FLUENT 的浆液远距离输送数值模拟研究*

刘 磊，王伟峰，冯玉龙

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710054;2.西安科技大学 能源学院，陕西西安710054;3.西安博深煤矿安全科技有限公司，陕西 西安710304)

0 引 言

煤自燃是自然界存在的一种客观现象，这种现象已经存在了数百万年［1］。中国煤炭资源十分丰富［2］，煤炭产量和消费量均居世界前列，约占国内一次能源生产和消费总量的85%左右［3］，但是由于工业技术发展迅速，大规模的应用在工矿企业中，煤矿部分企业广泛的应用高产高效集约化生产，煤矿的机械化程度得到了大幅提高，同时，现代化的综放采煤法应用范围不断扩大，其采煤的速度也得到了日益加快，但是这给采空区留下了大量的遗煤，使得在采空区中自然发火的问题变得更加突出。灌浆防灭火技术、液态CO2防灭火技术、胶体防灭火技术、均压防灭火技术等都是煤矿经常采用的煤自燃防灭火技术方法［4］，其中，在煤矿防灭火工作中，灌浆技术在国内外有许多成功的应用，经实践检验，灌浆技术是防治矿井煤自燃最为有效的措施之一。灌浆技术能够有效控制火区的温度，在一般的厚煤层分层开采的时候，一方面可以有效的防火，另一方面可以形成良好的浆液顶板，对下分层的开采创造了有利的条件。当浆液流到采空区以后，固体颗粒物沉淀下去，充填在浮煤裂隙中间，形成有效的漏风隔离带，隔绝与空气的接触从而防止煤层被氧化;同时增加煤层的水分，达到抑制煤氧化的发展，对已经自热的区域起到散热作用，冷却采空区的围岩，降低采空区中的煤岩温度;当浆液脱水后，可以形成一块堆积物，可以有效减少采空区内的漏风情况［5］。但是随着矿井开采的范围不断的进行延伸，导致了许多新问题的出现，其中比较集中突出的问题是矿井灌浆管路要跟随着采区的沿伸不断加长，造成灌浆管路的阻力不断增大，管路出口压力变小等问题变得日益突出;解决这些问题的一般方法是通过在灌浆站利用加压泵等加压工具进行加压来提高管路的出口压力，由于在灌浆工作中管路中压力大小属于不可控制的因素，不能对其及时做出调整，而一旦压力过大，则可能会出现管路损坏等情况;目前大多数矿井的管路压力监测手段主要是利用人工来对其进行测定［6］，所以不能够提供实时监测的压力数据;这些因素导致现有的灌浆系统不能很好地满足煤矿对安全性的要求。结合矿井安全生产的要求，需要对管路出口压力小，管道中由于局部压力骤升引起的压力过大损坏管路的情况和管路中的压力分布规律等问题进行研究，以确保系统的能够可靠、稳定的运行，满足矿井远距离灌浆工作的要求。由于矿井灌浆管路系统是一个相对封闭的空间，浆液在流动的时候，对管道中的压力分布情况却难以掌握清楚，这会对灌浆工作造成一定的不良影响［7］。静压灌浆与动压灌浆2 种灌浆方式对管路所造成的压力影响情况不同，因此，有必要对管道中由于不同灌浆方式所造成的影响程度进行研究。根据某矿井灌浆管路的实际情况，建立相对应的数学几何模型，对其进行网格划分、边界条件设定以及数值模拟计算流程，并对所建立的模型进行数值计算，得到浆液在管道中的变化特性模拟静压和动压灌浆时管道中的压力分布情况，并对比分析了两者特点，能够为灌浆工作的制定提供一定的依据。

1 数学模型的建立

1.1 控制方程

1)在不可压缩粘性流体中，其运动可用N-S方程表示，其控制方程为［8-9］

2)利用Segregated 隐式解，标准k -ε 双方程的模型，湍流黏度为

式中 Cμ为常量;k 为湍流的动能;ε 为湍流动能的耗散率。

1.2 能量方程

能量守恒方程

湍流动能的输送方程为

湍流动能耗散率输送方程

其中 C1ε=1.44;C2ε=1.92;Cμ=0.09;σK=1.0;σε=1.3.

对于粘性不可压缩流体，其在管道内流动的支配方程为连续性方程

Navier-Stokes 方程

式中 u 为在x 坐标方向上的速度分量;v 为在y坐标方向上的速度分量;ρ 为流体密度。

2 浆液远距离输送物理模拟模型建立及参数设置

2.1 物理模拟模型的建立

模型建立的管道尺寸为φ108 mm，采空区注浆点距地面为350 水平，由于该煤矿属于建成时间久，故井下灌浆管路情况比较复杂，根据矿区提供的注浆管路图，如图1(a)和实地绘制相结合建立模型图如图1(b)所示。

2.2 网格划分

计算区域网格划分如下:由于灌浆管路是一个整体性比较好的封闭管体，故直接进行网格划分，即网格步长为0.1 m.如图2 所示。

2.3 边界条件

边界条件:考虑到在实际现场应用中很难精确控制压力等各个因素，对管道入口采用压力入口条件，并对静压灌浆时的入口条件固定在3.5 MPa，动压灌浆时的入口条件固定在5 MPa;出口处设为压力出口边界条件;墙面处设为无滑移壁面。

2.4 数值计算流程

采用ANSYS FLUENT12.1 流体动力学软件对矿井灌浆管路进行数值模拟，考查和分析高浓度浆液在管路中流动特征参数及变化情况［10-11］，并对静压灌浆和动压灌浆进行对比分析和研究。通过模型的建立、网格划分及参数设置、数值计算、结果处理等步骤，建立的流程如图3 所示，相关参数设置见表1，模拟灌浆入口和出口分别为管道入口处和出口处。

表1 相关参数设置Tab.1 Related parameter settings

3 数值模拟分析

3.1 静压灌浆管道压力变化特征

在向采空区进行注浆作业的时候，一般分为2种方式，一种是静压注浆，另外一种是动压注浆。选用静压注浆方式进行采空区注浆，即通过浆液自身的重力，从注浆站输送浆液，浆液通过在井下铺设的灌浆管路至用浆区。现对静压注浆时的注浆管路的压力情况进行模拟，如图4 所示，其中1，2，3，4 号测点分别为二采区皮带机道压力监测点，北翼1#联络巷压力监测点，1305 岩集联络巷压力监测点，五采边界回风上山压力监测点。

通过图中的模拟结果，可以看出，采用静压注浆方式时，1 号测点的压力值范通过围为3.434 ～3.461 MPa 之间;2 号测点的压力值范围为3.380～3. 407 MPa 之间;3 号测点的压力值范围为3.190 ～3.217 MPa 之间;4 号测点的压力值范围为2.973 ～3.000 MPa 之间。

图1 简化物理模拟模型Fig.1 Simplified physical simulation model

3.2 动压灌浆管道压力变化特征

在向采空区进行注浆作业的时候，一般分为2种方式，一种是动压注浆，另外一种是动压注浆。选用动压注浆方式进行采空区注浆，即通过在注浆站对浆液进行加压后输送，浆液通过在井下铺设的灌浆管路至用浆区。现对动压注浆时的注浆管路的压力情况进行模拟，如图5 所示。

通过图中的模拟结果，可以看出，采用动压注浆方式时，1 号测点的压力值范围为5.308 ～5.444 MPa 之间;2 号测点的压力值范围为4.493 ～4.629 MPa 之间;3 号测点的压力值范围为3.950 ～4.086 MPa 之间;4 号测点的压力值范围为3.135 ～3.271 MPa 之间。

4 结果对比分析

4.1 模拟数据与现场数据对比

图2 网格划分图Fig.2 Meshing

图3 数值模拟流程Fig.3 Flow of numerical simulation

图4 静压注浆各监测点压力分布Fig.4 Static pressure grouting pressure distribution of each monitoring point

图中所表示的各个压力分段意义解释如下:图中曲线可以分为3 个部分，第一部分(即浆液自重阶段，如压力值最低的曲线所示，时间:8:35 ～8:55，9:40 ～9:55，10:30 ～10:50)所产生的压力是在管路阀门关闭的情况下，由于管路中存在一定的余水而产生的在自重作用下的压力，压力值通常比较小，可以忽略不计;第二部分(即静压灌浆阶段，如压力值较高的曲线所示，时间:9:00 ～9:35)所产生的压力是在进行静压灌浆的情况下，在灌浆站与灌浆地点形成的压力差的作用下所产生的压力，压力值通常比较大，是目前灌浆工作的主要手段;第三部分(即动压灌浆阶段，如压力值最高的曲线所示，时间:10:00 ～10:25)所产生的压力是在动压灌浆的情况下，其压力值的大小由管路中余水的自重，静压灌浆的压力和渣浆泵的出口压力之和所组成的，系统能够满足对矿井安全生产以及解决管路出口压力大小的要求。

图5 动压注浆各监测点压力分布Fig.5 Dynamic pressure grouting pressure distribution of each monitoring point

利用Origin 绘图软件对此数据进行分析，结果如图6 ～9 所示。

4.2 结果分析

利用ANSYS 模拟软件对灌浆管路中的压力进行模拟，所得到的数据与现场实测数据进行对比，见表2.

图6 二采区皮带机道现场与模拟压力对比图Fig.6 Second Mining Area belt road scene with analog pressure comparison chart

图7 1305 岩集联络巷现场与模拟压力对比图Fig.7 1305 Rock Lane set scene with simulated contact pressure comparison chart

图8 北翼1 号联络巷现场与模拟压力对比图Fig.8 North Wing No.1 Lane scene with simulated contact pressure comparison chart

图9 5304 边界回风现场与模拟压力对比图Fig.9 5304 Boundary return air scene and simulated pressure comparison chart

二采区皮带机道布置的压力传感器检测的压力值与模拟压力值对比可以看出，模拟结果与现场试验结果大致相似，静压灌浆模拟与实测静压值分别大致在3.5/3.6 MPa 左右，动压灌浆模拟与实测动压值分别大致在5/4.8 MPa 左右;北翼1#联布置的压力传感器检测的压力值与模拟压力值对比可以看出，模拟结果与现场试验结果大致相似，静压灌浆模拟与实测静压值分别大致在3.5/4.0 MPa 左右，动压灌浆模拟与实测动压值分别大致在4.8/5.0 MPa 左右;1305 岩集运底车场布置的压力传感器检测的压力值与模拟压力值对比可以看出，模拟结果与现场试验结果大致相似，静压灌浆模拟与实测静压值分别大致在3.0/2.8 MPa左右，动压灌浆模拟与实测动压值分别大致在4.0/4.0 MPa 左右;5304 四号联上车场布置的压力传感器检测的压力值与模拟压力值对比可以看出，模拟结果与现场试验结果大致相似，静压灌浆模拟与实测静压值分别大致在2.5/2.0 MPa 左右，动压灌浆模拟与实测动压值分别大致在3. 0/3. 0 MPa 左右，这与现场的静压注浆和动压注浆所显示的趋势基本吻合。

表2 模拟与实测数据对比Tab.2 Simulation and comparison of the measured data

从模拟的结果可以看出:利用动压进行输浆作业，可以起到明显的增压效果;现场数据与模拟所得的数据基本吻合;两者采用的静压和动压输浆方式所呈现的管道中的压力分布规律基本吻合;系统结构设计合理，取得了良好的效果，系统达到了设计要求。

5 结 论

1)根据控制方程、能量方程，构建了浆液远距离输送数值计算模型，采用ANSYS FLUENT12.1流体动力学软件对静压注浆和动压注浆中的过程进行了数值模拟和对比分析，该模型可以较好的预测静压和动压输送管路中的压力状态，有助于分析管路输送过程中不同管路位置的压力变化及分布规律。

2)建立物理模型，对其进行网格划分、边界条件设定和数值模拟计算流程和对所建立的模型进行数值计算，得到浆液在管道中的变化特性，从静压注浆和动压注浆的特性变化中可以看出，动压注浆对出口压力起到了显著的作用。

3)通过与现场所监测得到的结果进行对比分析，可以得出，数值模拟结果与现场试验所监测得到的数据基本吻合，说明动压注浆方式对远距离灌浆工作具有一定的实用性。

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