高浓度全尾砂料浆管道输送数值模拟研究

甘德清 高 锋 陈 超,3 刘爱兴,3 张云鹏

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009;3.徐州铁矿集团吴庄铁矿，江苏 徐州 221138)

高浓度全尾砂料浆管道输送数值模拟研究

甘德清1,2高 锋1陈 超1,3刘爱兴1,3张云鹏1,2

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009;3.徐州铁矿集团吴庄铁矿，江苏 徐州 221138)

高浓度全尾砂胶结充填采矿法在地下黑色金属矿山中应用广泛，高浓度全尾砂胶结充填料浆管道输送技术是研究该采矿方法的重要内容。以吴庄铁矿高浓度全尾砂胶结充填开采为背景，根据该矿山需要达到的充填能力，选择内径为90 mm、113 mm和122 mm的充填管道，采用双精度流体力学软件fluent-2ddp研究高浓度全尾砂料浆在充填管道内的流动状态。根据矿体的赋存状态、矿山生产规模和充填料浆的性质，构建管道输送系统数值模型。设定管道入口和管壁的边界条件，进行料浆输送过程的数值解算，分析解算结果。研究结果表明，与90 mm和122 mm管道输送相比，113 mm管道输送料浆的压力损失和流速最合理；料浆在弯管内侧流速骤增，且显著大于外侧；料浆流速在管道断面上近似抛物线分布，最大流速位于管道中心的上方。

管道内径 压力损失 料浆流速 数值模拟

充填采矿法是一种绿色、安全和高效的采矿方法，随着采掘设备和充填技术的不断进步，充填采矿法将成为今后我国地下矿山主要的开采方法[1]。在黑色金属矿山中，高浓度全尾砂料浆胶结充填采矿法的应用越来越广泛。该采矿法主要有以下优点[2-3]：①尾砂不用分级，简化了充填工艺流程，提高了尾砂利用率；②相同的充填体强度下，水泥使用量少，降低了充填成本；③自流输送可行性强，粗颗粒沉降速度相对较低，形成充填体的整体性好；④料浆到达采场后析水率低，巷道污染轻，井下排水量小。但高浓度全尾砂管道输送过程中管道磨损严重，堵管事故发生后处理难度大。结合吴庄铁矿充填开采的实际情况，采用fluent-2ddp数值模拟系统[4-8]，研究高浓度全尾砂充填料浆管道输送过程的流速和压力损失，优化充填管道，分析管内料浆流速分布的特征。

1 数值建模

1.1 矿山工程概况

徐州铁矿集团吴庄铁矿地处徐州市利国镇，矿区人口密集，地表为高产农田，不允许塌陷。矿山地质构造复杂，属于大水矿床，地下涌水量1 200 m3/h，矿石质量好，品位高，不适合崩落法和空场法开采，因此选择两步骤分段空场嗣后充填开采，阶段高度50 m，分段高度10 m。矿山地质储量1 570万t，矿体埋深标高-280～-500 m，开采能力45万t/a。

1.2 模型参数选取

根据矿山生产规模和工作制度，充填能力需要达到60 m3/h。依据矿山开采设计，尾砂的密度为2 910 kg/m3，矿房采用灰砂比为1∶12、质量浓度为71%的全尾砂胶结充填，料浆密度为1 950 kg/m3，黏度为0.12，水泥浆密度为1 199 kg/m3；矿柱采用灰砂比为1∶6、质量浓度为73.8%的全尾砂胶结充填，料浆密度为2 020 kg/m3，黏度为0.3，水泥浆密度为1 262 kg/m3。按矿山充填的一般规律，充填能力为60 m3/h的充填系统可用管径为90～130 mm，查矿用管道尺寸，拟用内径为90 mm、113 mm和122 mm的管道进行料浆输送数值模拟研究。

1.3 管道可靠性验证

充填料浆自流输送时，管道工作的可靠性一般采用临界流速与合理工作流速的比值进行验证。如果该比值大于1，则认为这种管径的管道在料浆自流输送过程中工作是可靠的[1]。

瓦斯普临界流速公式[9]：

(1)

或浆体管道临界不淤流速公式[10]：

(2)

合理工作流速经验公式[11]：

(3)

式中，ρs为物料密度，kg/m3；ρ为载体密度，kg/m3；D为管道内径，mm；d90为筛下物料质量占总质量90%的网格度，mm；F1为速度系数，根据鸠兰特曲线取1.25；ρm为料浆密度，kg/m3；Cv为体积浓度；α为浆体对紊动抑制的影响系数，一般取α<1；Δ为管道内壁当量粗糙度，mm；Re为雷诺数；X为水砂比，浓度为71%的料浆水砂比为1.29，浓度为73.8%的料浆水砂比为1.02；N为充填倍线，3.88；g为重力加速度。

将矿山高浓度全尾砂充填料浆物理参数代入式(1)、式(2)、式(3)，得到临界流速和合理工作流速以及合理工作流速和临界流速之间的倍数关系，如表1所示。由表1可知合理工作流速是临界流速的2.57～3.17倍，认为3种管径的输送都是可靠的。

表1 临界流速与合理工作流速计算结果 Table1 Calculation results of critical flow speeds and reasonable working flow speeds

1.4 数值计算模型

用fluent软件前处理器gambit建模，通过geometry工具中vertex、edge和face功能，构建几何模型，通过mesh工具划分网格，采用正方形单元网格，网格类型为submap，步长值为0.01 m，使用zones功能设置边界类型，inlet为velocity-inlet，outlet为outflow，wall为wall。弯管的绘制用arc功能完成，管道中心曲率半径0.45 m。矿山最大充填倍线为3.88，数值模型如图1所示。

图1 充填料浆管道数值模型Fig.1 Numerical model of backfilling slurry pipelines

2 数值解算及分析结果

2.1 数值解算

选择二维双精度解算器fluent-2ddp，输入重力加速度-9.8 m/s2，设定表面压力为1个标准大气压。根据边界类型设置边界条件，湍流强度5%，湍流模型中管壁粗糙度为0.03 mm，粗糙度影响系数默认为0.5。根据矿山充填能力和管道内径，初始流速分别为2.62 m/s、1.66 m/s和1.43 m/s。为提高迭代解算精度，选择2阶迎风second order upwind计算。在initialize中根据入口边界条件初始化操作，在monitors中定义求解精度为0.000 01，迭代解算误差收敛较好，如图2所示。

2.2 数值分析结果

(1)输送压力与流速分析。同一物料，相同配比、流量和料浆浓度条件下，最大流速、最小流速、最大压力和最小压力的绝对值均随着管径的增大而减小。90 mm管径输送灰砂比1∶6、浓度73.8%的料浆时压差最大，为2.44 MPa，而重力作用提供的压力为9.28 MPa，大于2.44 MPa，这表明自流输送是完全可以实现的。从料浆流速分析，料浆流速太大会增大阻力损失，流速太小会加速重颗粒沉降，表2显示90 mm管径输送的料浆流速最高，113 mm管径和122 mm管径输送的料浆流速显著降低，而122 mm管道内料浆最小流速为0.005 m/s，堵管风险极大；从压力损失分析，料浆能够顺利输送至采场的前提下，压力损失太大说明管壁冲刷严重，压力损失太小容易引起爆管，从表2可以看出，90 mm管道压力损失最大，122 mm管道压力损失最小，113 mm管道的压力损失和122 mm管道相差不大。

(a)90 mm管径

(b)113 mm管径

(c)122 mm管径 图2 73.8%料浆输送残差收敛曲线Fig.2 Residual convergence curve at the transportation of 73.8% slurry1—x向流速分量；2—y向流速分量；3—流速

(2)弯管流速分布及分析。5个弯管部位的高流速区域均偏向弯管内侧，与管道拐弯方向无关，如图3所示。料浆在拐弯处切向速度会发生改变，弯管内侧曲率半径小，料浆切向速度变化比外侧料浆大，导致弯管内侧的固体颗粒相互碰撞的频率比外侧大，在弯管内侧固体颗粒的速度增量较大，故料浆流速矢量在弯管上部切点开始发生改变，在上部三分之一弯管处表现为料浆流速骤增，且高流速区域靠近弯管内侧，这是充填料浆对弯管内侧管壁冲刷严重的重要原因，所以生产过程中应对该部位加厚处理。数值模拟实验结果显示，不同管径输送的料浆最大流速均发生在-330 m水平弯一处，矿山应加强对弯一的检查和防护。

表2 流动参数仿真解算结果Table 2 Simulation calculation results of flow parameters

(3)管道断面流速分布。料浆流速在管道断面上近似呈抛物线分布，最大值位于管道断面中心的上侧。管径越大，最大流速位置偏离管道中心的距离越大，且73.8%浓度料浆最大流速位置的偏离量大于71%浓度料浆，如表3所示。

3 结 论

(1)数值模拟结果显示：3种管道的充填料浆自流输送都可以实现；90 mm管道输送料浆的流速和压差最大，管道磨损严重；122 mm管道输送料浆的流速和压差最小，但容易堵管；113 mm管道输送料浆的流速和压差合适，故建议矿山使用113 mm直径的充填管道。

(2)由弯管流速矢量分布图3可以看出，弯管内侧料浆的流速显著大于外侧流速，这是导致弯管内侧管壁磨损速度比外侧快的主要因素。

(3)料浆在管道断面上的流速分布并不是严格的抛物线分布，最大流速位于管道中心上方，与管道中心偏移量随管径的增大而增大。

(a)弯1流速矢量图

(b)弯2流速矢量图 图3 73.8%浓度料浆113 mm管道弯1、弯2流速矢量图Fig.3 Flow speed vector diagrams of No.1 bend and No.2 bend of 73.8% slurry by 113 mm pipe表3 管道出口断面上最大流速位置及其偏移量Table 3 The position of the highest flow speed at outlet of pipe and its deviation

浓 度/%管 径/mm最大流速位置/mm偏离量/%9045.0600.137111357.4091.6112262.3312.159045.1260.2873.811357.5851.9212262.5072.47

[1] 王新民,古德生,张钦礼.深井矿山充填理论与技术[M].长沙:中南大学出版社,2010.

Wang Xinmin,Gu Desheng,Zhang Qinli.Filling Theory and Technology of Deep Mine[M].Changsha:Central South University Press,2010.

[2] Jung S J,Kousick B.Review of current high density paste fill and technology[J].Mineral Resources Engineering,2002,11(2):165-182.

[3] 贾鹏昆.望儿山金矿全尾砂高浓度充填新技术研究[D].青岛:山东科技大学,2004. Jia Pengkun.Research on the New Backfilling Technology of High-density Full Tailings in a Gold Mine[D].Qingdao:Shandong University of Science and Technology,2004.

[4] 温 正.Fluent流体计算与应用教程[M].北京:清华大学出版社,2009. Wen Zheng.Fluent Fluid Calculation and Application Tutorial[M].Beijing:Tsinghua University Press,2009.

[5] 吴 迪,蔡嗣经,杨 威，等.基于 CFD 的充填管道固液两相流输送模拟及实验[J].中国有色金属学报,2012(7):2134-2141. Wu Di,Cai Sijing,Yang Wei,et al.Simulation and experiment of backfilling pipeline transportation of solid-liquid two-phase flow based on CFD[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2012(7):2134-2141.

[6] 陶平凯.基于ANSYS FLOTRAN的管道输送参数优化[J].金属矿山,2012(11):43-45. Tao Pingkai.Pipe-conveying parameters optimization based on ANSYS FLOTRAN[J].Metal Mine,2012(11):43-45.

[7] 王新民,丁德强,肖富国，等.膏体管道输送阻力损失研究[J].金属矿山,2007(5):29-31. Wang Xinmin,Ding Deqiang,Xiao Fuguo,et al.Study on resistance loss in paste piping transportation[J].Metal Mine,2007(5):29-31.

[8] 邓代强,朱永建,王发芝，等.充填料浆长距离管道输送数值模拟[J].安徽大学学报,2012，36(6):36-43. Deng Daiqiang,Zhu Yongjian,Wang Fazhi,et al.Transportation numerical simulation of filling slurry in long distance pipeline[J].Journal of Anhui University,2012，36(6):36-43.

[9] 刘 弦.城市污水处理厂污泥管道输送阻力特性研究[D].重庆:重庆大学,2007. Liu Xuan.The Research of the Resistance Characteristics about Pipeline Transportation for Sludge in City's Waste Water Treatment Plant[D].Chongqing:Chongqing University,2007.

[10] 费祥俊.浆体管道的不淤流速研究[J].煤炭学报,1997,22(5):522-566. Fei Xiangjun.Study of nondeposit velocity in slurry pipes[J].Journal of China Coal Society,1997,22(5):522-566.

[11] 陶平凯.黄沙坪矿深部开采充填管道输送参数计算与仿真[J].金属矿山,2012(9):21-23. Tao Pingkai.Pipe-conveying parameter calculation and simulation validation of deep mining filling system of Huangshaping Mine[J].Metal Mine,2012(9):21-23.

(责任编辑 石海林)

Numerical Simulation Study of High Density Total Tailings Slurry Pipeline Transport

Gan Deqing1,2Gao Feng1Chen Chao1,2Liu Aixing1,2Zhang Yunpeng1,2

(1.CollegeofMiningEngineering,HebeiUnitedUniversity,Tangshan063009,China; 2.MiningDevelopmentandSafetyTechnologyKeyLabofHebeiProvince,Tangshan063009,China；3.WuzhuangIronMineofXuzhouIronMineGroup,Xuzhou221138,China)

Mining method of cement backfilling with high density total tailings slurry has being extensively used in underground iron mines.The pipeline transportation of high density total tailings cemented backfilling slurry is an important part in the study of this mining method.Taking the cement backfilling mining with high density total tailings in Wuzhuang iron mine as raw material,backfilling pipes with inside diameters of 90 mm,113 mm and 122 mm were respectively chosen to study its in-pipe flow states by adopting double precision fluid software fluent-2ddp.According to the occurrence of the ore,the production scale of the mine and the properties of backfilling slurry,a numerical model of pipeline transportation system is built.The boundary conditions of the inlet and pipe walls are set up to make numerical calculating of slurry transportation process.The analysis on the calculation results showed that the pressure lost and velocity are most suitable when the slurry was transported by 113 mm pipe,compared with by 90 mm and 122 mm pipes.The slurry velocity surges at the bends and the slurry velocity inside is higher than one outside.The slurry velocity at the section distributes like a parabola and the highest velocity located at above the pipe center.

Inner diameter of pipe,Pressure loss,Flow speed of slurry,Numerical simulation

2014-05-02

甘德清(1962—)，男，教授，博士，博士生导师。

TD851

A

1001-1250(2014)-10-138-04