s为料浆流动速度， 采用COMSOL Mul- tiphysics数值模拟软件， 基于3D数值模型计算了管道直径为70、 80、 90、 100 mm 4种情况下的压力损失， 分析了压力 损失的影响因素并进行了优化研究。结果表明 管道直径越大， 45截面的压力越大， L型管道压力损失与管道直径 呈二次多项式函数关系， 管道直径减小到70 mm或增大到100 mm， 都会加速L型管道底部的磨损。为延长矿山L型 管道服务时间， 最大限度减轻管道底部磨损， 建议该矿山L型充填料浆输送管道直径取85 mm， 料浆流速3 m/s， 灰砂 比1 ∶ 4， 质量浓度64。 关键词充填开采L型管道压力损失数值模拟料浆输送管道直径 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -09-033-08 DOI10.19614/ki.jsks.202009004 Study on Pressure Loss and Optimization of L-shaped Filling Pipe Slurry KANG Zhiqiang1， 2XIN Dongfu1， 2SHAO Luhang1， 2ZHANG Chen1， 22 （1. College of Mining Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063200， China； 2. Hebei Key Laboratory of Mining Development and Safety Technology， Tangshan 063200， China） AbstractIn the pipeline transportation of unclassified tailings slurry，the bottom of the slurry pipeline is worn out， which greatly affects the service life of the slurry pipeline. Based on the filling status of the L-shaped pipeline of a tailings slurry of an iron mine in Tangshan， the minimum pressure loss of L-shaped pipeline was taken as the principle to conduct study work.The filling slurry with the ratio of cement to sand ratio of 1 ∶4， 1 ∶6， 1 ∶8， slurry concentration was 54， 58， 62， and the test was carried out at 3， 5， 7 m/s is the slurry flow rate.The pressure loss of the pipe diameters of 70， 80， 90， 100 mm is calculated based on the 3D numerical model by using COMSOL Multiphysics numerical simulation software， be- sides that， the influence factors of pressure loss were analyzed and optimized.The study results show that the larger the diame- ter of the pipe， the greater the pressure of the 45 section， and the pressure loss of the L-shaped pipe is quadratic polynomial function； the diameter of the pipe is reduced to 70 mm or increased to 100 mm， which will accelerate the abrasion of the bot- tom of the L-shaped pipe.In order to extend the service time of the L-shaped pipeline in the mine and minimize the wear of the bottom of the pipeline， it is suggested that diameter of the L-shaped filling slurry conveying pipeline of the mine can be determined as 85 mm ， the slurry flow rate is 3 m/s， the cement-sand ratio is 1 ∶ 4 and the mass concentration is 64. Keywordsfill mining， L-shaped pipe， pressure loss， numerical simulation， slurry transport， pipe diameter 总第 531 期 2020 年第 9 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 531 September2020 近年来， 随着浅部矿产资源日益枯竭， 矿山开采 持续向深部发展。深部开采面临着岩层控制难、 井 下工作环境恶劣、 回采率低等问题， 充填采矿法因其 具有提高矿石回采率， 减少贫化率， 有效控制地压， 改善井下作业环境等优点得到了广泛应用。实现全 尾砂充填不仅有助于充分利用矿山固废， 而且有助 于提高矿山开采效率和安全性 ［1-4］。全尾砂充填作业 中料浆输送管道磨损现象十分严重， 通过改变充填 倍线等条件减少管道磨损已经无法满足矿山需求， 因而有必要对料浆流动参数进行优化， 实现对充填 33 金属矿山2020年第9期总第531期 系统的优化 ［5-7］。陈寅等［8］、 夏正猛等［9］结合管道输送 阻力数学计算模型， 计算了不同浓度、 灰砂比、 管道 直径条件下的料浆输送阻力， 实现了矿山料浆管道 输送参数的最优取值。甘德清等 ［10-11］基于 Fluent数 值模拟软件对不同管道直径、 料浆浓度、 临界流速等 条件下的L型弯管的阻力损失进行了分析， 实现了管 道直径和料浆质量浓度的优化取值。陈秋松等 ［12］、 颜丙恒等 ［13］通过Fluent数值模拟软件分析了不同料 浆在管道中的输送过程， 得出了料浆管道内的流变 参数， 并推导出管道直径与水力坡度、 平均流速和质 量浓度的计算模型。张钦礼等 ［14］将 Gambit 软件和 Fluent软件相结合建立了深井L型管道数值模型， 得 出适合深井管道充填的临界流速， 并提出了减轻管 道磨损的建议。张修香等 ［15-16］根据金川矿区和大红 山铜矿的实际料浆输送管路， 利用前处理软件Gam- bit建立三维模型， 在 Fluent （3D） 求解器中进行数值 模拟， 通过分析管道阻力损失和弯管处的压力确定 了矿山最佳料浆输送的质量浓度和流动速度。以上 研究主要通过不同数值模拟软件建立模型和数值计 算确定矿山最佳的料浆输送方案， 但无法有效获取 充填管道的磨损程度和管道内料浆流动时的紊乱现 象。本研究结合唐山某铁矿充填站的实际运行情 况， 利用COMSOL Multiphysics流体力学模块建立3D 物理模型， 对不同流速、 不同管道直径、 灰砂比和质 量浓度时L型管道料浆输送截面的压力及管道内的 压力损失进行研究， 确定出适合L型管道料浆输送的 管道直径、 流速、 灰砂比、 质量浓度， 为提高矿山充填 作业效率及安全性提供有益参考。 1试验参数及数值模型 1. 1L型管道充填料浆试验参数确定 本研究试验所用尾砂为唐山某铁矿选矿厂排 出全尾砂， 结合矿山现用的胶结材料制备了灰砂比 为 1 ∶4、 1 ∶6、 1 ∶8， 质量浓度为54、 58、 62的全尾 灰砂胶结充填料浆。全尾砂充填料浆在输送管道内 的受力分析模型 ［17］如图1所示。 充填料浆在管道内输送过程中会产生局部损 失， 例如接头损失、 弯头损失等， 在料浆输送过程中 输送损失约为直管损失的 10％～20， 本研究取 10进行计算和分析。L型管内的受力平衡方程可 表示为 γD 4 h h 1.1τh 1 γ V 2D 8g ，（1） 式中，γ为充填料浆密度， N/m3；D为管道直径， mm；h 为竖直管高度， m；h为料斗中料浆高度， m；τ为管道 内屈服剪切应力， Pa；g为重力加速度， 9.8 m/s2； V为料 浆流速， m/s 随着料斗内料浆逐渐流出， L型管道内料浆流速 减小， 直到停止流动。停止后， 料浆在竖直管道内静 止的高度为h0。此时， L型管道内处于平衡状态， 可 根据下式计算屈服剪切应力 τ0 γh0D 4h0 L ，（2） 式中，τ0为管道末端屈服剪切应力， Pa；L为水平管道 长度， m 根据式 （1） 、 式 （2） 可分别计算相应的管道内屈 服剪切应力τ和管道末端屈服剪切应力τ0， 在此基础 上可根据式 （3） 计算出充填料的黏性系数η η 3τ - 4τ0D 24V .（3） 不同配比下的充填料浆密度各不相同， 在管道 输送过程中的动态黏度也各不相同。根据式 （3） 计 算的黏性系数η和料浆密度γ可进一步计算出料浆 在L型管道中的动态黏度U U ηγ g .（4） 本研究室内试验装置的系列参数为 竖直管高 度h1.1 m， 料斗中料浆高度h0.40 m， 管道直径D 0.06 m， 水平管道长度L2.06 m。将灰砂比分别为 1 ∶4、 1 ∶6、 1 ∶8， 料浆质量浓度分别为 62、 58、 54 配制的全尾砂充填料浆按照以上几何参数代入式 （1） 至式 （4） ， 可以得到全尾砂充填料浆流动性试验 测试结果， 如表1所示。 1. 2L型管道数值模型构建 选用COMSOL Multiphysics数值模拟软件湍流k- 34 康志强等 L型充填管道料浆输送压力损失及优化研究2020年第9期 ω （spf） 模块， 构建XZ平面对称性L型管道输送三维 模型。模型设置的料浆流速分别为3、 5、 7 m/s， 输送 管道直径分别为70、 80、 90、 100 mm， L型弯管的弯曲 角度为90， 料浆输送管道入口竖直长度为1.1 m， 水 平管道出口长度为2.06 m， 线圈半径为50 mm， 模型 物理场为压力流线速度物理场， 物理场边界选用出 口、 入口、 对称3种。为方便观察流线线条的变化情 况， 所构建的管道模型横截面尺寸仅为实际模型管 道横截面的1 2。本次试验中物理控制的网格划分 精度为常规， 最大单元尺寸为输送管道直径的1 5， 物理模型和网格划分见图2。 1. 3L型管道数值模型计算 本研究选择的求解方式为L型管道3D模型稳态 求解方式， 假设料浆近似为不可压缩的， 入口处的料 浆流动是完全发展的湍流， 基于全尾砂料浆L型管道 输送流动时的湍流k-ω （spf） 状态， 求解了平均流速为 3、 5、 7 m/s和管道直径为70、 80、 90、 100 mm时不同灰 砂比、 不同质量浓度下L型弯管45截面的压力及压 力损失变化， 结果见表2。由表2可知 当料浆流速、 灰砂比和质量浓度相同时， 压力损失在管道直径70～ 80 mm时处于减小趋势， 在90～100 mm时处于增大趋 势。即直径为 80～90 mm 时， 管道内的压力损失最 小； 当其他条件相同只有料浆浓度不同时， 管道内的 压力损失随料浆质量浓度升高逐渐增大。 2计算结果分析 2. 1管道模型压力变化特征 本研究对流速3 m/s、 灰砂比1 ∶ 4、 质量浓度62、 管道弯曲45条件下的4种不同管径对应的压力变化 特征进行了分析。图3中， 管道内线条越均匀时， 表 明料浆在管道中的速度和受力都较均匀， 料浆在入 口到弯管拐弯阶段处于稳定状态； 料浆在通过弯管 后， 管道底部线条发生有不同程度的紊乱现象， 线性 线条的不同紊乱程度反映了底部管道磨损程度发生 了相应变化， L型管道直径越大， 管道内的线条越紊 乱， 管道底部磨损程度越严重， 如图4所示。由管道 45截面压力变化特征 （图 5） 可知， L 型管道直径越 大， 45截面压力越大。 图 6 为全尾砂料浆在 L 型管道输送时不同料 浆流速、 不同灰砂比、 不同管径条件下 45截面压 力随管道直径的变化曲线。由该图分析可知 在 35 金属矿山2020年第9期总第531期 相同灰砂比、 相同流速、 不同质量浓度下， 截面压 力随管道直径增加稳步增长， 随着质量浓度升高 而增大。 2. 2管道内压力损失变化特征 众多影响管道磨损的因素中管道内的压力损失 和管道直径是关键因素。由表2及上述分析可知， L 36 2020年第9期康志强等 L型充填管道料浆输送压力损失及优化研究 型管道内受到的压力越大， 其管道内的压力损失越 大， 作用在管道内壁的压力就越大， 管道磨损程度便 越严重， 管道服务时间则会相应缩短。通过分析灰 砂比1∶4、料浆质量浓度62下， 不同流速对应的压 37 金属矿山2020年第9期总第531期 力损失特征 （图7） 可知， 在相同灰砂比和相同质量浓 度下， 不同流速的压力损失与管道直径均呈现出二 次多向式的函数关系。L型管道内的压力损失随着 管道直径增加呈现先减小后增大的趋势， 管道直径 为 80～90 mm时， 管道内的压力损失较小， 管道磨损 程度较轻。但是根据图7显示， 当管道直径为85 mm 时， 管道内的压力损失最小， 管道内的磨损程度最 轻， 管道服务时间相对其他直径管道更长， 更有助于 降低矿山充填成本。 结合图7， 当料浆流速为3 m/s、 灰砂比为1 ∶ 4、 料 浆质量浓度为62时， 压力损失与管道直径的函数 关系为 { y 35.22D2- 173.85D 662.55 R2 0.999 4 .（5） 式中，D为管道直径， mm。 当料浆流速为5 m/s、 灰砂比为1∶4、料浆质量浓 度为62时， 压力损失与管道直径的函数关系为 { y 88.54D2- 433.36D 1 769 R2 0.998 5 .（6） 当料浆流速为7 m/s、 灰砂比为1∶4、料浆质量浓 度为62时， 压力损失与管道直径的函数关系为 { y 1.712 6D2- 290.5D 14 749 R2 0.991 5 .（7） 2. 3L型管道输送优化 管道直径为85 mm时， 不同流速、 不同质量浓度 下的管道压力损失变化特征如图8所示。分析该图可 知 在同一管道直径下， 质量浓度和灰砂比对管道压 力损失的影响不十分显著， 但料浆流速对压力损失的 影响特别明显， 相同质量浓度下料浆流速越大， 管道 内的压力损失越高。因此选择合理的料浆流速对于 降低管道磨损程度至关重要。料浆流速越高， 其压力 损失越高， 管道磨损程度越严重， 所以保持低流速、 高 浓度的管道料浆输送是减轻管道磨损程度和延长管 道服务时间最直接有效的方法。 根据上述分析可得出， 最适合该矿山L型充填料 浆输送的管道直径为85 mm， 料浆流速为3 m/s， 灰砂 比为 1 ∶4， 质量浓度为 64。本研究通过 COMSOL Multiphysics软件计算出的料浆在管道内的压力以及 管道内压力损失与室内试验结果基本相符。因此， 通过COMSOL Multiphysics数值模拟方法计算压力损 失， 进而优化设计充填矿山L型管道料浆输送方案， 有助于减轻L型充填管道的磨损程度， 延长L型管道 38 ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ 服务时间。 3结论 （1） 在灰砂比、 质量浓度和管道直径相同的条件 下， 料浆输送管道直径越大， 管道45截面的压力越 大， 同时随着料浆的不均匀流动， 管道中的料浆和管 壁之间的摩擦阻力逐渐增大， 管道底部的磨损程度 也随之变大。 （2） 在本研究参数取值范围内， 通过多元回归线 性分析， 得出管道直径减小到 70 mm 或增大到 100 mm， 都会加速L型管道底部磨损。确定出最适合该矿 山的料浆输送管道直径为85 mm、 料浆流速为3 m/s、 灰砂比为1 ∶ 4、 质量浓度为64， 可最大限度减轻管道 底部磨损。 （3） 本研究针对唐山某铁矿现阶段 70～100 mm 的料浆输送管道直径进行了数值模拟研究， 提供了 最佳的料浆管道输送方案， 有助于延长管道使用寿 命。对于大直径料浆输送管道底部磨损情况有待进 一步研究， 为该矿山进一步发展大直径管道充填工 艺提供可靠依据。 参 考 文 献 李夕兵， 刘冰.硬岩矿山充填开采现状评述与探索 ［J］ .黄金科学 技术， 2018， 26 （4） 492-502. 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