超细全尾砂料浆在大直径管道中流动特性研究

甘德清，高 锋，陈 超，邵静静，孙 成

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山063009；2.河北省矿业开发与安全技术实验室，河北 唐山 063009）

超细全尾砂料浆在大直径管道中流动特性研究

甘德清1，2，高 锋1，2，陈 超1，2，邵静静1，孙 成1

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山063009；2.河北省矿业开发与安全技术实验室，河北 唐山 063009）

均质流在圆管中层流运动时，流速呈旋转抛物面分布；紊流运动时，流速特征符合七分之一指数分布定律。超细全尾砂胶结充填料浆物理性质复杂，在管道内的流动特征受管径等边界条件影响较大。使用Fluent－3D中欧拉模型，模拟研究充填倍线为3的条件下，不同浓度超细全尾砂料浆在大直径管道中满管自流输送时管道横断面上的流动特征。研究结果发现，灰砂比为1∶6的超细全尾砂胶结充填料浆在管道中易形成均质流，在管道横断面上流速沿轴线近似对称分布；料浆浓度为64%时，200mm管道输送的超细全尾砂胶结充填料浆为牛顿体；料浆浓度为68%时，呈现伪塑性体的流动模式；料浆浓度为72%时，呈现屈服伪塑性体的流动模式。就大于2.9m/s的高流速区域宽度而言，64%浓度料浆最大，72%浓度料浆次之，68%浓度料浆最小。

超细全尾砂；大管径；流速分布；流动模式

目前国内外使用充填采矿法开采的矿山受开采规模的限制，使用的充填管道直径基本小于150mm，大于150mm的充填管道的应用并不多见，目前国内还没有出台衡量充填管径大小的标准，因此针对矿山充填料浆管道输送而言，大于150mm内径的管道可以认为是大直径管道［1－11］。随着国民经济对资源需求的增大，矿山产能不断提高，开采深度不断增加，要求充填开采的矿山充填能力和充填深度不断提高，大管径自流输送充填料浆技术成为充填开采领域研究的必然趋势和重要内容［12－13］。超细全尾砂充填料浆物理性质复杂，管道内流动稳定性的影响因素较多，当管径增大时，料浆的流动特性会发生很大的变化［14］。针对直径为200mm的充填管道，采用Fluent－3D工程流体力学软件中欧拉多相流数值模拟版块，研究大直径水平管道中不同浓度的超细全尾砂胶结充填料浆在管道横断面上的流动特征。

1 均质流体圆管内流速分布理论

1.1 层流流速分布特征

对于实际不可压缩黏性流体在管道中的定常层流流动，管道断面上流速的分布函数见式（1）。

式中：Pa、Pb分别为截面a、b上的压强，见图1；ro为管道半径，m；r为某质点到轴线的距离，m；μ为动力黏性系数；l为断面a、b之间的距离，m；

由式（1）可以看出，实际不可压缩黏性流体在管道中的定常层流流速呈旋转抛物面分布。

图1 流体在圆形管道内流动图

1.2 紊流流速分布特征

在圆管紊流流速分布的研究中，应用较为普遍的流速分布公式见式（2）、式（3）。

式中：umax为管道断面上的最大流速，m/s；k为卡门通用常数，k≈0.4；τo为流体在管壁处的切应力，Pa；y为管道断面上质点纵坐标，m；ρ为流体密度，Kg/m3；m为指数；其余符号意义同前。

式（3）中指数m随雷诺数和管壁粗糙度改变，当雷诺数Re＜105时，取m＝，此时式（3）称为流速分布的七分之一指数分布［15］。

2 数值模拟实验

2.1 欧拉模型介绍

欧拉多项流模型可以模拟多相的流动及相间的相互作用，相可以是液体、气体、固体的任意组合。欧拉多相流模型没有液－液、液－固（Granular）的差别。Granular流在计算时是一种简单的固体流动，它涉及至少有一相被指定为Granular相，可以根据颗粒动力学理论计算颗粒的压力和黏性，计算每一相物质的流动参数。各相共享单一的压力场，对每一相都求解动量和连续性方程。计算结果给出各相的流动速度，可以对每一相的流速进行分析［16］。

2.2 数值模型建立

使用Fluent 6.3数值模拟软件前处理器Gambit 2.2，建立数值几何模型，对应的求解器为solver5/6。本次研究采用Fluent－3D解算器，计算精度高，对计算机内存的要求大，模型尺寸每增大一倍，计算量会增大近103倍。为了使实验顺利进行，同时不失模拟的相似性，建立数值计算模型见图2。

图2 L形管道数值模拟几何模型

数值几何模型为充填倍线为3的L型管道，管道直径200mm，竖直管道的长度为10m，水平管道的长度为20m，弯管中心曲率半径为500mm。在笛卡尔三维坐标系中，在XY平面上水平管道纵断面的坐标范围为x＝0～20m、y＝－0.4～－0.6m，水平管道中心线为y＝－0.5m。从x＝0m开始，每隔5m设置料浆流动观测断面。

根据实际充填钢管内壁粗糙度，划分网格时设置边界层。管道直径为200mm，设置的面网格和体网格的网格度为10mm，网格划分结果均匀细致。设定边界类型为速度入口（velocity－inlet）、墙体（wall）和速度出口（velocity－outlet）。

2.3 数值模拟实验方案

2.3.1 实验材料的物理性质

根据就近取材的原则，选择司家营矿选厂超细全尾砂，筛分测定其粒级组成和尾砂级配，按照1∶6的灰砂比，配至浓度为64%、68%和72%的超细全尾砂胶结充填料浆，分别测定三种料浆的密度、黏度、灰浆密度和黏度、体积浓度等。结合本次研究使用的200mm管径和1.769m/s的初始流速，计算三种料浆在L型管道中流动时的湍流强度。尾砂级配关系如表1所示，料浆物理性质测定及湍流强度计算结果如表2所示。

2.3.2 实验参数设定

将Gambit构建的数值计算模型导入Fluent－3D解算器，检查网格文件，确保计算域的大小符合所要进行分析的计算域尺寸和最小网格体积大于0；设定计算区域尺寸单位，根据单位换算关系对计算模型进行缩放。选择压力基求解器（Pressure Based），三维（3D），定长（Steady）等求解模型参数设置。选择K－epsilon reliable model，在Multiphase中选择Eulerian，在Material中分别定义尾砂和灰浆的物理属性。在Phases中以灰浆为主相、以尾砂为次相，根据尾砂控制粒径0.099mm设定尾砂的颗粒属性（Granular）。计算尾砂相与灰浆相之间动力交换系数的曳力函数为Wen and Yu模型函数，指定尾砂碰撞的归还系数为0.9。

设定料浆入口处绝对压强为1个标准大气压，模型以Y方向为竖直方向，输入重力加速度－9.8m/s2。设定边界条件和计算控制参数，进行料浆管道内流动参数计算。边界条件设定结果如表3所示。为提高计算精度，选择二阶迎风计算模式，残差收敛精度为10－4。

2.3.3 模拟结果后处理

迭代运算至运动方程残差值均达到设定的标准，计算停止，认为此时运动方程的计算结果已经收敛。运动方程计算残差收敛情况如图3所示。

表1 司家营矿超细全尾砂级配分析结果

表2 料浆物理性质和管内湍流强度

表3 边界条件设定

图3 料浆管道内运动方程计算残差收敛曲线

在x＝5m、x＝10m、x＝15m、x＝20m和z＝0m处设置5个流速观测截面，导出5个观测截面的尾砂和灰浆流速分布云图和流速分布散点图，分别导出5个观测截面上各点的尾砂和灰浆流速值，筛选出最大流速及其出现的y坐标和最小流速，以大于2.9m/s的流速分布区域作为尾砂和灰浆的高流速区域，计算不同截面处高流速区域宽度，数据处理结果如表4和表5所示。

表4 水平管道中灰浆流速数据处理结果

表5 水平管道中尾砂流速数据处理结果

3 数值模拟结果分析

分析表4和表5中数据可知，尾砂和灰浆的流动特征基本一致，在水平管道断面上流速基本上沿管道长轴对称分布，说明在充填倍线为3、输送管径为200mm条件下，控制粒径d60＝0.099mm的超细全尾砂在管道中均匀分布，尾砂和灰浆形成的料浆以均质流的形式流动，图4中x＝20m处尾砂在管道横断面上的流速分布云图和散点图印证了这一点。

水平管内最高流速出现在管道中心处，64%浓度的料浆在管道中的最大流速值高于72%和68%浓度的料浆最大流速值，72%浓度料浆的最大流速值略高于68%浓度料浆。以大于2.9m/s的流速区域作为料浆在管道中流动的高流速区域，64%浓度料浆的高流速区域宽度最大，72%浓度次之，68%浓度料浆高流速区域宽度最小。根据每个观测截面上各点的尾砂和料浆流速分布，可知64%浓度的料浆的流变模型为牛顿体，68%浓度的料浆以伪塑性体的形式流动，72%浓度的料浆流动时表现出屈服伪塑性体的流动特征。的充填倍线和初始流速条件下，牛顿体的最大流速和高流速区域宽度大于伪塑性体和屈服伪塑性体，屈服伪塑性体和伪塑性体的最大流速相差不大，但屈服伪塑性体的高流速区域宽度明显大于伪塑性体。

图4 x＝20m处管道断面上尾砂流速分布特征

图5 超细全尾砂料浆在200mm管道中的流速分布

4 结论

1）在充填倍线为3的条件下、灰砂比为1∶6、控制粒径为0.099mm的超细全尾砂充填料浆在200mm管道中自流输送时，易形成均质流，在水平管道横断面上流速呈抛物线状对称分布。

2）灰砂比为1∶6的超细全尾砂充填料浆浓度为64%时，料浆以牛顿体向前流动；当料浆浓度达到68%左右时，超细全尾砂料浆表现出塑性流动的特征；超细全尾砂胶结充填料浆浓度达到72%时，料浆具有屈服应力，在水平管道中流动时呈现出屈服伪塑性体的流动模式。

3）在200mm大直径管道中，相同物料、相同

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

［2］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.

［3］David H，Sebastian A，Radziszewski P.Pipe lining abrasion testing for paste back fill operations ［J］.Minerals Engineering，2009，22（12）：1088－1090.

［4］Jacobs B E A.Design of slurry transport systems［M］.London：Elsevier Science Publishers LTD，1991：30－49.

［5］Heywood N，Alderman N J.Developments in slurry pipeline technologies［J］.Chemical Engineering Process，2003，12（4）：36－43.

［6］Perry R J，Churcher D L.The application of high density paste backfill at dome mine ［J］.CIM Bulletin，1990，83（937）：53－58.

［7］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.

［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：自然科学版，2012，11，（6）：36－43.

［9］陶平凯.黄砂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.

［11］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.

［12］王新民，古德生，张钦礼.深井矿山充填理论与管道输送技术［M］.长沙：中南大学出版社，2011.

［13］刘同有.充填采矿技术的应用［M］.北京：冶金工业出版社，2001.

［14］胡亚军.石人沟铁矿全尾料浆输送与砂仓连续放砂实验研究［D］.长沙：长沙矿山研究院，2012.

［15］齐鄂荣，曾玉红.工程流体力学［M］.武汉：武汉大学出版社，2005：99－120.

［16］温正.FLUENT流体计算与应用教程［M］.北京：清华大学出版社，2013.

Study on flow characteristics of ultrafine full－tailings in large diameter pipe

GAN De－qing1，2，GAO Feng1，2，CHEN chao1，2，SHAO Jing－jjing1，SUN Cheng1
（1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；2.Mining Development and Safety Technology Key Lab of Hebei Province，Tangshan 063009，China）

The velocity distribution of laminar flow is alike of rotating parabolic when homogenous fluid flows in cycle pipes，however the one of turbulent flow conforms to one in seven exponential distribution law.The physical characteristics of ultrafine full－tailings cemented filling slurry are complex，its flow characteristics in pipe are affected by boundary conditions significantly，such as pipe diameter.Using eulerian model of fluent－3d software，the flow characteristics on pipe cross section of ultrafine full－tailings slurries of different concentration was studied when they were transported with large diameter pipes under the condition that stowing gradient was 3.The study pointed it out that ultrafine full－tailings cemented slurry of 1∶6 cement－sand ratio is easy to form homogenous fluid，whose velocity distribution is approximate symmetry along the pipe axis；that the slurry of 64%concentration becomes Newton body when it flows in Φ200mm pipe，however，the slurry of 68%concentration flows as pseudo plastic body and the slurry of 72%flows as yield pseudo plasticity body；and that as to the width of high velocity zone in which the velocity is higher than 2.9m/s，the one of slurry of 64%is largest while the one of slurry of 72%concentration takes second place and the one of the slurry with 68%concentration is smallest.

ultrafine full－tailings；large pipe diameter；velocity distribution；flow model

高锋（1988－），男，汉族，安徽淮北人，硕士研究生，从事采矿工艺与理论方面研究。E－mail：gao7975498＠163.com。

TD851

A

1004－4051（2015）09－0093－05

2014－06－23

国家安全生产监督管理总局“超大规模超深井金属矿山开采安全矿山技术”项目资助

甘德清（1962－），男，汉族，河北抚宁人，教授，博士，博士生导师，主要从事采矿工艺与理论方面研究。E－mail：gdqheut＠163.com；