矿井“应急排水-快速清淤”的固液两相流数值模拟

郝传波， 蒲文龙， 张国华

(1.黑龙江科技大学， 哈尔滨 150022； 2.黑龙江科技大学 安全工程学院， 哈尔滨 150022； 3.黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022)

矿井“应急排水-快速清淤”的固液两相流数值模拟

郝传波1， 蒲文龙2， 张国华3

(1.黑龙江科技大学， 哈尔滨 150022； 2.黑龙江科技大学 安全工程学院， 哈尔滨 150022； 3.黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022)

针对矿井水灾煤泥淤积堵塞巷道影响应急救援时效的问题，提出“应急排水-快速清淤”同步一体的救援新思路。基于流体动力学理论，选择Eulerian多相流模型，利用Fluent对煤泥浆体固-液两相流体进行模拟，得到不同体积分数煤泥在管道内部的固体颗粒流场、压强及流速分布规律。结果表明：水平管道直径为150 mm条件下，煤泥体积分数在25%～45%时，管道输送效率较高；煤泥体积分数在55%～65%时，管道接近“堵塞”状态。为提高管道输送效率、防止管道堵塞，可对煤泥浆体进行充分搅拌，改善管道进口条件。

矿井水灾； 煤泥； 流动规律； 数值模拟

0 引 言

我国煤矿随开采深度及强度增加，突水事故已成为继瓦斯灾害之后的第二大灾害[1]。矿井水灾发生后，高压突水裹挟大量煤泥在巷道轴向方向逐渐沉淀淤积，导致个别区段巷道(如巷道变坡点)形成堵塞。当前我国矿井水灾应急救援存在如下关键问题：其一，水灾发生后，井下应急救援程序为应急排水、巷道清淤、恢复巷道和抢险救人。据煤矿事故统计和救援经验，井下重大灾害第一现场瞬间死亡人员比例不到10%，其余大部分是因逃生路线阻断无法及时逃离、氧气逐步耗尽而窒息、救援通道受阻而长时间得不到补给和及时救治所致[2-3]。其二，水灾发生后，应急指挥决策把如何快速排水做为首要任务；而对动力排水条件下，如何起动淤积煤泥使其悬浮形成可输送浆体，减少清淤工作量和缩短应急救援时间尚未考虑。因此，矿井水灾发生后，除应急排水之外，如何快速清理巷道堵塞淤积体，已成为能否实现安全、快速、有效救援的关键。基于此，笔者提出“应急排水-巷道清淤”同步一体的救灾新思路。

当前，研究固液两相流体管道输送特性的手段为室内实验和数值模拟，而固液两相流动特性极其复杂，室内环管实验测试流动参数难度大(如无法得到管道内部浆体压力分布和速度分布状况)且成本高；获得实验数据有限，建立的经验关联式应用范围受到限制[4]。随计算机软件的发展和不断完善，运用数值模拟分析计算固液两相流体已成为一种全新的研究手段。邓代强等[5]运用Fluent软件对料浆长距离管道输送问题进行了细致分析；张钦礼等[6]结合因次分析法和数值模拟软件对高浓度超细全尾砂料浆的管道输送阻力问题进行了分析；李石林等[7]运用固液两相流的数值模拟方法，研究了黏土胶结浆体管道输送特性。但针对矿井水灾煤泥堵塞淤积巷道条件下，“应急排水-快速清淤”管道输送的固液两相数值模拟研究鲜有报道。因此，文中采用Fluent软件对煤泥浆体的固液两相流进行数值模拟，研究矿井水灾不同煤泥浆体浓度的固体颗粒管道沿程浓度变化、压降损失和速度流场变化规律，以期得到适合管道输送的煤泥浆体浓度区间，为矿井水灾“应急排水-快速清淤”的管道输送系统设计、参数优化以及预防管道堵塞提供参考，为提高矿井水灾应急救援时效提供支持。

1 几何模型与边界条件

由于煤泥管道输送工艺及其流动特性的复杂性，建模和分析计算通常做如下假设：浆体视为均质满管流且固体颗粒不发生相变；浆体为非牛顿流体；料浆在管道输送过程中不考虑其热量交换；浆体不受振动和地压波等影响。

Fluent软件是目前处于世界领先地位的计算流体动力学软件，是研究流体流动的理想工具[8]。在Fluent中，共有三种多相流模型，即流体体积模型(VOF)、混合模型(Mixture)和欧拉模型(Eulerian)[9-10]。欧拉模型适合煤泥浆体固液两相的混合和分离，精度较高，研究中选用Eulerian。煤泥浆体管道输送的数值模拟采用Gambit[11]进行三维建模和网格划分，见图1和2。设置运输管道为水平方向，管道直径为150 mm、长度为2 000 mm，管道进口速度v为1.5 m/s；设置煤泥颗粒密度ρ为1 400 kg/m3，煤泥中值粒径为0.25 mm。

图1 管道输送模型

图2 网格划分

2 数值模拟结果与分析

2.1 中截面固体颗粒分布规律

模拟得到体积分数为25%～65%的煤泥浆体在管道中截面的固体颗粒分布规律见图3。由图3可知，输送管道流场随体积分数变化规律为：颗粒浓度在浆体体积分数φ为25%～45%区段缓慢上升，体积分数为55%时明显上升，体积分数为65%时大幅上升。这是由于体积分数小于55%时，颗粒间距较大，颗粒的湍流脉动，尚不足以引起高频度颗粒碰撞、摩擦、挤压。体积分数大于55%时，这种挤压效应逐渐强烈起来，当体积分数为65%时，颗粒间距接近固相的局部可压缩极限，管道接近于“堵塞”状态(见图3e)。

a φ=25%

b φ=35%

c φ=45%

d φ=55%

e φ=65%

2.2 横截面固体颗粒分布规律

模拟得到体积分数为25%～65%的煤泥浆体距管道进口0.3、1.0、1.7 m位置处的固体颗粒分布规律见图4。

a φ=25%

b φ=35%

c φ=45%

d φ=55%

e φ=65%

Fig. 4 Cross-sectional solid particle concentration distribution in clouds

由图4可知，固体颗粒云图形态表现两个趋势：第一是沿竖向的趋势，在进口处颗粒均匀分布，在管道后程，随着重力影响，最顶部颗粒浓度趋小，底部趋大；这种趋势在颗粒体积分数变大的情况下表现尤为明显。第二是沿环向的趋势，由于管壁是完全刚性的，在浓度大的区域，颗粒更容易受挤压而堆积于管壁附近，这种趋势会随着平均体积分数的增大而加剧。从横截面体积分数图可以清晰地看出：上部近壁环面在低浓度时，由于重力竖向趋势影响浓度是低于平均值的；下部近壁环面的环长，由低浓度时的最底部一小段，逐渐变化到高浓度时的布满整个半环面，当煤泥体积分数为65%时，环向趋势达到了顶点，整个近壁环面都是高于平均浓度的区域，而且有一定的厚度，管道接近于“堵塞”状态。

2.3 中截面静压力分布规律

模拟得到体积分数为25%～65%的煤泥浆体在管道中截面的静压力分布规律见图5和6。

图5 管道中截面压力分布规律曲线

由图5可知，煤泥体积分数25%、35%、45%的管道压力曲线基本重合，压降稳定；煤泥体积分数55%和65%的管道压力曲线显示出压降损失较大。其中，煤泥体积分数25%～45%的管道平均进口压力为603 Pa，平均出口压力为-65 Pa，压降为668 Pa；煤泥体积分数55%的进口压力为982 Pa，出口压力为-115 Pa，压降为1 097 Pa；煤泥体积分数65%的进口压力为2 314 Pa，出口压力为-112 Pa，压降为2 426 Pa。分析可知，煤泥体积分数小于45%时，压降稳定传输效率较高，而当煤泥体积分数为55%和65%时，压降增大幅度较大即压降损失较大，传输效率反而降低，与固体颗粒分布规律云图对比可知，此时管道接近于“堵塞”状态。

由图6可知，中截面压力图的形态之所以呈斜纹状，是因为颗粒重力势能的影响。进口处颗粒在竖向是均匀分布的，在向右流动的过程中，整个固相有逐渐向下沉降的微小趋势；本来应该均匀分布的垂直压力等高线，被这种沉降挤压成偏斜状。偏斜程度由颗粒相浓度在竖向的不均匀程度决定，当煤泥体积分数为65%时，由于整体颗粒浓度都很高，上下相对还比较对称，所以偏斜度最低。

a φ=25%

b φ=35%

c φ=45%

d φ=55%

e φ=65%

2.4 中截面流速分布规律

模拟得到体积分数为25%～65%的煤泥浆体在管道中截面的流速状态及规律见图7和8。

a φ=25%

b φ=35%

c φ=45%

d φ=55%

e φ=65%

由图7可知，煤泥体积分数为25%、35%、45%即小于45%时流体层不是特别明显，而65%时流体层分层明显，特别是靠近管壁，出现近极限浓度区很厚即出现固体颗粒和液相水离析现象；基本上是和固体颗粒浓度场分布云图呈反向关系的，也就是说颗粒浓度大的地方，阻力大，流速低；反之亦然。

由图8可分析出不同体积分数煤泥在水平运输管道中流速场规律，其中煤泥体积分数为25%、35%、45%时，流速分布曲线呈现重合状态，中截面流速稳定，平均值为0.932 m/s；体积分数为55%、65%时，中截面流速均值分别为0.982和1.118 m/s。可知随煤泥体积分数超过55%，管壁固体颗粒组分增多，靠近管道后程接近“堵塞”。

图8 管道中截面流速分布曲线

3 结 论

(1)文中提出“应急排水-快速清淤”同步一体的救援新思路，可提高矿井水灾煤泥淤积堵塞巷道应急救援时效，为灾区受困人员提供安全、快速、有效的救助。

(2)输送管道中/横截面固体颗粒流场在煤泥体积分数为25%～45%区段缓慢上升，是由于颗粒间距较大不足以引起高频度的颗粒碰撞、摩擦、挤压；在煤泥体积分数55%～65%时上升明显，是由于颗粒间距比较接近固相的局部可压缩极限，管道接近“堵塞”状态。

(3)输送管道煤泥浆体两相流压降与其不同体积分数密切相关，煤泥体积分数为25%、35%、45%时，压降稳定，均值为668 Pa；煤泥体积分数为55%、65%时，对应压降为1 097 和2 314 Pa，压降急剧增加。也就是说，水平管道直径为150 mm条件下，煤泥体积分数在25%～45%区段，管道沿程压降损失较小，输送率较高。

(4)煤泥体积分数为25%、 35%、 45%时，流速分布曲线呈现重合状态，中截面流速稳定，均值为0.932 m/s；煤泥体积分数为55%、65%时，中截面流速均值分别为0.982和1.118 m/s。可知煤泥体积分数为55%时，管壁固体颗粒组分增多；当体积分数为65%时，固液两相流壁面离析明显，管道后程接近“堵塞”状态。

[1] 郝传波, 张国华, 肖福坤， 等. 顶板节理裂隙发育条件下回采巷道的垮塌形态[J]. 黑龙江科技学院学报, 2013, 23(1): 1-5.

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[3] 郝传波, 于会军, 张国华, 等. 井下断层地质破碎带巷道堆积体垮落形态[J].黑龙江科技大学学报, 2016, 26(3): 251-255.

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[5] 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， 36(6): 36-43.

[6] 张钦礼， 姜志良， 王 石， 等. 高浓度超细全尾砂充填料浆管道输送阻力模型[J]. 科技导报， 2014， 32(24): 51-55.

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(编校 王 冬)

Numerical simulation of solid liquid two phase flow featuring combination of drainage and fast dredging in mine emergency

HaoChuanbo1，PuWenlong2，ZhangGuohua3

(1.Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022， China； 2.School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022， China； 3.School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022， China)

This paper proposes a novel approach, called“emergency drainage-fast dredging” synchronization, which could address the emergency rescue problems due to slime sedimentation jam occurring in the flood disaster in mine roadways. The research building on fluid dynamics theory, selected Eulerian multiphase flow model, and the Fluent software involves the simulation of solid-liquid two-phase fluid for coal slurry and a better insight into the distribution law behind flow field of solid particle, the pressure, and velocity of coal slimes with the different volume fraction inside the pipelines. The results demonstrate that the pipeline offers a higher transportation efficiency, if the horizontal line has a diameter of 150 mm and the coal volume fraction ranges between 25% and 45%; and the pipeline tends to be left blocked if coal slurry volume fraction ranges between 55% and 65%. An effective improvement in the transportation efficiency and a better prevention of pipeline blockage are achieved by fully mixing coal slurry and improving the way a pipe works.

mine flood; coal slime; flow pattern; numerical simulation

2016-12-09

国家自然科学基金项目(51374097；51674107)

郝传波(1962-)，男，黑龙江省宁安人，教授，博士，研究方向：煤矿应急救援与影响控制、矿山安全与管理，E-mail：haochuanbo@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.002

TD745

2095-7262(2017)01-0008-05

A