高粘性松散矿岩放矿数值模拟研究

仵锋锋,万琳辉,肖凤元

(1.长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012;2.中南大学, 湖南长沙 410083)

高粘性松散矿岩放矿数值模拟研究

仵锋锋1,万琳辉2,肖凤元1

(1.长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012;2.中南大学, 湖南长沙 410083)

高粘性松散矿岩作为一种特殊的物质,对其放矿规律进行研究具有重要的代表意义。利用数值模拟软件对矿岩物质在矿仓中的流动进行了模拟,通过不同的漏斗壁面摩擦系数和有无振动情况下的一系列数值模拟,发现改变料仓壁的摩擦系数和使用振动,可以达到矿岩助流的目的。

高粘性松散矿岩;放矿规律;数值模拟;振动放矿;助流机理

大量矿岩组成的高粘性松散体系具有许多不同于固、液、气物质的奇特现象和独特的运动规律,其作为一种特殊的物质,对其放矿规律进行研究具有重要的代表意义,对高粘性松散矿岩放矿过程中的物质流动性及其助流机理的研究具有重要科学意义和应用背景[1～8]。

本文利用数值模拟软件做放矿过程的数值模拟,检测不同的漏斗壁摩擦系数和有无振动情况下,放矿过程中的物质流动情况、物质之间的接触应力、漏斗壁面的压力等的变化,研究不同条件下铝土矿矿仓矿石的粘仓、成拱机理,为研究高粘性松散矿岩流动机理和助流方法的优化提供依据。

1 模型的建立

根据计算精度、计算速度和计算机计算能力的要求,建立图1、图2、图3所示的计算模型。根据相似条件,漏斗模型与原型的几何相似比为1∶100,物质的半径分布为0.05～0.075mm,模型中充填物质的数量为5000个。对于振动试验模型,在图3所示位置设置振动源,振动频率为70Hz,振幅为2mm,然后进行放矿,观察振动情况下的放矿过程,并与无振动情况下的放矿进行比较。

为了观测放料过程中料仓壁压力的变化情况,在图1所示的“墙”4,5,6,7,8,9,10,11处分别设置了8个虚拟的压力传感器元件。本实验所设定的主要物理力学参数见表1。

表1 主要物理力学参数

料仓内物质生成并压紧后处于静止状态时的分布见图2。料仓中整个系统内不平衡力从物质生成到静止过程中的变化见图4,从图4可以看出,当物质静止时,系统内的不平衡力为0。

图4 物质由生成到静止状态时的不平衡力

2 模拟放矿过程

2.1 不同的漏斗壁面摩擦系数下的物质流动

图5为漏斗壁面摩擦系数分别为0.1和1.0时,3种典型的流态图及其对应的接触力;图6为漏斗壁面摩擦系数为0.1和1.0时,各监测面的X轴方向的压力变化曲线。

2.2 有无振动情况下物质的流动

图7为没有安装振动和安装振动两种情况下的3种典型流态图及其对应的接触力。

3 结果及分析

(1)从物质流动过程的速度监测可以看出,在物质随机分布的情况下,物质在流动过程中的速度是没有规律的,速度的大小和方向都随时发生着改变。整体而言,位于料仓上半部物质内的压力拱并不明显,压力比较均匀,这部分物质运动速度基本上是一致的,处于整体流动状态;而在料仓下半部分,由于动态压力拱的产生并伴随压力释放现象,这部分物质运动速度变化很大,不断有管状流动区形成。

图5 不同的漏斗壁面摩擦系数下3种典型的流态图及其对应的接触压力

(2)由图5和图6可以看出,料仓卸料过程中,筒仓内的压力网络线也有不同的分布,不同的压力网络线表明了料仓下部物质之间存在接触力,而且物质对仓壁的侧压力比上部大;在料仓口附近的压力网络线比较粗而且结成拱形,该拱形并不稳定,并且在放料过程中随着物料的流动不断发生变化,特别是漏斗竖直壁面与倾斜壁面的交接处,接触压力网络线明显最粗,且压力拱也最为明显,因此,此处容易形成流动死角,直接影响了矿石的流动性。

(3)从立筒仓卸料过程115万步、515万步和915万步时的流态图和接触力示意图看出,漏斗的壁面摩擦系数越小,物质越容易放出。在运行相同的步数915万步的情况下,壁面摩擦系数为0.1,放出的物质数为1586,壁面摩擦系数为1.0,放出的物质数为1257。因此漏斗壁面摩擦系数越小,物质的流动性也越好,其流动的速度也越大,物质与物质之间以及物质与墙体之间的接触力也越大,但物质流动的形态基本一致(主要为整体流动或管状流动与整体流动混合流动状态)。

(4)图7(a)、7(b)相比,表明安装了振动助流体后物质的流动形式得到显著改变,在筒仓筒体部分的物质呈整体流动,而在转折点处,物质不是严格的整体流动,但料斗内所有的物质都在流动,不存在死区与结拱现象。可见加入振动以后可以消除结拱、使物质能够连续流出。这是因为振动对物质进行了松散,破坏了拱脚,减少了结拱的机率。

4 结 论

试验发现漏斗下部接触压力比较大,容易结拱;对不同的漏斗壁面摩擦系数和有无振动情况下的放矿进行了数值模拟,可以看出,在漏斗内壁摩擦系数为0.1时,物质的流动情况比在漏斗壁面摩擦系数为1.0时的流动性好得多,在振动情况下物质的流动性比没有振动时有明显的改善。可见,在漏斗内安装光滑衬壁和安装振动元件可以达到改善矿石流动性的目的。

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2010-01-11)

仵锋锋(1982-),男,甘肃庆阳人,助理工程师,主要从事采矿工艺研究,Email:wufengfeng2001@163.com。