高粘性松散礦巖放礦數值模擬研究

仵鋒鋒,萬琳輝,肖鳳元

(1.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012;2.中南大學, 湖南長沙 410083)

高粘性松散礦巖放礦數值模擬研究

仵鋒鋒1,萬琳輝2,肖鳳元1

(1.長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012;2.中南大學, 湖南長沙 410083)

高粘性松散礦巖作為一種特殊的物質,對其放礦規律進行研究具有重要的代表意義。利用數值模擬軟件對礦巖物質在礦倉中的流動進行了模擬,通過不同的漏斗壁面摩擦系數和有無振動情況下的一系列數值模擬,發現改變料倉壁的摩擦系數和使用振動,可以達到礦巖助流的目的。

高粘性松散礦巖;放礦規律;數值模擬;振動放礦;助流機理

大量礦巖組成的高粘性松散體系具有許多不同于固、液、氣物質的奇特現象和獨特的運動規律,其作為一種特殊的物質,對其放礦規律進行研究具有重要的代表意義,對高粘性松散礦巖放礦過程中的物質流動性及其助流機理的研究具有重要科學意義和應用背景[1～8]。

本文利用數值模擬軟件做放礦過程的數值模擬,檢測不同的漏斗壁摩擦系數和有無振動情況下,放礦過程中的物質流動情況、物質之間的接觸應力、漏斗壁面的壓力等的變化,研究不同條件下鋁土礦礦倉礦石的粘倉、成拱機理,為研究高粘性松散礦巖流動機理和助流方法的優化提供依據。

1 模型的建立

根據計算精度、計算速度和計算機計算能力的要求,建立圖1、圖2、圖3所示的計算模型。根據相似條件,漏斗模型與原型的幾何相似比為1∶100,物質的半徑分布為0.05～0.075mm,模型中充填物質的數量為5000個。對于振動試驗模型,在圖3所示位置設置振動源,振動頻率為70Hz,振幅為2mm,然后進行放礦,觀察振動情況下的放礦過程,并與無振動情況下的放礦進行比較。

為了觀測放料過程中料倉壁壓力的變化情況,在圖1所示的“墻”4,5,6,7,8,9,10,11處分別設置了8個虛擬的壓力傳感器元件。本實驗所設定的主要物理力學參數見表1。

表1 主要物理力學參數

料倉內物質生成并壓緊后處于靜止狀態時的分布見圖2。料倉中整個系統內不平衡力從物質生成到靜止過程中的變化見圖4,從圖4可以看出,當物質靜止時,系統內的不平衡力為0。

圖4 物質由生成到靜止狀態時的不平衡力

2 模擬放礦過程

2.1 不同的漏斗壁面摩擦系數下的物質流動

圖5為漏斗壁面摩擦系數分別為0.1和1.0時,3種典型的流態圖及其對應的接觸力;圖6為漏斗壁面摩擦系數為0.1和1.0時,各監測面的X軸方向的壓力變化曲線。

2.2 有無振動情況下物質的流動

圖7為沒有安裝振動和安裝振動兩種情況下的3種典型流態圖及其對應的接觸力。

3 結果及分析

(1)從物質流動過程的速度監測可以看出,在物質隨機分布的情況下,物質在流動過程中的速度是沒有規律的,速度的大小和方向都隨時發生著改變。整體而言,位于料倉上半部物質內的壓力拱并不明顯,壓力比較均勻,這部分物質運動速度基本上是一致的,處于整體流動狀態;而在料倉下半部分,由于動態壓力拱的產生并伴隨壓力釋放現象,這部分物質運動速度變化很大,不斷有管狀流動區形成。

圖5 不同的漏斗壁面摩擦系數下3種典型的流態圖及其對應的接觸壓力

(2)由圖5和圖6可以看出,料倉卸料過程中,筒倉內的壓力網絡線也有不同的分布,不同的壓力網絡線表明了料倉下部物質之間存在接觸力,而且物質對倉壁的側壓力比上部大;在料倉口附近的壓力網絡線比較粗而且結成拱形,該拱形并不穩定,并且在放料過程中隨著物料的流動不斷發生變化,特別是漏斗豎直壁面與傾斜壁面的交接處,接觸壓力網絡線明顯最粗,且壓力拱也最為明顯,因此,此處容易形成流動死角,直接影響了礦石的流動性。

(3)從立筒倉卸料過程115萬步、515萬步和915萬步時的流態圖和接觸力示意圖看出,漏斗的壁面摩擦系數越小,物質越容易放出。在運行相同的步數915萬步的情況下,壁面摩擦系數為0.1,放出的物質數為1586,壁面摩擦系數為1.0,放出的物質數為1257。因此漏斗壁面摩擦系數越小,物質的流動性也越好,其流動的速度也越大,物質與物質之間以及物質與墻體之間的接觸力也越大,但物質流動的形態基本一致(主要為整體流動或管狀流動與整體流動混合流動狀態)。

(4)圖7(a)、7(b)相比,表明安裝了振動助流體后物質的流動形式得到顯著改變,在筒倉筒體部分的物質呈整體流動,而在轉折點處,物質不是嚴格的整體流動,但料斗內所有的物質都在流動,不存在死區與結拱現象。可見加入振動以后可以消除結拱、使物質能夠連續流出。這是因為振動對物質進行了松散,破壞了拱腳,減少了結拱的機率。

4 結 論

試驗發現漏斗下部接觸壓力比較大,容易結拱;對不同的漏斗壁面摩擦系數和有無振動情況下的放礦進行了數值模擬,可以看出,在漏斗內壁摩擦系數為0.1時,物質的流動情況比在漏斗壁面摩擦系數為1.0時的流動性好得多,在振動情況下物質的流動性比沒有振動時有明顯的改善。可見,在漏斗內安裝光滑襯壁和安裝振動元件可以達到改善礦石流動性的目的。

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2010-01-11)

仵鋒鋒(1982-),男,甘肅慶陽人,助理工程師,主要從事采礦工藝研究,Email:wufengfeng2001@163.com。