全尾砂充填料浆管道阻力损失探究及优化_甘德清.pdf

全尾砂充填料浆管道阻力损失探究及优化 甘德清 1， 2 薛娜 1 刘志义 1 薛振林 1 贾玉娜 11 （1. 华北理工大学矿业工程学院， 河北 唐山 063210； 2. 河北省矿业开发与安全技术重点实验室， 河北 唐山 063210） 摘要充填采矿技术因其自身的特点， 在矿山领域得到了大力推广， 确定合理的充填料浆配比方案和充填系统 管道输送技术参数， 是确保整个充填系统能够安全、 高效和稳定运行的重要前提。以唐山某铁矿为例， 选择灰砂比1 ∶ 8的充填料浆为试验对象， 以140 mm、 160 mm、 180 mm、 200 mm、 220 mm、 240 mm、 260 mm为试验管道直径， 分别配比 浓度为68、 70、 72、 74的充填料浆， 对充填料浆管道阻力损失影响因素进行分析， 并对其进行优化。研究结果表 明 管道阻力损失与管径呈反比例函数关系， 料浆浓度越高， 管道阻力损失越大； 管径增大到240 mm和260 mm时， 管 道底部料浆流速过快， 会加速底部管道磨损； 为实现矿山生产中的采充平衡， 建议该矿山输送管径为200 mm或220 mm， 料浆输送浓度为70。 关键词充填管道阻力损失优化 中图分类号TD853.34文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -07-032-09 DOI10.19614/ki.jsks.201907006 Investigation and Optimization of Pipeline Resistance Loss of Full Tailings Slurry Gan Deqing1， 2Xue Na1Liu Zhiyi1Xue Zhenlin1Jia Yuna12 （1. College of Mining Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063210， China； 2. Mining Development and Safety Technology Key Lab of Hebei Province， Tangshan 063210， China） AbstractBecause of its own characteristics，the filling mining technology has been vigorously promoted in the mining field，and the determination of reasonable filling slurry ratio scheme and technical parameters of pipeline transportation in filling system is an important prerequisite to ensure the safe， efficient and stable operation of the whole filling system. Taking an iron mine in Tangshan as an example， the filling slurry with a lime-sand ratio of 1 ∶ 8 was selected as the test object， the di- ameters of the test pipeline 140 mm，160 mm，180 mm，200 mm，220 mm，240 mm and 260 mm，and 68，70，72 and 74 of the filling slurry concentration are respectively selected to analyze the factors affecting the resistance loss of the filling slurry pipeline. The results show that the pipeline resistance loss is inversely proportional to the pipe diameter， and the higher the slurry concentration，the greater the pipe resistance loss；When the pipeline diameter increases to 240 mm and 260 mm， the slurry flow velocity at the bottom of the pipeline will be so rapid that the bottom pipeline is easily worn； In order to achieve the balance of mining and filling in the mine production，it is suggested that the pipe diameter of the mine be 200 mm or 220 mm， and the slurry transport concentration be 70. KeywordsFilling， Pipeline， Resistance loss， Optimization 收稿日期2019-01-05 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51774137） ， 河北省自然科学基金项目 （编号 E2016209220） 。 作者简介甘德清 （1962） ， 男， 教授， 博士研究生导师。 近年来， 充填采矿技术因其自身的特点， 得到了 大力的推广和发展 ［1-3］。相比传统的采矿方法， 充填 采矿技术在尾矿处理、 塌陷区的控制、 降低矿石的贫 化率以及改善开采环境等方面具有明显优势［4-6］。 不仅符合当今 “节能减排” 的大趋势， 也更好地控制 了矿石开采过程中固体废料的处理量， 减少了环境 污染， 同时降低了井下工人的安全隐患， 改善了井下 作业环境， 促进了矿业经济与社会发展相结合的发 展模式 ［7-10］。 研究料浆的流变特性及料浆管道阻力损失的变 化规律， 确定合理的充填料浆配比方案和充填系统 管道输送技术参数， 是确保整个充填系统能够安全、 高效和稳定运行的重要前提 ［11-12］。张钦礼等［13］利用 FLUENT模拟软件对高深度、 长距离条件下似膏体充 总第 517 期 2019 年第 7 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 517 July 2019 32 ChaoXing 填料的自流输送情况进行了数值模拟， 以图像和数 据相结合的手段， 分析了料浆浓度对管道流速和沿 程阻力影响的变化情况， 对该矿区似膏体自流输送 的可行性进行了研究。张修香等 ［14］以高浓度充填料 浆为试验对象， 以FLUENT数值仿真模拟软件为手 段， 模拟了金川矿区东部充填料的输送情况， 详细分 析了料浆输送过程中流速的变化以及阻力损失与料 浆浓度的关系。陈建宏等 ［15］运用FLUENT数值模拟 软件， 通过设置不同流速进行料浆输送的仿真模拟， 分析管道阻力损失的变化情况， 得到了料浆流速与 阻力损失之间的关系方程， 并以此模型计算出管输 自流的速度区间。张亮等 ［7］运用FLUENT软件模拟 了不同浓度的充填料浆在不同管径中的输送情况， 以沿程最大流速、 管道出口速度分布和阻力损失为 指标， 得到了管道输送的最优组合。本项目结合唐 山某铁矿充填开采实践， 采用FLUENT数值模拟软 件， 对全尾砂料浆充填管道压力、 流速等进行了分 析， 并对充填管道系统进行了优化。 1数值模型 1. 1模拟方案及料浆参数 根据矿山生产实际， 选择灰砂比1 ∶ 8的充填料浆 为试验对象， 以 140 mm、 160 mm、 180 mm、 200 mm、 220 mm、 240 mm、 260 mm为试验管道直径。充填料 浆浓度依次为68、 70、 72、 74。采用瓦斯普临 界流速公式 ［5， 7］， 计算输送临界流速 VCF1■ ■ ■ ■ ■ ■ 2gD ρs-ρ ρ 0.5■ ■ ■ ■ ■ ■ d90 D 0.167 ,（1） 式中，ρs为物料密度， kg/m3；ρ为载体密度， kg/m3；F1为 流速系数， 在这里取 1.25；d90为筛下物料占总质量 90的网格度， mm；D为管道直径。不同管径下料浆 输送的临界流速， 见表1。 由表 1 可知， 料浆的临界流速的范围为 1.21～ 1.45 m/s， 料浆的输送速度设置为2 m/s。料浆输送数 值模拟所用到的料浆参数见表2。 1. 2模型的建立 某铁矿区有3座充填站， 模拟以1号充填站为背 景。1号充填站位于矿区东侧， 充填站标高0 m。本次 数值模拟从充填站开始， 模拟到-500 m水平。在-500 m水平， 充填料浆可以自流1 160 m输送到工作面。 因此， 数值模拟从1号充填站开始布置充填管道， 通 过3个弯管到达工作面， 管道总长为2 526 m， 管道总 高差为508 m。本次建模采用GAMBIT建立模型， 以 弯管处的中心为左边原点， 弯管处的角度为90， 管 道的充填倍线为5。管道模型简图如1所示。 1. 3网格的划分 考虑管壁对充填输送的影响以及输送过程中的 边界效应， 模型构建结束后首先采用创建边界层功 能中增长比例法划分边界层网格， 增长比例为1.2， 第 一行的百分比为20， 边界层的行数为4。然后进行 面网格和体网格的划分， 面网格的网格类型为 PAVE， 体网格的网格类型为COOPER。入口处的网 格单元和弯管处的网格单元如图2所示。 1. 4边界条件的设置 在L型管道输送模拟中， 设置竖直管道入口为速 度入口 （INLET-VENT） ， 给料浆一个初始的加速度； 水平管道的出口为压力出口 （PRESSURE-OUT） ， 管 道的其余部分设置为壁面 （WALL） 。在管道的竖直 方向施加一个重力加速度9.8 m/s2。管壁粗糙度为 0.000 3 m， 管壁影响系数0.5。结合充填料浆的特点， 对充填料浆做出以下假设 充填料浆在管道中静置 或者处于流动状态是无间隙的、 连续的； 料浆的各个 方向的力学性质是一致的； 料浆是没有热交换的； 料 浆在流动过程中是不可压缩的； 满足定常稳定流动 甘德清等 全尾砂充填料浆管道阻力损失探究及优化2019年第7期 33 ChaoXing 的假设。 2模拟结果分析 2. 1残差收敛值监测 残差曲线的走势反映了数值模拟过程计算结果 的收敛情况。残差曲线呈下降过程说明计算结果趋 于收敛， 当曲线下降到设置值时， 说明计算结果收敛 效果较好。各工况条件下的计算结果在经过小范围 波动后呈现下降趋势， 最终达到了预期的收敛值， 计 算结果可靠性强。管径260 mm的管道输送模型模拟 过程的残差曲线图， 如图3所示。 2. 2管道模型压力变化 利用FLUENT软件后处理功能导出料浆输送过 程的压力损失值。管道模型的出口设置为压力出 口， 数值为0 （相对进口） ， 则进口处的压力值即为料 浆输送过程的阻力损失值。记录料浆在不同速度、 不同浓度和不同管径条件下料浆输送的管道阻力损 失， 分析不同浓度和不同入口速度下， 料浆输送阻力 损失与管径的关系， 料浆在输送过程中的阻力损失 见表3。 从表3可以看出， 当料浆的初始速度和浓度相同 时， 料浆的管道阻力损失随着管径的增大不断的减 小。管径小于220 mm时， 料浆的阻力损失的变化较 快， 管径大于220 mm时， 料浆阻力损失的变化幅度明 显减低。绘制质量浓度为68～74的料浆阻力损失 随管径的变化示意图， 总结出管道阻力损失与管道 直径的关系， 如图4所示。 从图4可以更加直观地看出， 同一灰砂比条件 下， 充填料浆的阻力损失与管径均呈反比例函数关 系， 随着管径的不断增加， 管道阻力损失的减少量越 来越小。当管径增大到220 mm以后， 料浆的阻力损 失变化幅度明显减低。利用分析软件对管道阻力损 失P与管径D的关系进行拟合， 得到不同料浆浓度时 P与D之间的关系， 如下面式 （2） ～式 （5） 所示。 料浆浓度为68时， 管道阻力损失与管径的关 系 ■ ■ ■ Pe 0.047 2 309.712 D22.746 R20.999 6 .（2） 料浆浓度为70时， 管道阻力损失与管径的关 系 ■ ■ ■ Pe -0.024 7 391.565 D45.716 R20.999 8 .（3） 金属矿山2019年第7期总第517期 34 ChaoXing 料浆浓度为72时， 管道阻力损失与管径的关 系 ■ ■ ■ Pe 0.250 293.494 D17.189 R20.999 5 .（4） 料浆浓度为74时， 管道阻力损失与管径的关 系 ■ ■ ■ Pe 0.181 333.687 D28.893 R20.999 6 .（5） 管道阻力损失随料浆浓度的变化趋势如图5所 示。从图5中可知， 随着料浆浓度的增加， 输送的阻 力损失逐渐增大。其中当料浆浓度由 68增加到 70时， 料浆阻力损失增长的快， 当料浆的质量浓度 由70逐渐增长到74时， 阻力损失基本呈线性增 长， 增长幅度趋缓。 2. 3管道模型流速变化 图6～图8为初始流速和浓度相同的料浆在不同 管径中的输送情况。料浆在管道进口有一个初始速 度， 在重力的作用下， 料浆的速度逐渐升高。经过弯 一处时， 料浆的速度集中在管道外侧， 管道内侧出现 蓝色空蚀区， 矿山实际生产中也是因为这种原因导 致管道破损。通过观察3个弯管处的速度分布， 发现 弯一处的速度最大， 在矿山实际生产中应该着重注 意弯一处的磨损， 在弯一处进行减阻措施。从图8 （c） 水平管段可以看出， 料浆在管径、 240 mm水平管 段的输送过程中， 速度中心位于管道下方， 这种现象 同样也出现在管径240 mm其他浓度的输送过程中， 说明料浆在管径较大的管道中输送容易产生料浆流 速分布不均的情况， 而且底部料浆速度大容易造成 管道的磨损， 增加矿山的成本消耗。 2. 4管道模型出口流速变化 料浆管道出口处的速度是料浆管道输送过程中 的一个重要指标， 料浆出口速度过大会使管道出口 不稳定， 影响充填料浆在井下采场空区分布不均。 管径为200 mm和220 mm料浆的出口处的速度分布 情况， 如图9、 图10所示。 从图9可以看出， 料浆在管道出口断面呈同心圆 分布。在图10 （a） 料浆出口断面径向分布图中可以 看出， 料浆在出口断面的速度最大值偏向管道的上 甘德清等 全尾砂充填料浆管道阻力损失探究及优化2019年第7期 35 ChaoXing 方。随着料浆浓度的升高， 料浆在管径200 mm的管 道中输送时， 料浆的速度最大值不再发生偏移， 基本 维持在管道中心。 从图10中可以看出， 料浆出口处的流速在管道 的横断面上也是呈同心圆分布， 在横断面径向上， 出 口流速在径向上呈抛物线分布， 速度中心大多数在管 道的中心分布。但是， 在管径为220 mm的管道中， 浓 度为68的料浆输送的时候也出现了速度最大值偏 离管道中心的情况。当料浆速度中心偏向管道上部 时， 管道横断面下部的料浆流速较慢。在矿山的实际 生产中， 随着充填作业的不断进行， 容易发生料浆在 管道底部淤积， 产生堵管现象， 给矿山生产带来影响。 提取料浆出口断面的分布数据， 计算不同工况条 件下料浆出口速度中心的偏移量， 见表4所示 （正值表 示偏离管道中心上方， 负值表示偏离管道中心下方） 。 从表4中不难发现， 管径在200 mm以下 （不包括 200 mm） 时， 各浓度料浆的速度中心位于管道中心， 没有出现偏心的现象。浓度为68的料浆在管径为 200 mm和220 mm的管径中输送时， 速度中心偏离管 道中心上方， 管道底部料浆流速较低。料浆在管径 为240 mm和260 mm中流动时， 速度中心位于管道底 部， 而且偏移量达到5 cm左右。 2. 5矿山管道输送优化 当料浆自流输送的初始速度为2 m/s时， 要使充 填能力达到200 m3/h以上， 根据计算可知， 料浆输送 的管径最小值为188 mm。通过速度图像发现， 不同 浓度的料浆在管径为240 mm和260 mm的管道中输 送时， 料浆在水平管段的速度中心位于管道位置偏 下的位置， 导致管道底部料浆流速增大， 加速管道底 部磨损， 增加矿山成本。因此， 应采用管径为200 mm 或220 mm的管道进行料浆输送。 由出管口断面料浆的流速分布情况可知， 浓度 为68、 70、 72和74的料浆在200 mm和220 mm 的管径中输送时， 浓度68的料浆的速度中心位于管 径中心的上部， 料浆底部的流速偏低， 在实际生产中 容易造成料浆在管道底部淤积， 加速水平管道的磨 损。随着料浆浓度的增大， 管道阻力损失呈逐渐上 升趋势， 为减小管道阻力损失， 减小管道磨损， 矿山 应采用浓度为70的料浆进行充填。 3结论 （1） 管道阻力损失与管径呈反比例函数关系， 与 料浆浓度呈正相关性， 通过模拟， 得到适用于该矿山 特定浓度和流速下阻力损失的函数关系式。 （2） 当管径增大到240 mm和260 mm时， 在料浆 甘德清等 全尾砂充填料浆管道阻力损失探究及优化2019年第7期 37 ChaoXing 水平管道流动阶段， 料浆输送的速度中心向管道中 心下方偏移， 管道底部料浆流速过快， 会加速底部管 道磨损。 （3） 浓度为68的料浆在管径为200 mm和220 mm的管道中输送时， 料浆速度中心位于管道上方， 料浆底部速度偏小， 容易在管道底部发生料浆淤积， 引起堵管现象， 给矿山生产带来隐患。 （4） 为了实现矿山生产中的采充平衡， 建议该矿 山应采用的输送管径为200 mm或220 mm， 料浆输送 浓度为70。 金属矿山2019年第7期总第517期 38 ChaoXing 参 考 文 献 邹正勤， 高谦， 南世卿.充填采矿用全尾砂胶结材料流变特性 研究 ［J］ .金属矿山， 2012 （12） 132-135. 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