充填料漿管道輸送數值模擬研究評述

高 鋒，甘德清，邵靜靜

（1.河北聯合大學，河北唐山063009；2.河北省礦業開發與安全技術實驗室，河北唐山063009）

充填料漿管道輸送數值模擬研究評述

高 鋒*1，甘德清1,2，邵靜靜1

（1.河北聯合大學，河北唐山063009；2.河北省礦業開發與安全技術實驗室，河北唐山063009）

以金屬礦山充填開采料漿管道輸送為背景，分析了充填料漿管道輸送數值模擬技術的發展現狀。重點介紹了ANSYS FLUENT，ANSYS FLOTRAN，FLOW-3D三種流體力學軟件和基于計算機編程語言的數值仿真模擬技術，總結了基于不同數值模擬技術的最具有代表性的最新研究成果，歸納分析相關結論，論證了計算機數值模擬技術是研究充填料漿管道輸送的有效工具。肯定了數值模擬研究技術在充填管道輸送研究中具有可靠、便捷、精確度高的優點，同時指出當前礦山管道輸送仿真模擬存在的不足，對利用流體力學軟件進行充填料漿管道輸送的研究起到一定的指導作用。

充填料漿；管道；輸送；數值模擬

1 概述

隨著淺部礦體日益枯竭，我國90%的地下礦山面臨深部或“三下”礦體開采，為解決深井開采“三高”問題和“三下”開采的技術難題，很多地下金屬非金屬礦山選用充填采礦法，如安慶銅礦、新村煤礦、冬瓜山銅礦等。充填系統包括充填料漿濃縮與制備、料漿輸送和采區充填3大系統。充填料漿管道輸送系統是連接充填站和采場的紐帶，對保證礦山充填效率和采充平衡至關重要。受料漿濃度、流速與壓力、物料摩擦與腐蝕、管道長度與直徑、管道材質、安裝質量等因素的影響，充填料漿輸送管道成為充填系統中最薄弱的環節。充填管道穩定性失效的模式主要表現在3個方面：管壁磨損、管道堵塞與爆裂[1-6]。

充填料漿管道輸送研究的常用方法有經驗公式計算與理論分析、實驗室充填環管試驗、礦山半工業管道輸送試驗以及充填工業試驗等。由于研究條件的不同，充填管道輸送特性參數的經驗公式均具有一定的局限性，使用經驗公式計算的結果與現場實測值偏差較大；實驗室充填環管試驗受空間和比例尺的限制，難以按礦山充填倍線的要求進行管道自流輸送的相似模擬試驗；礦山半工業管道輸送試驗以及充填工業試驗結果可靠，但試驗過程復雜、成本高、經歷時間長，影響礦山的投產時間。隨著計算機仿真模擬技術的發展，許多流體力學軟件得以開發和應用，直接促進了充填料漿管道輸送方面的研究。

2 基于數值模擬的充填料漿管道輸送研究

研究充填料漿管道輸送的流體力學軟件主要有ANSYS FLUENT、ANSTS FLOTRAN、FLOW-3D等，有些學者利用計算機語言編程技術研究充填料漿管道輸送穩定性。

2.1 基于FLUENT的充填管道輸送研究

FLUENT由ANSYS.Inc.公司開發，是一個用于模擬和分析復雜幾何區域的流體流動與傳熱現象的專用軟件，基于CFD（Computational Fluid Dynamics計算流體動力學）軟件的思想設計，目前已經發展到FLUENT14.0版本。FLUENT軟件用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動，采用了多種求解方法和多重網格加速收斂技術，求解時能達到最佳的收斂速度和求解精度，而且擁有強大的前、后處理功能，ANSYS FLUENT管道輸送模型網格劃分均勻細密，計算精度高，特別是對于湍流的計算更符合實際情況[7]。

北京科技大學吳迪，蔡嗣經等[8]運用FLUENT數值模擬軟件研究充填料漿濃度及流量對其管道輸送的影響，著重對管道系統的阻力損失及彎管受力情況進行分析。模擬結果認為：在充填料漿流量一定的條件下，管道自流輸送的阻力損失隨著料漿濃度的增大而增大；當料漿濃度超過一定值時，容易引起充填管道的堵塞；在充填料漿濃度一定的條件下，管道自流輸送的阻力損失和彎管壁面的受力隨著料漿流量的增大而增大；當料漿流量過大時，會超過充填管道的輸送能力而引起管道堵塞，同時彎管拐彎部分也會有跑漿甚至爆管的可能。

長砂礦山研究院鄧代強，湖南科技大學朱永建等[9]結合冬瓜山銅礦充填系統，灰砂比不變，使用FLUENT2dd軟件模擬不同濃度料漿在不同部位流動的管道壓強、流速等參數的變化規律。研究認為：料漿濃度較高時，最大流速偏移小，管道磨損小，料漿入口處斷面徑向壓強呈拋物線分布，但堵管風險增加；濃度較低時，流速發生偏移，料漿進口處管周邊與中心處壓強差大幅減小，管道磨損加劇，充填質量降低；在彎管處，流速呈外側小內側大的梯度分布；濃度為70%～74%的料漿流動性能好，輸送可靠性高。

研究結果證實，ANSYS FLUENT軟件的模擬結果與生產實際相吻合，塌落度試驗、自然沉降試驗和現場工業試驗驗證了利用該軟件進行數值模擬的可靠性，可為礦山充填料漿管道輸送系統的設計、管理與維護提供合理的依據。

2.2 基于ANSTS FLOTRAN的充填管道輸送研究

ANSYS程序中的FLOTRAN CFD分析功能是一個用于二維及三維流體流動場的先進工具，使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID141和FLUID142單元，能夠很好的解決彎管中流體的復雜的三維流動，如彎管及直管中料漿流速分布問題、料漿中骨料運行軌跡計算等。FLOTRAN分析高濃度料漿管道輸送有如下7個主要步驟：確定問題的區域、確定流體的狀態、生成有限元網格、施加料漿和管道邊界條件、設置FLOTRAN分析參數、求解和反饋、檢查結果[10]。

長砂有色冶金設計研究院陶平凱[11-12]結合黃砂坪礦深部礦體開采的具體情況，給出一整套高濃度充填料漿管道輸送參數的計算方法和思路，在管道輸送系統中具有較高的參考價值。用FLOTRAN軟件模擬驗證管道自流輸送的可行性和管道的可靠性，指出該礦全程最大流速在20m水平充填彎管附近。FLOTRAN軟件的模擬結果得出：管道直徑對管道壓力的影響最大，料漿流速次之，料漿濃度的影響最小；組合管對于高靜壓的深井充填來說，更加有利于充填料漿滿管輸送。

中南大學王新民、丁德強等[13-14]利用FLOTRAN軟件，對孫村煤礦膏體充填管道阻力損失與其主要影響因素（濃度和有效粘度）進行直觀性強的數值模擬，發現阻力損失隨管道總長度、膏體初速度、膏體密度和有效黏度的增加而增大；管道內膏體流速基本穩定，呈現結構流特點，但在彎管處自外側向內側流速逐漸增大。

利用FLOTRAN軟件進行管道輸送關鍵參數模擬與分析，得出的一系列結果，符合科學規律，基于膏體充填力學參數的研究結果與實際相符合，證實了FLOTRAN軟件的有效性。

2.3 基于FLOW-3D的充填管道輸送研究

FLOW-3D是由美國流動科學公司開發的具有高真度流體動力學模型的三維流體動力學和傳熱分析軟件，能夠真實的模擬管道中漿體的流動特性和力學特征[15]。FLOW-3D軟件具有結構式有限差分法網格，多區塊網格技術，支持嵌入式或者是連接式網格區塊技術，自由網格設定技術等，可讀入多種CAD格式圖檔，能夠高效率并且精確的定義幾何外型，支持兩相流的管內流、管外流和自由液面流動的多種維度計算。根據流體動力物理定律，軟件主要包含3大方程：常規的連續質量方程、添加附加項的流體3個坐標分量相對應的N-S方程、可壓縮流體或熱量流動問題的內部能量方程[16-17]。

中南大學王新民、張德明等[18]結合金川龍首礦的實際情況，開發應用該軟件針對不同的充填倍線，進行管道壓力、管道中料漿流速和彎管壓力變化3個方面的分析研究。膏體在管道中滿管流動，隨著充填倍線的增加，進出口壓力不斷減少，充填系統的流量（流速）相應減小，彎管連接處局部壓力先減小后增大，而進口壓力相對于出口壓力沒有什么變化，系統的工作流速需保證充填系統正常穩定運行的前提下達到最大。

通過FLOW-3D研究充填料漿深井管道自流輸送，模擬結果準確，精度高，解決了物理實驗室模擬深井自流充填系統的難題，為大倍線管道自流輸送研究提供了經驗。

2.4 充填管道輸送計算機編程仿真模擬技術

北京科技大學李國政、中國有色工程設計研究總院于潤滄[19]運用經驗公式，參考大量的充填礦山的資料，采用Delphi7編程語言，建立了尾砂料漿充填環管實驗計算機仿真模型，包括仿真的初始條件、仿真過程和結果可視化輸出3個部分。與現實的環管試驗參數比較，管理阻力參數仿真結果的誤差較小，該仿真軟件仍在不斷改進之中。仿真算法流程如圖1所示。

中南大學何哲祥等[20]分析了大倍線礦山自流輸送充填、膏體泵送充填經常出現的問題，提出了料漿管道擠壓輸送方式，如圖2所示。運用Visual Basic語言編制計算機程序，模擬活塞運動周期，以及曲柄半徑和入口管道長度變化時，充填料漿在擠壓輸送下的流動狀態和流動方向。

圖1 環管實驗模擬計算流程

圖2 管道擠壓輸送充填示意圖

采用計算機語言編程的方式，建立充填料漿管道輸送仿真模型，可以根據研究人員的需要控制模擬的各個步驟，有效調節計算精度，輸出準確的計算結果、圖形等。

3 總結

（1）利用數值模擬技術進行充填料漿管道輸送研究，其邊界條件一般為：管道內滿管流動，充填料漿的黏度不隨時間、位置、溫度的變化而變化，流體在流動的過程中不發生熱交換，管道不振動，不受地壓波動的影響等。

（2）高濃度充填料漿管道輸送數值模擬技術發展較快，數值模擬的結果與生產中觀察到的現象相吻合，與物理試驗測得的數據相差在允許范圍內，證明數值模擬技術可靠、快速、有效，可替代部分物理模擬試驗。但是數值模型的邊界條件簡單和理想化，對局部管道的壓力和料漿流動狀態仍限于彎管，對其他薄弱環節研究較少，如管道接口、管道內料漿自由落體階段，管道內非滿管流動階段，鉆孔偏斜階段管道等。

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TD862

A

1004-5716(2015)06-0160-04

2014-06-23

2014-06-24

國家安全生產監督管理局“超大規模超深井金屬礦山開采安全礦山技術”研究項目。

高鋒（1988-），男（漢族），安徽淮北人，河北聯合大學礦業工程學院在讀碩士研究生，研究方向：礦業工程。