深井充填料漿管道輸送彎管局部阻力損失研究

歷 佟 張治強,2 李 丹 張希巍

(1.遼寧科技大學礦業工程學院,遼寧 鞍山 114051;2.遼寧省金屬礦產資源綠色開采工程研究中心,遼寧 鞍山 114051;3.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110819)

隨著淺層資源日益匱乏,礦山逐漸向深部開采,充填采礦法因其可以控制低壓、減少尾礦庫的堆積、安全性高和綠色開采等優點逐漸得到深部礦山的應用與發展[1-4]。管道輸送是充填采礦技術中的關鍵環節之一[5]。隨著開采深度的增加,充填料漿管道輸送中堵管,爆管等事故風險大大增加,彎管是最容易發生堵管、爆管的部位,彎管局部阻力損失是深井充填料漿管道輸送中的一個重要問題。

對于管道輸送,很多學者對其做出了不同的研究。閆澤鵬等[6]利用數值模擬研究大流量下的膏體管道輸送參數的最佳選擇,并建立了不同濃度下的管道阻力損失模型。鄧代強等[7]利用模擬的方法研究了不同濃度的充填料漿長距離管道輸送的問題,該研究為礦山的低倍線增阻或高倍線減阻提供了理論依據。張修香等[8]分析了管道自流輸送特性,研究了速度和濃度等因素對其造成的影響,也探究了這些因素對彎管部位的影響,并通過工業驗證證明了其合理性。石宏偉等[9]通過數值模擬軟件研究深井礦山自流充填管道的磨損情況,分析了管道磨損的因素及其之間的關系。劉行等[10]利用數值模擬軟件進行了三紋螺旋管高濃度的充填料漿輸送模擬,探究了螺旋管道的料漿輸送特性、管道磨損的規律及管路磨損嚴重的問題。Wang等[11]利用模擬軟件對深部煤礦管道輸送的動力學過程進行了分析。Zhang等[12]利用Fluent軟件分析了速度和質量濃度對管道重力和彎曲部分特性的影響。Gu等[13]通過漿液管道輸送模擬分析探究了設計流速對管道斷面流速分布及漿液濃度變化規律的影響。

為了更好探究管道中彎管局部的阻力損失情況,本研究基于流變實驗和COMSOL模擬軟件分析了不同濃度、管徑、初始速度、彎管曲率半徑對深井彎管局部阻力損失的影響,為深井充填料漿管道輸送彎管局部的設計提供參考依據。

1 流變試驗及結果

1.1 試驗儀器

試驗采用BROOKFIELD RST-CC高精度流變儀測量充填料漿的屈服應力和黏度系數,其優點是可以降低壁面滑移效應,而且可以不破壞充填料漿體內的絮網結構,儀器配備V40-20型漿式轉子,控制方法分為剪切速率控制(CSS)和剪切應力(CSR)控制2種方法,本次試驗采用控制剪切應力(CSR)的方法。

1.2 試驗材料

實驗采用山東某礦山尾礦全尾砂,利用激光粒度儀對全尾砂的粒徑進行測試,所測全尾砂10%、30%、60%累計質量所對應的粒徑分別為d10=1.65 μm、d30=6.72 μm、d60=24.10 μm,曲率系數CC=1.14,不均勻系數CU=14.61≥5,說明全尾砂密實程度比較好,顆粒大小分布范圍大,級配良好;全尾砂的粒級分布曲線如圖1所示,粒度-20 μm累計含量達50%,說明全尾砂與膠凝材料結合后有利于料漿流動性。

圖1 粒級分布曲線Fig.1 Grain size distribution curve

1.3 試驗過程

全尾砂充填料漿中的灰砂比采用1∶4的比例,配制質量濃度分別為72%,74%,76%,78%,此次試驗流變儀采用控制剪切速率的方法,首先將裝有配制好的料漿燒杯放到流變儀的底座上,使流變儀的轉子完全進入燒杯內,并應使每次燒杯中的料漿攪拌均勻,放置好以后,打開Rheo3000軟件開始數據采集,剪切速率為100 s-1,剪切時間設置為90 s,剪切時間90 s到了以后,流變儀的轉子停止旋轉,試驗完成。

1.4 試驗分析

將試驗數據進行整理,并繪制了4組剪切應力-剪切速率和黏度-剪切速率曲線,如圖2和圖3所示。

圖2 剪切應力-剪切速率曲線Fig.2 Shear stress-shear rate curves

圖3 黏度-剪切速率曲線Fig.3 Viscosity-shear rate curves

由圖2和圖3可知,當充填料漿濃度不斷增大,料漿的屈服應力和黏度系數也隨之增大,料漿的剪切應力-剪切速率曲線明顯符合賓漢姆體特征,對其剪切應力-剪切速率曲線進行線性回歸擬合處理,可以獲取到4組料漿對應的不同屈服應力τ0和黏度系數η,結果如表1所示。

表1 不同濃度的黏度系數和屈服應力參數Table 1 Viscosity coefficient and yield stress parameters at different concentrations

全尾砂充填料漿模型符合賓漢姆模型,賓漢姆模型表達式為

式中,τ為剪切應力,Pa;τ0為屈服應力,Pa;η為黏度系數,Pa·s;為剪切速率,s-1。

2 數值模擬

2.1 模型參數

本研究將建立基于COMSOL的充填管道,其中彎管角度為90°。彎管曲率半徑選取1、3、5、7 m;初始速度選取1.5、2.0、2.5、3.0 m/s;管徑選取140、160、180、200 mm。COMSOL軟件具有很強的網格剖分工具的編輯能力,用戶能夠根據所需調整網格的大小和形狀,以達到更為精確的模擬效果,具體劃分形式如圖4(a)所示。

圖4 彎管模型Fig.4 Bending model

2.2 流動控制方程

充填料漿視為不可壓縮流體,流體一般在流動過程中遵循連續性方程、能量方程以及動量方程。

(1)連續性方程。

式中,ρ為料漿密度,kg/m3;u為速度矢量,m/s。

(2)動量方程(納維-斯托克斯方程),是用來描述黏性不可壓縮流體動量守恒的運動方程,通常簡稱為N-S方程。

式中,P為流體壓力,Pa;?P為壓力散度;I為流體上的質量力,N;μ為動力黏度,Pa·s;Δu為速度梯度。

(3)能量方程。

式中,Z、Z1為流體位置,m;P、P1為流體壓力,N;γ、γ1為料漿的容重,N/m3;g為自由落體加速度,m/s2;ν、ν1為流體速度,m/s;h為能量損失。

2.3 模型假設

基于以有限元法為基礎的COMSOL軟件進行模擬,根據料漿在管道中的流動過程做如下假設:本次模擬中料漿被視為不可壓縮流體;料漿在管道中流動時是連續的狀態,且不存在流體間隙;料漿在流動過程中與外界無熱交換。

3 結果分析

通過COMSOL的計算和后處理功能,得到管道中料漿在彎管局部的不同條件下的壓力損失,通過阻力公式計算可以得到不同條件下的沿程阻力損失值,如表2和表3所示。

表2 不同濃度條件下的阻力損失Table 2 Resistance loss at different concentrations

3.1 彎管部位壓力分布

以灰砂比為1∶4,質量濃度為76%,管徑為180 mm,初始速度為2 m/s為例。圖5為彎管不同部位壓力分布。由圖5可知,彎管不同部位存在明顯的壓力梯度,越靠近彎管底部管壁壓力越大,越靠近彎管頂部管壁壓力越小,料漿剛進入彎管部位,由于流速和重力的原因,料漿明顯地改變方向流動,開始進入彎管部位產生壓力梯度。料漿在彎管開端處的最大壓力是1.87×104Pa,經過彎管截面1處和彎管截面2處,最后達到彎管末端時的最大壓力是1.54×104Pa,料漿從進入彎管開端處經過彎管中心,最后到達彎管末端,最大壓力區域面積再逐漸減小,隨之最小壓力區域面積再逐漸增大,料漿在不同條件下產生壓降,說明料漿在彎管部位有明顯的能量損失。

3.2 濃度對彎管局部阻力損失的影響

圖6是濃度與彎管局部阻力損失之間的關系曲線。由圖6(a)中曲線可以看出,濃度與阻力損失呈正相關的關系;隨著濃度的增大,彎管局部的阻力損失增長速率也隨之增大;這是由于料漿的黏度系數變大,加大了料漿與彎管局部管壁的摩擦系數;隨之,管壁的阻力損失增大。由圖6(b)曲線可知,當濃度為72%時,4條曲線相對密集,當濃度為78%時,4條曲線相對分散,說明濃度較低時,對阻力損失增長率緩慢程度影響較小,濃度較高時,影響較大。所以在此次研究中,建議選用74%～76%的濃度配制充填料漿。

圖6 濃度與阻力損失之間的關系Fig.6 The relationship between concentration and resistance loss

3.3 管徑對彎管局部阻力損失的影響

圖7是管徑與彎管局部阻力損失之間的關系曲線。由圖7可知,隨著管徑的增加,阻力損失逐漸減小。當管徑為140 mm時,阻力損失達到最大,管徑為200 mm時,與之相反,阻力損失達到最小;這是由于管徑越大,單位體積內的料漿與管壁之間的接觸面積越小,料漿和管壁之間的摩擦損失及顆粒和管壁之間的碰撞的能量損失越小。所以在本研究中,應選擇管徑較大的,為了節約成本,綜合考慮建議管徑選擇160～180 mm。

圖7 管徑與阻力損失之間的關系Fig.7 The relationship between pipe diameter and resistance loss

3.4 初始速度對彎管局部阻力損失的影響

圖8是初始速度與彎管局部阻力損失之間的關系曲線。由圖8可知,隨著初始速度的增大,彎管部位管壁的阻力損失也隨之增大,對管壁的阻礙作用越大,速度為1.5 m/s時,管壁阻力損失達到最小。在料漿達到彎管部位時,料漿在豎直管道中,流速在管道半徑方向上,越靠近中心處流速越大,速度梯度分布明顯。速度過高,阻力損失增大,速度過低,易造成管道堵塞,所以在此次研究中,建議選用2.0～2.5 m/s的初始速度。

圖8 初始速度與阻力損失之間的關系Fig.8 The relationship between initial velocity and drag loss

3.5 彎管曲率半徑對彎管局部阻力損失的影響

圖9是彎管曲率半徑與彎管阻力損失之間的關系曲線。隨著彎管曲率半徑的增加,彎管部位所受的阻力損失逐漸減小,這是由于料漿從豎直管道進入彎管,對彎管底部產生沖擊作用并改變了流速方向。流速相同時,彎管曲率半徑越大,充填料漿改變方向后的流速所產生的沿管壁方向的速度分量越小,充填料漿之間的相互阻礙作用越大,能量損失越大。在其他條件不變的情況下,較大的彎管曲率半徑,可以緩解對管道的磨損。所以在此研究中,建議選用彎管曲率半徑為5～7 m的管道。

圖9 彎管曲率半徑與阻力損失之間的關系Fig.9 Relationship between the curvature radius of bend and resistance loss

4 結 論

為了研究深井充填料漿在管道輸送過程中彎管局部的阻力損失情況,利用COMSOL模擬軟件進行不同條件彎管局部的阻力損失情況模擬,得出如下結論:

(1)充填料漿輸送管道彎管部位阻力損失隨著料漿濃度和初始速度的增大而變大,當濃度達到78%,初始速度達到3 m/s,彎管局部阻力損失最大,造成堵管事故風險增大。

(2)彎管局部阻力損失隨著管徑和彎管曲率半徑的增大而逐漸減小,管徑和彎管曲率半徑較大時,可以減少彎管局部的磨損。

(3)在滿足充填性能的要求下,以彎管局部阻力損失為參考,建議充填體濃度選用74%～76%,管道直徑建議選用160～180 mm,最佳初始速度選用2.0～2.5 m/s,彎管曲率半徑選用5～7 m。