膏体充填管道输送数值模拟与分析.pdf

第 1 5卷第 7期 2 0 0 6年 7月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo I ． 1 5 。No ． 7 J u l y 2 0 0 6 膏体充填管道输送数值模拟与分析 王新民 丁德强 吴亚斌 张钦礼 卢央泽 中南大学 长沙 4 1 0 0 8 3 摘 要 首先介绍了膏体充填技术的基本情况，接着提出了F L OT R AN C F D 计算流体动力学的 基本 分析过程 ，在建立 管道 几何模 型和提 出膏体 充填管道输送 的基本假设 的基础 上，运用 ANS Y S软件 中的 F L OT RA N C F D模 块进行模拟分析 。通过 改变荷载或参数 ，对 F L O TR AN C F D进行重启 动，得 出 一 系列结果 ，符合科学基本 规律 ，说 明了该方法 的科学性 和有效性 。 关键词 膏体充填数值模拟阻力 中图分类 号 TD 8 2 5 ． 6 文献标识码 A 文章编号 1 O O 4 4 0 5 1 2 0 0 6 O 7 一O O 5 7 一O 3 NUM ERI CAL S I M ULATI oN AND ANALYS I S OF PAS TE BACKFI LLI NG W I TH PI PI NG TRANS PORT Wa n g Xi n mi n Di n g De q i a n g W u Ya b i n g Z h a n g Qi n l i L u Ya n g z h e Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t yCh a n g s h a 4 1 0 0 8 3 Ab s t r a c t At f i r s t ，t h e b a s i c c i r c u ms t a n c e o f t h e p a s t e b a c k f i l l i n g t e c h n o l o g y i s i n t r o d u c e d，t h e n i t p u t s f o r wa r d t h e b a s i c a n a l y s i s p r o c e s s o f FL OTRAN CFD c a l c u l a t i o n o f f l o w d y n a mi c s ．At b a s i s o f b u i l d i n g u p p i p i n g mo d e l s a n d p u t t i n g f o r wa r d t h e b a s i c a s s u mp t i o n，i mi t a t e a n d a n a l y z e t h e f l o wi n g i n t h e p i p e wi t h FLOTRAN CF D o f t h e ANS YS s o f t wa r e ．At l a s t ， c h a n g e l o a d s o f t h e f l o w o r p a r a me t e r ，s t a r t t h e FL OT RAN CF D a g a i n a n d g e t a s e r i e s o f r e s u l t s ，t h e d a t a ma t c h b a s i c r e g u l a t i o n o f s c i e n t i c a l t h e o r i e s ，wh i c h s h o ws t h e s c i e n c e a n d e f f e c t i v e n e s s o f t h i s me t h o d ． Ke y wo r d s Pa s t e b a c k f i l l i n g Nu me r i c a l s i mu l a t io n Re s i s t a n c e 1 引言 膏体充填技术 自 2 0世纪 8 0年代初于德 国普鲁 萨格金属公司巴德格隆德 B a d Gr u n d 铅锌矿成 功试用后 ，相继在美国、加拿大、澳大利亚和南非 等许多国家应用起来n 。经过不断地研究探索与 矿山实践 ，该理论技术 已逐渐成熟 ，日益引起注意 和重视 。 将一种或多种充填材料与水进行优化组合 ，配 制成具有 良好稳定性、流动性和可塑性的牙膏状胶 结体，在重力或外加力 泵压作用下 ，以柱塞流 的形态输送到采空 区完成充填作业 的过程 ，叫做膏 体充填 。 膏体充填系统有一系列优点，如可使用 全尾砂 、充填体不需脱水 ，因而井下无充填污染 ， 也节省 了排水费用 ，充 填体强度高且水 泥消耗量 收稿 日期 2 0 0 6 0 1 1 6 作者简介 王新民 1 9 5 7 一 男 中南 大学资源 与安全工 程学 院 教授 长期从事采矿工程 和安全技术教学与科研工作 丁德强 1 9 8 2 一 男 中南大学资 源与安全 工程学院 硕士研究 生研究方 向采空 区充填工艺 少 ，充填体易于接顶 ，有利于采场稳定和采矿作业 安全等等。但该技术方法也存在一些缺点 ，如充填 系统投资高，充填 倍线要求大或需 大功率泵送设 备 ，充填管道容易堵塞等等。 。因此 ，如何克服 以 上缺点 ，既要避免高压带来的高流速造成对管道的 冲击和磨损 ，又要避免压力小而流阻大造成的充填 管道堵塞 ，最关键的问题就是要解决管道阻力损失 与膏体 自重加速 甚至泵压之间的平衡问题 。 在矿山膏体充填中，管道阻力损失的大小是影 响整个膏体充填管道输送系统工艺正常运行最主要 的因素 ，运用合适的数值模拟方法 ，对膏体充填管 道输送进行模拟，对其进行定性研究 ，可以得到管 道输送的阻力损失值 ，根据所得结果对充填工艺进 行改进 ，这样 可使 设计更 为完善。本 文就是运用 ANS YS软件 中 F L OT R AN C F D 计算 流体动力 学模块对膏体充填管道输送，进行数值模拟和分 析 。 2 ANS Y S F L OT RAN C F D简 单介绍及 其分 析 ANS Y S软件 由世界上最大的有限元分析软件 维普资讯 中 国 矿 业 第1 5 卷 公司之一的美国 ANS YS公司开发出来的，它是融 结构 、流体 、电场、磁场 、声场分析于一体的大型 通用型有 限元分析软件“ 。目前 已广泛应 用于机 械、汽车 、土木工 程、海洋 工程 、地 质、石 油化 工 、生物 等诸多 领域 。AN S YS软件 中的 F L OT RAN C F D分析功能 ，是一个用于分析二维及 三维 流体流动的先进的工具 ，可解决一些弯管 中流体的 复杂的三维问题 。 本文的 F L OT RAN分析过程 ，采用如下七个 主要步骤 确定 问题 的区域 ；确定膏体流 动 的状 态 ；建立有限元模型及生成 网格；确定、施加边界 条件 ；设置 F L OT RAN分析的参数 ；求解与反馈 ； 检查 、分析结果 。 3 充填管道的几何模型及定性分析 的基本假 设与 前提 3 ． 1 充填管道几何模型的建立 基于 ANS YS软件的一些局限性和矿山充填管 道输送 的复杂条件 ，在定性分析中，管道 的几何模 拟可以简化成如图 1 所示。管道竖直段为 2 0 m，水 平段为 3 0 m，几何倍线 2 ． 5 ，两段成 9 O 。 ，管道 内 径为 1 2 5 mm，采用 内径 为 1 2 5 mm 的直角 弯管连 接 。 图 2 充填管道几何模型示意图 3 ． 2 F L O TR AN C F D分析的基本假设和前提 矿山充填管道浆体输送工艺及其力学结构的复 杂性 ，决定了当前 尚无法求得管道输送 问题 的精确 解 ，为了便于建模和分析计算 ，作出如下假设 ① 粘性浆体具有恒粘性 ，不随温度 、时间的变化而变 化 ； ②浆体为非牛顿流体 ，其流变模型近似于宾汉 姆体 ；③不考虑热交换 ；④不考虑振动、地压波等 对管道输送的影响。 4 载 荷的施 加及 分析 结果 4 ． 1 载荷的施加 在本次 F L OT RAN分析 中，对管道施加 四种 载荷 。第一种是给定膏体在管道中的进 口速度 ；第 二种是对管道壁施加无滑动位移边界条件 ；第三种 是在给定矿山井下通风条件 良好的情况下 ，管道 出 口的气压与井上管道进 口的大气压相等，即相对气 压为零；第四种是重力载荷 ，即在垂直负方 向上的 重力加速度。在计算中施加的载荷 ，将不随单元方 向变化而改变 ，始终保持它们最初的方 向，表面载 荷作用在单元表面的法向。 4 ． 2 F L OT RAN分析结果 1 分析过程中的收敛监测量 各个 自由度 的收敛监测量，这些 自由度包括 速 度 VX、VY 、压 力 P RE S 、紊 流 动 能 E NKE 、动能耗散率 E ND S 。在分析初始阶段 出现了振荡，但收敛监测量的逐渐减小 ，都趋于收 敛 图 2 ，证 明模拟结果较为可靠。 w Vx l PRES ～ C u mIl l a t i v e i t e mt l o n Nu mb e 图 2 各 自由度收敛监测■值 2 流速 分析 管道沿程流速 除出入 口、弯道处发生变化外 ， 基本稳定在 2 ． 8 6 ～3 ． 2 2 m／ s 图 3 ，管道断 面流 速除靠近管壁部分 2 5 mm 内呈现较大梯度外 ， 分布基本均 匀，呈现结构流特点 图 4 。但在弯 管处沿管道截面，流速有较明显梯度分布，自弯管 外侧 向内侧流速逐渐加大 图 5和 6 。浆体到达 出口时 ，流速放缓 图 7 。 一 0 0 ．7 1 5 0 3 3 1 ． 4 3 2 ． 1 4 5 2 ． 8 6 0 ． 3 5 7 5 1 7 l m 3 l 8 6 2 ． 5 0 3 e CF D a n My ms o f a p i p 5 o | rI 图 3 管道沿程流速 3 压力分析 ＆ c 0 J 0 0 董 N 量 0 z 维普资讯 第 7期 王新 民等 膏体充填管道输送数值模拟与分析 5 9 V E C T0 R 图 4 直管道断面流速分布 图 S T E P l S UB l V N OD E I 4 8 0 0 MT N 0 MA X 3 ．2 1 8 0 0 ． 7 1 5 0 3 3 1 ．4 3 2 ． 1 4 5 2 ．8 6 0 ． 3 5 7 5 1 7 1 ．0 7 3 1 ．7 8 8 2 ． 5 0 3 3 ．2 1 8 T h e C F D a n a l y s i s o f a p i p _ 5 0 m 图 5 弯管部分流速 变化 图 图 6 弯管断面流速分布 图 O 0 ． 7 1 5 0 3 3 1 ．4 3 0 ． 3 5 7 51 7 1 ．O 7 3 2 ． 1 4 5 2 ．8 6 1 ． 7 8 8 2 ．5 0 3 3 ． 2 1 8 图 7 管道 出口部分流速变化 图 由于出 口压力值为 0 ，故进 口的压力即为整个 管道输送的阻力损失值 。如图 8 所示 ，管道进 口过 直径截面的压力相差较小 ，最大值为 5 6 5 9 3 ． 9 5 P a ， 最小值 为 5 6 4 0 7 ． 0 3 P a ，最 大 值 与 最 小 值 相 差 约 1 9 0 Pa。 4 改变载荷或参数后的分析结果 比较 倍线对阻力损失 的影响。表 1为不同管道长度 0 ． 1 2 5 0 ． 3 7 5 0 ． 6 2 5 0 ．8 7 5 1 ． 1 2 5 E l S r 图 8 管道进 口断面压力分布图 垂直管道维持 2 0 m阻力损失 的变化值 。从表 中 可以看出，在垂直高差一定的条件下，水平管道越 长 即充填倍线越大 ，阻力损失越大。 表 1 管道长度 与阻力损失的关 系 管径对阻力损失的影响。管径对阻力损失影响 的数值模拟结果 表 2 表 明，阻力损失随管径增 大而减小。 表 2 管径与阻力损失的关系 流速对阻力损失的影响。流速对阻力损失影响 的数值模拟结果 表 3 表明，阻力损失随流速增 大而增大。 表 3 流速 与阻力损失 的关 系 浆体密度对阻力损失 的影响。浆体密度对阻力 损失 影 响 的数 值模拟 结果 表 4 表 明 ， 阻力 损 失 下转第 6 6页 维普资讯 中 国 矿 业 第1 5 卷 浸出条件L ／ S ---- - 1 ． 1 ／ 1 ，浸 出 2 4 h ，矿石预处 理 ，添加剂量为矿石量的 O g 、0 ． 2 g 、0 ． 4 g 、0 ． 6 g 、 0 ． 8 g ，矿量为 1 0 0 g ，粒度为 9 5 ～4 0目。 表 8 助浸剂对浸 出的影 响 从表 8 看 出，添加助浸剂可提高浸出率约 2 左右 ，一般添加 0 ． 6 即可。 3 结 论 1 矿石经预处理后 ，浸出率大为提高，是提 高浸出率的关键所在 ，矿石预处理后 ，对破坏云母 结构有利，也对浸出有利 ； 2 浸出时 ，矿石添加助浸剂后 ，可提高浸出 率 2 左右； 3 建议工艺参数 预处理温度 1 2 0 ℃，恒温 2 4 h以上 ，添加剂 P K 为 1 ． 8 ，浸出温度 8 5 ℃～ 9 0 ℃ ，L ／ S 1 ． 1 ／ 1 ，浸 出 助 剂 为矿 石 量 的 0 ． 6 。 浸 出时间 为 1 5 h 。 _ 参考文献 [ 1 ] 李晓健．酸浸一萃取 工艺 在石 煤提钒 工业 中 的设计 与应用 口] ．有色金属 ，2 0 0 0 ，1 6 5 3 ，2 1 2 3 ． C 2 3 邹晓勇等．含钒石煤 无盐焙烧酸浸生产五氧化二钒工艺的研 究 口] ．化学世界 ，2 0 0 1 3 ． [ 3 3 鲍正襄 等． 湘西北钒 矿床 地质特 征及其成 因 [ J ] ．湖北 地 矿 ，I 9 9 8 ， 1 2 9 2 ． [ 4 ] 郑祥明等．湿法提取 石煤 中钒的新工艺研究 口] ．湘潭大学 自然科学学 报 ，2 0 0 3 1 ． C 5 3 鲁兆伶 ．用酸法从石煤 中提取五氧化二钒的试验研究与工业 实践 [ J ] ．温法冶金 ，2 0 0 2 ，2 1 4 ． 七 七 - e- - “ 七 七 七 七 七 - e - - “ 七 七 七 - e - - “ 七 七 - e - - “ 七 - e - - “ - e- - “ - e - - “ - e - - “ - e - - “ 上接第 5 9页 随密度的增大而增大。但浆体密度对阻力损失影响 的程度 比倍线 、管径和流速对阻力损失影响的程度 要低 对 比分析表 3 ～表 6 。 表 4 浆体密 度与 阻力损失的关 系 浆体粘度对阻力损失的影响。浆体粘度对阻力 损失影响的数值模拟结果 表 5 表 明，阻力损失 随有效粘度的增大而增大。 表 5 浆体粘度与 阻力损失 的关 系 5 小 结 1 在矿山膏体充填管道输送中，随着管道的 几何数值 及各相关参 数 的变化 ，阻力损失发生变 化。具体地讲 ，阻力损失随着管道总长度、膏体初 速度 、密度、有效粘度的增大而增大 ；随着管径的 增大而减小。 2 所得结果符合矿山充填基本科学规律 ，对 深井充填长距离管道输送 ，可作大概的推算 ，因而 具有一定的科学参考价值 。 3 本次所建模型 比较简单 ，是应用 ANS YS 软件分析矿山膏体充填管道输送的一次尝试。随着 各种大型流体分析软件的逐渐完善 ，以后可以建立 更为复杂的模型进行模拟 ，为矿山的采空区充填工 程作出更大的贡献。 _ 参考文献 [ 1 ] 王新 民等．深井矿 山充填 理论与技术[ M] ．长沙 中南 大 学出版社 ，2 0 0 5 ． C 2 3 刘 同有等．充填采 矿技术 与应用 [ M] ．北 京 冶金 工业 出 版社 ，2 0 0 1 ． [ 3 3 刘同有等．国内外膏体充填技术 的应用与研 究现状 [ J ] ．中 国矿业 ，1 9 9 8 ． [ 4 3 赵海峰 ，蒋迪 等．ANS YS 8 ． 0工程结 构实例分 析 [ M] ． 北京 中国铁道出版社 ，2 0 0 4 ． 1 0 ． C 5 3 HELMS，W．Th e d e v e l o p me nt o f b a c k f i l l t e c h n i q u e s i n Ge r ma i n me t a l mi n e s d u r i n g t he p a s t d e c a d e ．Mi n e f i l l 9 3 ．J o h a n n e s b u r g S AI M N ，I 9 9 3 ． 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