计算流体力学在充填料浆管道输送模拟分析的应用及研究发展方向

充填料浆的管道输送作为矿山充填的重要环节,直接影响着充填系统的效率,亟需新的研究手段对浆体管道输送试验方法进行探究。结合计算流体力学(CFD)在充填料浆管道输送分析的应用,介绍了CFD技术的计算方法及流程;分析了近些年CFD在充填料浆流动特性、管道输送特性及管网参数优化等方面的研究现状及应用难点;认为目前CFD应用于膏体输送存在复杂管道输送系统建模和网格划分困难、无法进行料浆输送过程的微观机理研究、料浆输送参数选择困难等问题;对CFD应用于充填料浆输送模拟分析的研究发展趋势进行了探讨,认为提高计算精度和工业化应用将成为CFD在充填领域应用的主要研究方向。     

膏体充填料浆管道自流输送分析及管线布置

自流充填具有充填效率高、工艺流程简单等优势,但膏体充填料浆由于浓度高,管道输送阻力大,易发生堵管等输送风险,因此,膏体充填料浆自流充填难度大。为了使膏体充填料浆实现安全可靠的自流充填,简化充填工艺流程,节约充填成本,本文以探究膏体料浆自流充填的可行性、确定膏体充填料浆自流充填条件为研究目标,通过试验确定合理的充填工艺参数,从而制备了均质性较好的膏体充填料浆,计算了膏体充填料浆在管道输送中的阻力,论证了膏体充填料浆自流输送的可行性,确定了膏体自流充填最大允许倍线。并根据膏体充填料浆的基本参数,结合膏体料浆管道输送的特性及井下实际生产情况,优化了充填管道布置。经生产实践验证,膏体充填料浆的自流充填能力由原先的50m~3/h提高到了110m~3/h,且生产运行过程中,膏体充填料浆管道输送系统稳定可靠,料浆管道输送流畅,能够满足膏体充填料浆自流输送需求,极大提高了充填效率,简化了充填工艺流程。     

金厂河多金属矿充填料浆长距离反坡输送研究

为了保障金厂河多金属矿D采区安全可靠的长距离反坡输送,通过开展充填料浆扩展度试验和流变试验,测试了不同浓度及灰砂比条件下的充填料浆流变参数。基于充填料浆管道沿程阻力理论公式和数值模拟耦合分析,计算了管道输送阻力和充填工业泵出口压力,进而确定了D采区合理的充填工艺参数。根据矿山D采区充填管网工程条件,制定了相适配的充填管道输送方案,实现了D采区膏体充填料浆安全、高效泵送充填。     

充填料浆大直径管道输送流动型态研究现状与关键问题

充填料浆大能力管道输送是大规模地下矿山充填开采的关键环节,需要建立与之配套的大直径管道输送系统。充填料浆的流动型态是造成管道堵塞、磨损等输送故障的根本原因,决定了大直径管道输送充填料浆的稳定性。为探究充填料浆大直径管道输送流动型态的本质和变化规律,总结论述了沉降性浆体管道输送流动型态研究现状,分析了充填料浆大直径管道输送流动型态研究的关键问题和研究价值,为充填料浆大直径管道输送流动型态研究提供理论依据,指明研究方向。     

全尾砂料浆管道输送阻力损失影响因素敏感性分析

充填料浆管道输送是充填采矿工艺的重要环节,为了研究不同因素对充填料浆管道输送阻力损失的敏感性,以管道阻力损失为指标,采用正交设计方法设计试验,通过Fluent双精度求解器进行模拟计算,探究料浆质量浓度、流速以及管径对阻力损失的影响程度。结果表明:影响管道输送阻力损失的敏感性顺序为:管径质量浓度流速;管径的影响最为显著,因此,矿山在充填系统设计和优化中,应充分考虑输送管径的影响,适当增大管径减少料浆管道输送阻力损失,以保证矿山充填系统安全高效运行。     

金川全尾砂膏体物料流变特性的研究

金川有色金属公司是中国较早试验研究和生产应用胶结充填料浆管道输送的采、选、冶联合企业。早在1975年从浆体管道输送试验室发现了高浓度料浆的管道输送特性,并设计和建立了高浓度料浆重力管道输送弃填生产系统。80年代末期又开始试验研究新一代的高浓度充填工艺——全尾砂膏体泵送系统,对多种物料组分的全尾砂膏体物料进行了管流特性和流变特性的测试与研究,为设计提供了依据,建成了新的尾砂胶结自流系统和泵送系统。本文重点介绍全尾砂膏体物料流变特性的检测方法,试验内容和取得的初步成果。     

矿山充填管道水力输送研究进展

概述矿山充填管道水力输送的发展历程,介绍自流输送充填倍线、低浓度充填料浆对采矿过程的影响,泵压输送充填料粒级分布,泵送设备寿命,泵送充填系统可靠性和充填管道挤压输送等方面的研究进展与应用.探讨了矿山充填管道水力输送存在的问题与发展趋势.     

粉煤灰掺加量在充填料浆管道输送中的减阻作用

充填料浆在管道中的输送过程就是料浆与管壁碰撞摩擦的过程,摩擦阻力不同,管道使用年限有所不同。主要分析了掺加粉煤灰后,不同配比料浆在充填管道内输送的减阻性能。通过试验发现,粉煤灰自身含有细小的玻璃球状颗粒,在充填管道内能够起到滚珠作用,同时增加管道内颗粒之间的润滑功能。因此,粉煤灰的掺加对于延长充填料浆远距离输送管道寿命,提高料浆流动性,降低输送阻力有着重要作用。     

管道磨损因素与防治技术分析

分析了矿山充填料浆输送管道磨损原因,归纳了料浆浓度和颗粒、管道材质和外形参数、充填倍线和管压与管道磨损的关系,给出了降低管道磨损的技术措施。     

某矿山高浓度胶结充填材料试验研究

针对某金属矿山将原废石充填采矿法改为全尾砂胶结充填采矿法的现状,对其选厂全尾砂开展了基本物理化学参数、粒度分析、塌落度等试验研究,进行了不同质量浓度的全尾砂充填料浆的 L 管流动性试验.根据试验结果,计算出全尾砂充填料浆在不同质量浓度、不同流量及不同管道直径条件下的管道输送阻力,分析得出管道输送阻力的关键影响因素,并确定可实现充填料浆管道自流输送的充填倍线.结果表明:充填料浆质量浓度为７０％~７６％时,塌落度均在２８cm 以上,流动性较好;管道输送阻力的关键影响因素为充填料浆质量浓度和管道直径,充填料浆质量浓度越大,管道直径越小,管道输送阻力越大;当全尾砂充填料浆质量浓度为７０％~７６％,输送管道直径为１５０mm,充填流量为８０m３/h时,其流动性及输送性能最佳,可以实现顺利自流输送的充填倍线为６．７１~１１．１３.试验结果可为该金属矿山全尾砂胶结充填系统建设提供技术支撑     

高浓度全尾砂充填料浆临界输送流速研究

以某地下矿山超大规模充填开采发展趋势为背景,结合矿山环境保护的迫切需要,充分考虑粒级组成、料浆黏度、料浆与载体密度、物料密度、管径、管壁粗糙度、管道安装质量、物料加权平均沉降速率等复杂因素,以管道输送阻力损失最小为原则研究高浓度全尾砂充填料浆在不同直径管道内的临界流速,构建高浓度全尾砂充填料浆临界输送流速模型,分析管径和浓度对临界输送流速的影响规律。经验证,高浓度全尾砂充填料浆临界输送流速模型的计算结果可靠,模型计算得出的临界输送流速随管径、浓度等因素的变化表现出明显的规律性。研究结果表明：随着管径的增大,高浓度全尾砂充填料浆临界输送流速呈按幂函数增大的变化特征;随着浓度的增大,高浓度全尾砂充填料浆临界输送流速呈按三次多项式减小的变化特征。     

全尾砂充填料浆管道阻力损失探究及优化

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%。     

浓度对大直径管道内料浆输送特性的影响

以大直径管道输送超细全尾砂胶结充填料浆技术为研究对象,构建大直径输送管道三维模型,基于三维单精度解算器Fluent-3D中Reliable k-epsilon模型,研究大直径管道内浓度对超细全尾砂胶结充填料浆输送特性的影响。结果表明,在充填倍线为3的条件下,灰砂比为1〖DK(〗∶〖DK)〗6的超细全尾砂胶结充填料浆在200 mm直径管道中输送时,在弯管下部内侧管壁位置出现空蚀区,随着浓度的增大,空蚀区范围先增大,后趋于稳定;随料浆浓度的增大,浓度小于64%时,管内料浆平均流速线性增长,料浆浓度大于64%时,管内料浆平均流速先增大后减小;随着料浆浓度的增大,浓度小于68%时,料浆在管内流动的压力损失以较大速率增长,浓度大于68%时,料浆流动的压力损失增长缓慢。研究认为,66%浓度为200 mm直径管道输送超细全尾砂胶结充填料浆的最佳输送浓度。     

三通装置在管道自流充填采场改口的应用

矿山高浓度细砂管道自流冲填中,在采场改口或者设备临时故障时,必须停机清洗管道或者为确保管道稳流而持续注水,将大量的地表水通过管道输送到井下采场,造成料浆浓度大幅度降低,对采场充填体破坏极大,同时也易造成跑灰、漏浆,对生产造成严重影响.在管道输送系统加装三通装置后,避免了因采场改口造成的频繁停机和洗管注水,实现了持续高浓度充填,提高了充填体强度.     

深海采矿扬矿硬管内高速螺旋流当地浓度的研究

针对深海采矿扬矿硬管内高速螺旋流提升大洋锰结核颗粒的当地浓度受多种因素影响的问题,基于欧拉-欧拉理论模型,选用SIMPLE算法和RNGk-ε湍流模型,以含有锰结核颗粒的海水为流动介质,对扬矿硬管内液固两相流进行数值模拟,分析了管道、物料和浆体的特性等因素对颗粒当地浓度的影响规律。结果表明：不同工况条件下,管道内径、锰结核颗粒粒径、颗粒密度、提升角速度、提升浓度的增大均有助于提高颗粒的当地浓度,进而有利于提高颗粒的输送效率;过大的提升速度将会抑制断面上颗粒当地浓度的提高,从而降低颗粒的输送效率和提升能力;但管壁粗糙度及浆体黏度对当地浓度影响很小。研究结果对深海采矿扬矿硬管内高速螺旋流的输送参数优化和工程应用具有一定的指导意义。     

某铁矿充填管网延深参数优化研究

为减少某铁矿充填管道磨损、降低充填作业的堵管风险,达到优化井下管网的目的,通过全尾砂粒度分析、塌落度试验和L管流动性试验,对该铁矿充填料浆的流动性能进行了研究,确定了结构流态料浆浓度、流变参数,计算了结构流状态下料浆自流输送的沿程阻力,并得到了管网延伸的最优布设地点。研究表明：该铁矿全尾砂粒度较细,平均粒径为51.6 μm,72%～70%料浆塌落度为28.6～27.3 cm,屈服剪切应力τ0为3.690～1.471 Pa,黏性系数η为0.701～0.450 Pa·s。由试验过程及结果可确定充填料浆浓度为72%～70%时呈现结构流态。在上述分析的基础上,对深部矿体充填管网延深参数进行了优化,当料浆浓度为72%时,沿程输送阻力为1.420～1.893 kPa/m,充填天井布设范围应为631～673 m,此时结构流态料浆的自流输送可有效克服满管率低、管道磨损严重等不足。     

桃山矿胶结充填管道输送系统充填试验

为了解决桃山矿三井工作面充填开采过程中出现的堵管以及管道的高磨损率等问题,运用流体力学理论,结合该工作面的实际情况,采用自流+泵送的管道输送技术进行了工业试验,并利用ANSYS模拟分析了在速度2.0 m/s时,不同料浆浓度、管径对全程管压的影响。模拟结果表明:既定输送速度下,在合理的可控范围内且易于输送时的充填料浆浓度、管径取值范围分别为52%、140~180 mm时,输送管压分别为134.561 kPa、130.053~138.759kPa。根据模拟结果进行的工业试验表明,堵管和高磨损率等问题得到了解决,充填开采取得良好的效果,有效地控制了顶底板的变形,降低了顶板的下沉量,减少对环境的破坏,验证了该管道输送系统是一种"安全、经济、环保、可靠"的充填采煤系统,为该矿以及类似条件下的矿山充填开采提供了借鉴。     

低高程长距离充填输送管网参数及阻力研究

为了设计合理的低高程、长距离管道泵送输送系统,对开磷集团马路坪矿区的充填输送管道进行了选择,并对其阻力大小进行了理论研究。研究结果表明,选取20#无缝钢管,外径140 mm,壁厚9.5 mm,在16 MPa静压作用下完全满足充填料浆的输送要求;料浆质量浓度53%~58%,浆体流速1.6~2 m/s,最大输送阻力2 083.04~15 368.53 kPa。通过研究,为泵送系统提供合理的设计依据。     

浆体管道的不淤流速研究

属于均质与非均质混合流的工业浆体管道，其不淤流速由颗粒保持悬浮要求的紊动强度来决定。基于浆体物理特性及固体颗粒紊动悬浮理论，并应用大量管道试验的观测资料，可推得浆体和道临界不淤流速新公式，全面反映浆体的粘性，颗粒组成浓度以及管道内径等因素的影响，因而使不淤流速确定摆脱了对环管试验的依赖性及局限性，为大口径输煤管道输送流速确定，提供简便且可靠的依据。     

考虑壁面滑移效应的充填料浆管道输送阻力研究

为了探究壁面滑移效应影响下的充填料浆管道输送阻力的变化特征，建立了考虑壁面滑移效应的管道输送模型，利用Comsol数值模拟软件分析了料浆浓度、管径及灰砂比对管道阻力损失的影响。研究表明 ：①模型计算结果的相对误差在合理范围内，该模型用来计算考虑壁面滑移效应的充填料浆管道输送阻力是可靠的；②考虑壁面滑移效应的情况下，各因素对管道阻力的影响程度依次为管径>质量浓度>灰砂比，管径 增大，壁面剪切作用力减小，颗粒迁移运动变缓，滑移效应减弱，管道输送阻力降低幅度减小；③在不同浓度范围内料浆滑移层厚度的主控因素不同，导致输送阻力随浓度增大的幅度不同；④灰砂比较低时，管道输 送阻力的增长速率较低，随着灰砂比增大，管道输送阻力快速增大。以冀东地区某矿山为研究背景进行了数值模拟，得到充填料浆管道输送的最佳参数为质量浓度66%、68%，灰砂比1∶8。