基于FLUENT的磷石膏膏体充填料浆管道输送模拟

侯 俊 程文文 张小瑞 赵 龙

(长春黄金研究院有限公司)

随着充填技术的日益完善，泵送膏体充填工艺被越来越多的矿山使用。该工艺将一种或多种充填材料与水进行优化组合，配制成具有良好稳定性、流动性和可塑性的膏状流体，在重力或外加力(泵压)作用下以柱塞流的形态输送到采空区或离层区[1]，形成以膏体充填体为主的上覆岩层支撑体系，有效控制地表建筑物沉陷在允许值范围内，保护矿区生态环境和地下水资源[2-3]。和普通胶结充填相比，膏体充填的最大的优点是充入采场或采空区后，基本不需要脱水，克服了普通胶结充填脱水率高的缺点。贵州开磷集团计划采用磷石膏废料与黄磷渣混合制成膏体输送到井下，既解决了大量磷石膏废料的地表堆积，也降低了井下排水费用，保证井下安全生产。但是此法也存在一些难点，例如如何确定磷石膏充填料浆膏体浓度范围，膏体充填料浆能否顺利输送到采场，充填料浆在管道内的运动状态等。因此，研究磷石膏膏体充填料浆管道输送特性对指导矿山充填生产具有重大的意义。

随着电子信息技术迅猛发展，料浆数值模拟技术被广泛应用，FLUENT是一款基于有限体积法原理用于流体特性分析的专业软件[4]。邓代强等[5]通过FLUENT软件研究L型管数值模拟实验，但L型管与矿山实际生产情况不符；黄玉诚等[6]通过数值模拟手段分析浆体在弯管处压力、流速分布，但并未分析浆体在管道内整体输送情况；WANG等[7]应用此软件分析料浆在深井煤矿自流充填系统中的流速分布，但没有分析浆体在管道各处的受力情况；张钦礼等[8]以孙村煤矿为研究对象，分析煤矸石充填料浆的特性，但仅分析料浆输送的整体过程；吴迪等利用FLUENT软件系统分析了对低浓度充填料浆在管道内的流动状态以及沿程阻力损失。

基于以上分析，本文针对磷石膏废料与黄磷渣混合配制膏体充填料浆，应用FLUENT软件模拟矿山实际充填情况，分析不同浓度浆体进出口压力差异，研究管道内流速、压力变化情况，以验证室内实验磷石膏充填料浆膏体浓度的范围，确定膏体充填料浆管道输送过程中容易发生事故的位置，找出解决问题的方法，为矿山的安全生产提供保障。

1 磷石膏充填料浆物理性质及膏体浓度的确定

此次模拟选用磷石膏与黄磷渣为充填骨料，2种材料的物理性质及粒级组成见表1、表2。

通过进行磷石膏充填料浆泌水实验，得出不同浓度充填料浆的泌水率，见表3。通过理论分析，浆体泌水率在1.5%～5%，即称为膏体。

由表3测得的数据回归泌水率与充填料浆浓度关系式见式(1)，复相关系数R= 0.998 5。

Y=-0.382 0X+28.258 ,

(1)

式中，Y为泌水率，%；X为充填料浆浓度，%。

表1 磷石膏与黄磷渣的基本物理性质

表2 磷石膏与黄磷渣的不同粒径组成

表3 不同磷石膏充填料浆浓度的泌水率 %

根据式(1)，若定义膏体的泌水率范围为1.5%～5%，则对应的充填料浆浓度区间为61.21%～70.41%，可认为符合膏体泌水率要求。故此次磷石膏膏体管道输送模拟实验的浓度选择55%、60%、63%、65%。

2 数值模拟分析

2.1 FLUENT软件简介

FLUENT 软件由5方面构成：GAMBIT的主要功能是建立模型和生成网格；prePDF为精确的仿真用PDF燃烧的流程；TGrid根据已经存在的边界网格进而划分出体网格；Filters(Translators)可以将不同程序的网格转变为FLUENT网格；FLUNENT为主要的流动模型的计算程序[9]。

2.2 模拟参数设定

在模拟磷石膏膏体充填料浆管道输送的过程中，可认为料浆在输送时无热交换，浆体为满管输送且无能量损失。选取黄磷渣混合粉与磷石膏配比1∶5，浓度55%、60%、63%和65%的充填料浆进行FLUENT模拟，分析浆体在管道内压强、流速等物理参数的变化。

料浆流速计算公式为

(2)

式中，D为管道内径，mm;Q为充填料浆流量,m3/h。

浆体流动时雷诺数公式为

Re=ρVD/η,

(3)

式中，Re为雷诺数；ρ为料浆密度,t/m3；η为料浆黏度系数，Pa·s；D为管道内径,mm。

由式(2)计算得出，当流量Q为90 m3/h时，料浆入口流速V=1.6 m/s，料浆黏性系数由磷石膏膏体充填料浆环管试验测得。由式(3)计算得出配比1∶5不同浓度充填料浆流动时的雷诺数，见表4。根据流体力学理论，Re<2 300可判断充填料浆在管道内流动状态均为层流。

表4 配比1∶5磷石膏充填料浆流变参数和雷诺数

2.3 管道几何模型确定及网格划分

磷石膏膏体管道输送数值模拟实验设计充填料浆浓度为55%、60%、63%和65%，根据矿山实际生产情况建立模型，见图1。充填料浆首先通过竖直长80 m、直径125 mm 的直管，直管下端连接一个转弯半径为500 mm的弯管，弯管出口连接的水平直管直径变为100 mm，长800 m，随后竖直向下布置长20 m、直径100 mm 的管道，最后料浆通过长400 m、直径100 mm的水平直管接入采场。管道全程设立5个观察位置，分别为料浆入口、80 m竖直管下端连接的1#弯管、20 m竖直管上端连接的2#弯管、20 m竖直管上端连接的3#弯管、料浆出口。建立好的模型通过Gambit进行网格划分，并定义边界条件，管道模型的入口选择速度入口，填入初始初速度为1.6 m/s，水平出口条件为自由出口边界,模拟的外界条件为标准大气压，设定重力加速度为Y轴负方向，9.8 m/s2。将划分好的网格进行保存，用于FLUENT计算。

2.4 数值模拟结果及分析

2.4.1 流速分布规律

以浓度63%、配比1∶5的高浓度磷石膏充填浆体为例，分析在管道不同位置的流速分布规律，见图2。可以看出，管道内浆体流速的整体分布比较均匀，流动比较平稳，在靠近管壁处的整体流速较低，但是在弯管处料浆的流速变化较大，当料浆进入管道，流速开始增加，通过仔细观察对比，料浆在弯管中流速最大的位置通常在弯管出口1/3处。对比竖直管底部的2个弯头可以发现，1#弯管的速度变化尤为剧烈，原因一是1#弯管前的竖直管较长，原因二是1#弯管后，管径尺寸由125 mm变为100 mm，通过这个现象可以说明，突然变化管径会导致料浆在管道中的流速不稳定。

图1 管道输送模型

图2 浓度63%磷石膏料浆的速度分布

通过对比60%和65%浓度磷石膏浆体，料浆最大流速均出现在80 m竖直管的下部弯管(图3)，尤其60%浓度磷石膏浆体最大流速达到5.6 m/s，分析原因为浓度较大的料浆由于受到剪切应力较大，所以流速不会增加得特别多，在弯管处也是一样的道理，而浓度较低的浆体受到较小的剪切力，在管道内流速大小和方向变化都比较显著，所以充填料浆对管壁的摩擦和冲撞会更加严重。

2.4.2 管道压力分布规律

模拟结果显示不同浓度充填料浆压力分布规律类似，以浓度63%、配比1∶5的磷石膏充填料浆为例，分析料浆在不同位置的压力分布，见图4。可以看出，压力最大的位置均出现在80 m竖直管道的底部，大概位于底部弯头出口的1/3处或与φ100 mm水平管道连接处附近。结合流速分析结果，推断充填管道磨损最严重的部位正是这个位置，由此可见，1#弯头的位置是整个管道最关键的部位。

图3 1#弯头处不同浓度磷石膏料浆的速度分布

图4 浓度63%磷石膏料浆的压力分布

2.4.3 管道进出口压力

管道中料浆流动的动压是由管道进出口压差提供，流速随着压差的增大而加快。磷石膏充填料浆浓度提高时，在管道入口中心处的料浆受到剪切应力的作用，其分布呈拱形特征，同时料浆受重力作用向管壁处挤压，管道中心周围的压力逐渐减小；浓度低的磷石膏浆体，除靠近管壁的位置外，管道中心周边处的压力差明显减小，不同浓度磷石膏料浆进口压力分布见图5。对于出口位置压力，由于管道中心处受管道摩擦作用最小，因此，这个位置的管道总压力最大，相应的流速也最大；由于重力作用，当磷石膏充填料浆浓度较低时，出口位置上部的压力要略小于对称位置下部的压力；当磷石膏充填料浆浓度较高时，出口位置上部的压力也略小于对称位置下部的压力，同时，总压力较低浓度料浆大。不同浓度磷石膏料浆出口压力分布见图6。

图5 不同浓度磷石膏料浆的进口压力分布

图6 不同浓度磷石膏料浆的出口压力分布

3 结 论

由磷石膏充填料浆泌水实验大体确定膏体浓度范围为61.21%～70.41%。以此膏体浓度范围为依据，结合环管试验得到磷石膏充填料浆的流变参数，对其在管道内流动特性进行分析。通过FLUENT模拟，获得充填料浆在充填管道内不同位置的压力、流速变化规律。料浆在弯管处的流速较大，料浆颗粒运动方向发生改变会对充填管道造成较大的磨损；当充填管径发生变化时，会造成充填料浆流速不稳定；料浆在输送过程中压力最大的位置均出现在竖直管道与弯管结合部，大概位于底部弯头出口的1/3处，推断此处为充填管道磨损最严重的部位，所以在矿山实际生产的过程中，在这个部位应该采取适当的降压措施，不仅可以降低此处的流速，同时也可释放管道的压力。数值模拟结果为解决矿山充填实际问题提供了理论依据。

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