基于FLUENT的磷石膏膏體充填料漿管道輸送模擬

侯 俊 程文文 張小瑞 趙 龍

(長春黃金研究院有限公司)

隨著充填技術的日益完善，泵送膏體充填工藝被越來越多的礦山使用。該工藝將一種或多種充填材料與水進行優化組合，配制成具有良好穩定性、流動性和可塑性的膏狀流體，在重力或外加力(泵壓)作用下以柱塞流的形態輸送到采空區或離層區[1]，形成以膏體充填體為主的上覆巖層支撐體系，有效控制地表建筑物沉陷在允許值范圍內，保護礦區生態環境和地下水資源[2-3]。和普通膠結充填相比，膏體充填的最大的優點是充入采場或采空區后，基本不需要脫水，克服了普通膠結充填脫水率高的缺點。貴州開磷集團計劃采用磷石膏廢料與黃磷渣混合制成膏體輸送到井下，既解決了大量磷石膏廢料的地表堆積，也降低了井下排水費用，保證井下安全生產。但是此法也存在一些難點，例如如何確定磷石膏充填料漿膏體濃度范圍，膏體充填料漿能否順利輸送到采場，充填料漿在管道內的運動狀態等。因此，研究磷石膏膏體充填料漿管道輸送特性對指導礦山充填生產具有重大的意義。

隨著電子信息技術迅猛發展，料漿數值模擬技術被廣泛應用，FLUENT是一款基于有限體積法原理用于流體特性分析的專業軟件[4]。鄧代強等[5]通過FLUENT軟件研究L型管數值模擬實驗，但L型管與礦山實際生產情況不符；黃玉誠等[6]通過數值模擬手段分析漿體在彎管處壓力、流速分布，但并未分析漿體在管道內整體輸送情況；WANG等[7]應用此軟件分析料漿在深井煤礦自流充填系統中的流速分布，但沒有分析漿體在管道各處的受力情況；張欽禮等[8]以孫村煤礦為研究對象，分析煤矸石充填料漿的特性，但僅分析料漿輸送的整體過程；吳迪等利用FLUENT軟件系統分析了對低濃度充填料漿在管道內的流動狀態以及沿程阻力損失。

基于以上分析，本文針對磷石膏廢料與黃磷渣混合配制膏體充填料漿，應用FLUENT軟件模擬礦山實際充填情況，分析不同濃度漿體進出口壓力差異，研究管道內流速、壓力變化情況，以驗證室內實驗磷石膏充填料漿膏體濃度的范圍，確定膏體充填料漿管道輸送過程中容易發生事故的位置，找出解決問題的方法，為礦山的安全生產提供保障。

1 磷石膏充填料漿物理性質及膏體濃度的確定

此次模擬選用磷石膏與黃磷渣為充填骨料，2種材料的物理性質及粒級組成見表1、表2。

通過進行磷石膏充填料漿泌水實驗，得出不同濃度充填料漿的泌水率，見表3。通過理論分析，漿體泌水率在1.5%～5%，即稱為膏體。

由表3測得的數據回歸泌水率與充填料漿濃度關系式見式(1)，復相關系數R= 0.998 5。

Y=-0.382 0X+28.258 ,

(1)

式中，Y為泌水率，%；X為充填料漿濃度，%。

表1 磷石膏與黃磷渣的基本物理性質

表2 磷石膏與黃磷渣的不同粒徑組成

表3 不同磷石膏充填料漿濃度的泌水率 %

根據式(1)，若定義膏體的泌水率范圍為1.5%～5%，則對應的充填料漿濃度區間為61.21%～70.41%，可認為符合膏體泌水率要求。故此次磷石膏膏體管道輸送模擬實驗的濃度選擇55%、60%、63%、65%。

2 數值模擬分析

2.1 FLUENT軟件簡介

FLUENT 軟件由5方面構成：GAMBIT的主要功能是建立模型和生成網格；prePDF為精確的仿真用PDF燃燒的流程；TGrid根據已經存在的邊界網格進而劃分出體網格；Filters(Translators)可以將不同程序的網格轉變為FLUENT網格；FLUNENT為主要的流動模型的計算程序[9]。

2.2 模擬參數設定

在模擬磷石膏膏體充填料漿管道輸送的過程中，可認為料漿在輸送時無熱交換，漿體為滿管輸送且無能量損失。選取黃磷渣混合粉與磷石膏配比1∶5，濃度55%、60%、63%和65%的充填料漿進行FLUENT模擬，分析漿體在管道內壓強、流速等物理參數的變化。

料漿流速計算公式為

(2)

式中，D為管道內徑，mm;Q為充填料漿流量,m3/h。

漿體流動時雷諾數公式為

Re=ρVD/η,

(3)

式中，Re為雷諾數；ρ為料漿密度,t/m3；η為料漿黏度系數，Pa·s；D為管道內徑,mm。

由式(2)計算得出，當流量Q為90 m3/h時，料漿入口流速V=1.6 m/s，料漿黏性系數由磷石膏膏體充填料漿環管試驗測得。由式(3)計算得出配比1∶5不同濃度充填料漿流動時的雷諾數，見表4。根據流體力學理論，Re<2 300可判斷充填料漿在管道內流動狀態均為層流。

表4 配比1∶5磷石膏充填料漿流變參數和雷諾數

2.3 管道幾何模型確定及網格劃分

磷石膏膏體管道輸送數值模擬實驗設計充填料漿濃度為55%、60%、63%和65%，根據礦山實際生產情況建立模型，見圖1。充填料漿首先通過豎直長80 m、直徑125 mm 的直管，直管下端連接一個轉彎半徑為500 mm的彎管，彎管出口連接的水平直管直徑變為100 mm，長800 m，隨后豎直向下布置長20 m、直徑100 mm 的管道，最后料漿通過長400 m、直徑100 mm的水平直管接入采場。管道全程設立5個觀察位置，分別為料漿入口、80 m豎直管下端連接的1#彎管、20 m豎直管上端連接的2#彎管、20 m豎直管上端連接的3#彎管、料漿出口。建立好的模型通過Gambit進行網格劃分，并定義邊界條件，管道模型的入口選擇速度入口，填入初始初速度為1.6 m/s，水平出口條件為自由出口邊界,模擬的外界條件為標準大氣壓，設定重力加速度為Y軸負方向，9.8 m/s2。將劃分好的網格進行保存，用于FLUENT計算。

2.4 數值模擬結果及分析

2.4.1 流速分布規律

以濃度63%、配比1∶5的高濃度磷石膏充填漿體為例，分析在管道不同位置的流速分布規律，見圖2。可以看出，管道內漿體流速的整體分布比較均勻，流動比較平穩，在靠近管壁處的整體流速較低，但是在彎管處料漿的流速變化較大，當料漿進入管道，流速開始增加，通過仔細觀察對比，料漿在彎管中流速最大的位置通常在彎管出口1/3處。對比豎直管底部的2個彎頭可以發現，1#彎管的速度變化尤為劇烈，原因一是1#彎管前的豎直管較長，原因二是1#彎管后，管徑尺寸由125 mm變為100 mm，通過這個現象可以說明，突然變化管徑會導致料漿在管道中的流速不穩定。

圖1 管道輸送模型

圖2 濃度63%磷石膏料漿的速度分布

通過對比60%和65%濃度磷石膏漿體，料漿最大流速均出現在80 m豎直管的下部彎管(圖3)，尤其60%濃度磷石膏漿體最大流速達到5.6 m/s，分析原因為濃度較大的料漿由于受到剪切應力較大，所以流速不會增加得特別多，在彎管處也是一樣的道理，而濃度較低的漿體受到較小的剪切力，在管道內流速大小和方向變化都比較顯著，所以充填料漿對管壁的摩擦和沖撞會更加嚴重。

2.4.2 管道壓力分布規律

模擬結果顯示不同濃度充填料漿壓力分布規律類似，以濃度63%、配比1∶5的磷石膏充填料漿為例，分析料漿在不同位置的壓力分布，見圖4。可以看出，壓力最大的位置均出現在80 m豎直管道的底部，大概位于底部彎頭出口的1/3處或與φ100 mm水平管道連接處附近。結合流速分析結果，推斷充填管道磨損最嚴重的部位正是這個位置，由此可見，1#彎頭的位置是整個管道最關鍵的部位。

圖3 1#彎頭處不同濃度磷石膏料漿的速度分布

圖4 濃度63%磷石膏料漿的壓力分布

2.4.3 管道進出口壓力

管道中料漿流動的動壓是由管道進出口壓差提供，流速隨著壓差的增大而加快。磷石膏充填料漿濃度提高時，在管道入口中心處的料漿受到剪切應力的作用，其分布呈拱形特征，同時料漿受重力作用向管壁處擠壓，管道中心周圍的壓力逐漸減小；濃度低的磷石膏漿體，除靠近管壁的位置外，管道中心周邊處的壓力差明顯減小，不同濃度磷石膏料漿進口壓力分布見圖5。對于出口位置壓力，由于管道中心處受管道摩擦作用最小，因此，這個位置的管道總壓力最大，相應的流速也最大；由于重力作用，當磷石膏充填料漿濃度較低時，出口位置上部的壓力要略小于對稱位置下部的壓力；當磷石膏充填料漿濃度較高時，出口位置上部的壓力也略小于對稱位置下部的壓力，同時，總壓力較低濃度料漿大。不同濃度磷石膏料漿出口壓力分布見圖6。

圖5 不同濃度磷石膏料漿的進口壓力分布

圖6 不同濃度磷石膏料漿的出口壓力分布

3 結 論

由磷石膏充填料漿泌水實驗大體確定膏體濃度范圍為61.21%～70.41%。以此膏體濃度范圍為依據，結合環管試驗得到磷石膏充填料漿的流變參數，對其在管道內流動特性進行分析。通過FLUENT模擬，獲得充填料漿在充填管道內不同位置的壓力、流速變化規律。料漿在彎管處的流速較大，料漿顆粒運動方向發生改變會對充填管道造成較大的磨損；當充填管徑發生變化時，會造成充填料漿流速不穩定；料漿在輸送過程中壓力最大的位置均出現在豎直管道與彎管結合部，大概位于底部彎頭出口的1/3處，推斷此處為充填管道磨損最嚴重的部位，所以在礦山實際生產的過程中，在這個部位應該采取適當的降壓措施，不僅可以降低此處的流速，同時也可釋放管道的壓力。數值模擬結果為解決礦山充填實際問題提供了理論依據。

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