混凝过程颗粒凝聚行为的影响因素及其数值模拟方法.pdf

第46 卷第8 期2023年8 月煤矿安全环保与煤炭加工混凝过程颗粒凝聚行为的影响因素及其数值模拟方法煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.8Aug.2023刘利波，高旺，王志强，吉日格勒（国家能源集团准能集团有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯0 10 30 0）摘要：混凝是处理煤泥水等微细颗粒悬浮体系的重要方法之一。文献分析表明，混凝过程受到水力条件、悬浮颗粒性质和加药制度等因素的影响，从力学角度分析，这些因素可归为颗粒之间的相互作用及颗粒与流体间的相互作用两个方面。而这两个作用力的液固耦合数值模拟是从介观尺度研究分析颗粒凝聚行为的直观且有效的方法。目前主流的液固耦合凝聚过程数值模拟模型中，CFD-DEM耦合模型满足绝大多数模拟研究，LBM-DEM更适合于处理复杂流场。关键词：混凝；颗粒；凝聚；作用力；水力条件；数值模拟中图分类号：TD94Influencing factors of particle aggregation behavior incoagulation process and its numerical simulation method(National Energy Group Zhunneng Group Co.,Ltd.,Ordos 010300,China)Abstract:Coagulation is one of the important methods to treat fine particle suspension systems such as slime water.Theliterature analysis shows that the coagulation process is affected by factors such as hydraulic conditions,suspended particleproperties and dosing system.From the perspective analysis of mechanics,these factors can be classified into two aspects:the interaction between particles and the interaction between particles and fluid.The liquid-solid coupling numericalsimulation based on these two forces is an intuitive and effective method to analyze the particle aggregation behavior fromthe mesoscopic scale.In the current mainstream numerical simulation models of liquid-solid coupling condensationprocess,the CFD-DEM coupling model satisfies most of the simulation studies,and the LBM-DEM is more suitable fordealing with complex flow fields.Key words:coagulation;particles;cohesion;force;hydraulic conditions;numerical simulation文献标识码：ALiu Libo,Gao Wang,Wang Zhiqiang,Jirgler文章编号：2 0 9 5-5 9 7 9（2 0 2 3）0 8-0 10 1-0 5处理中应用。混凝处理一方面降低了水的浊度、0引言色度等指标，另一方面去除了多种有毒有害的溶解煤泥水处理是煤炭洗选过程中重要的工艺环性杂质，如砷、氟、汞及导致污水富营养化的氮、节，其效率和效果限制了水循环利用，甚至影响主磷酸盐等。尤其在以地表水为水源的生活饮用水洗工艺的正常运行。当前主流的煤泥水处理工艺是的给水处理工艺中，采用混凝、沉淀、过滤和消毒混凝沉降，即在煤泥水中加人混凝药剂，使微细的的工艺流程，将混凝置于沉淀和过滤之前，混凝为煤泥颗粒絮凝成大的絮体，进而在浓缩机中快速沉沉淀和过滤创造了有利的分离条件，同时，混凝的降，实现与水的分离。进行程度直接影响最终的处理效果。此外，得益混凝始于19 世纪，该技术最早在给水和污水于混凝技术处理时间短、设备面积小且不受有毒物责任编辑：高小青D0I：10.19 2 8 6/j.c n k i.c c i.2 0 2 3.0 8.0 2 5基金项目：国家自然科学基金（5 16 0 42 7 3）作者简介：刘利波（19 8 5 一），男，满族，内蒙古赤峰人，高级工程师。引用格式：刘利波，高旺，王志强，等.混凝过程颗粒凝聚行为的影响因素及其数值模拟方法J煤炭与化工，2 0 2 3，46（8)：10 1-10 5，10 9.1012023年第8 期质影响等优点，逐步推广至城市污水和煤炭、石油化工、钢铁、制药、造纸、印染等工业废水的处理。2021年全国原煤产量40.7 亿t，在“双碳”背景下同比增长4.7%。这些煤炭依据相关政策要求都应该进行洗选，按每吨煤用水量2.5 m3计算，将产生10 0 多亿m煤泥水。目前城市污水排放量约700800亿ti5，其他工业系统也有大量的给水和排水需要处理。混凝技术有效地解决了我国城市污水和其他工业污水难题，改善了出水水质，实现了水资源循环利用，有助于我国经济可持续发展。深化对混凝技术的研究，对提高液固两相分离及水处理效率具有重要意义。为此，本文分析了影响混凝效率的主要因素，梳理这些影响因素对颗粒凝聚的机制，并综述数值模拟方法在研究该过程机制的适用性和优缺点，以期为研究者提供参考。1混凝的影响因素混凝效果的影响因素比较复杂，总体上可归结为2 个方面来研究，即颗粒间的相互作用和颗粒与流体间的水力作用。颗粒间的接触和碰撞由其相互作用和相对运动引起，颗粒间的相互作用由凝聚理论来解释，造成颗粒相对运动的原因主要是布朗运动和流体的速度梯度。1.1果颗粒凝聚理论1.1.1DLVO 理论1941年苏联学者Derjguin和 Landau以及19 48年荷兰学者Verwey和Overbeek分别提出了经典的Derjguin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理论，该理论研究悬浮液中胶体颗粒的稳定性，认为颗粒间存在范德华吸引力和静电排斥力。经典的DLVO理论能够合理地解释悬浮在溶剂中的矿物颗粒、土壤颗粒、胶体、表面活性剂等物质间的相互作用力。通过原子力显微镜测量和DLVO理论计算证明了煤颗粒和蒙脱石颗粒间9、纳米塑料的凝聚体系10 均遵从经典的DLVO理论。TommasPotocarlI等利用DLVO理论预测了钙、镁沉淀物对铜绿微囊藻的絮凝效率，并与絮凝试验进行对比，2 种结果的吻合度高。在关嗜乳酸杆菌表面特性实验探究产氢光合细菌的絮凝特性12 研究中，利用该理论解释了存在絮凝效果差的原因。由于经典的DLVO理论没有考虑溶剂化作用力和疏水作用力等短程作用力、位阻效应以及离散颗粒的大小、形状和化学性质等因素，难以科学准确地解释102煤炭与化工颗粒的聚集和分散行为13。随着理论知识的不断完善，扩展的DLVO理论应运而生。1.1.2XDLVO(Extended DLVO)理论诸多研究发现，颗粒间分离距离在0 6 nm存在non-DLVO力，包括空间作用力、磁性作用力、疏水作用力、溶剂化力和热波动力等14-1。因此，当同时考虑DLVO力和non-DLVO力时，称之为扩展的 DLVO(XDLVO)理论。煤炭是典型的疏水性物质，因此，在煤炭浮选、煤泥水絮凝等研究中通常采用XDLVO理论（静电作用力、范德华作用力和疏水作用力）描述颗粒的聚集和分散行为。辉钼矿、闪锌矿、煤炭等18 矿物颗粒通过疏水作用实现絮凝，疏水化蒙脱石、纯煤的试验研究和原子力显微镜观察也证实了颗粒间存在疏水作用力19 。Li20等通过 XDLVO理论很好地解释了非极性油煤油加入前后对微细赤铁矿疏水絮凝效果存在的差异，主要是因为煤油和赤铁矿颗粒间强烈的疏水作用导致这一结果。此外，XDLVO理论还被应用到污泥稳定性以及细胞粘附程度的研究。Lin21等结合扩展的DLVO理论定量分析研究胞外聚合物对污泥脱水性能的影响。Yu2首次基于XDLVO理论定量、定性地分析了污泥絮体斥力、亲疏水性特性与污泥脱水性能的关系。1.1.3颗粒间作用力的影响因素颗粒自身的表面性质是影响颗粒间作用力的首要原因，其中长程力范德华作用力存在于全部颗粒之间，且始终表现为引力。当煤等疏水性颗粒距离在2 2 0 nm时，疏水颗粒间发生相互吸引作用，而表面为亲水性颗粒之间的作用力表现为斥力。煤泥水悬浮液体系中，煤粒表面间的疏水吸引力对颗粒的凝聚起主导作用2 3。带电颗粒和双电层反离子作为一个电中性的整体，当2 个离子靠近到一定距离，双电层发生重叠，改变了其电势和电荷分布，从而产生静电排斥作用。在混凝处理中，低分子电解质凝聚剂通过压缩双电层使悬浮液脱稳，解除布朗运动。杨宗义2 4等验证了用Zeta电位代替表面电位计算颗粒间静电作用能的可行性，体系中加入电解质离子，减小了颗粒间的静电斥力，并随着电解质浓度的增加，双电层厚度呈指数减小。在混凝过程中，加入的阳离子凝聚剂会压缩颗粒表面的双电层2 ，可降低颗粒间的排斥作用，因此药剂在一定程度上影响颗粒间的作用力，大分子或高分子聚合物颗粒体系存在空间位阻效应，高分子絮凝剂通过吸附桥联将颗粒吸附在一起形成絮团。第46 卷刘利波等：混凝过程颗粒凝聚行为的影响因素及其数值模拟方法1.2流体的水力条件静止流场中颗粒主要以分子扩散和重力沉降的形式发生碰撞；在层流状态下，由流体的速度梯度促使颗粒发生碰撞；颗粒在湍流状态下产生碰撞，其扩散系数是分子扩散的几千倍，湍流碰撞较前两种碰撞激烈且有效2 。因此，混凝剂投入体系后，需要在混合阶段对体系进行强烈搅拌2 7，使絮凝剂迅速均匀地溶解在体系中，加快胶体颗粒的脱稳速度，促使颗粒在布朗运动及紊流体系中发生凝聚。而絮凝阶段，需要适宜的动状态促使絮体并大生长，但动程度不易激烈，避免已经生成的絮体出现破碎现象2 8 。涡旋是促进絮凝体形成的重要影响因素之一，涡旋理论2 9-30 指出紊流是由连续不断的涡旋运动造成的，涡旋尺度较大，微粒跟随其作旋转运动；尺度较小，其动能不足以改变颗粒的惯性运动；只有当涡旋尺度与粒径近似时，颗粒间发生相对运动而碰撞。因此，合理设定水力条件是提高混凝效率的必要条件。在混凝过程中，目前常用的絮凝设备有水力絮凝和机械絮凝2 大类。Al-Husseini31等对比水力絮凝器和机械絮凝器去除合成废水浊度的研究工作，指出具有浊度去除率高、能耗和设备维修费用低等优点的水力混凝器是昂贵的机械混凝器的代替品。适用于水力絮凝器的粘性絮凝模型32 随之被建立，只需调节一个参数，便可根据絮凝剂用量来预测出水浊度、合理估计絮凝器设计参数。随着科技水平的提高，新型涡流絮凝反应设备不断涌现。ManoelMaraschin33等利用螺旋絮凝器进行污泥处理，实验结果表明污泥处理效果良好，该絮凝器适用于污泥处理工艺。对比发现34 螺旋管絮凝器较直管絮凝器的沉降速率快3倍左右，且曲率增大，絮体的形成随之增强；同时，这类絮凝器能够避免电气和机械能量的消耗，可以应用于在线聚集和高速率固液分离系统中3 根据涡旋理论，毛玉红通过调节Taylor-Couette反应器的转速观察不同涡流形态下颗粒的絮凝效果，模拟发现存在四种涡流形态：层流涡、波状涡、调制波状涡、和湍流涡；其中，波状涡的絮凝效果最好。圆柱绕流的卡门涡街装置形成微涡旋时颗粒的絮凝效果也比较好3。林喆38 等设计出格栅式絮凝器并进行实验研究，结果表明该装置有效地提高了絮凝沉降效率；通过动力学研究发现，瑞动能和动能耗散率是促进格栅装置内颗粒碰撞的主要原因39 。模拟研究40 发现在微涡流絮凝反应区微2023年第8 期涡流和微旋流有利于将大而疏松絮体打碎重新生成小而密实的絮体。涡流絮凝器的操作简单、通用性强、投资少、运行费用低、处理效果良好、具有较高的社会效益和经济效益，在絮凝处理中具有一定的推广价值41-42 。当前混凝技术主要从实验和模拟2 方面开展研究。其中，实验研究可设定更接近于实际工程应用的环境条件，但同时存在一些不可避免的问题，限于表征手段，实验无法从介观尺度准确定量获取颗粒在絮凝过程中的碰撞、粘附和破碎等行为，多数实验研究仅依靠完成混凝后的絮体形态、采收率或颗粒物脱除率等宏观参数进行混凝过程的评价，缺乏过程性的研究，难以获得影响混凝过程的深入的科学机制研究。采用数值模拟的方法可以解决上述问题。2混凝过程的数值模拟近年来随着流体力学理论知识的不断丰富和计算机技术的飞速发展，应用数值模拟进行研究这一举措备受学者青睐。为了清晰有效地解释颗粒在絮凝中的运动情况，从介观尺度分析颗粒间的作用机理和流体流动形态，数值模拟在研究中扮演着举足轻重的作用，在颗粒聚集行为的研究中具有指导性意义43。液固两相的耦合模型通常采用传统流体力学离散单元法（CFD-DEM）和格子玻尔兹曼法-离散单元法（LBM-DEM）2 种模型。2.1CFD-DEM耦合模型CFD-DEM耦合的基本思想是利用 CFD进行流场计算、DEM计算颗粒体系的运动受力情况，然后液固两相通过一定的模型进行质量、动量和能量的传递，从而实现液固两相之间的耦合计算。有限体积法是将流体的Euler控制方程在单元控制体内进行积分后离散求解，首先对流体区域进行网格划分，然后配置控制参数，选择合适的求解器进行求解。CFD-DEM耦合模型首次4 被用于模拟观察水平管内无粘性球形颗粒塞流时的流动情况。随后，被用于流化床的研究。Tsuji45定性和定量地模拟气流床中单个颗粒的流动情况，模拟结果在颗粒流动、混合等方面效果令人非常满意，但是与实验结果相比还存在一定的差异，需要进一步展开深入的研究。通过对模型参数的修正、算法的优化等多方面改进，CFD-DEM耦合模型在气流床的研究中取得了可靠的、和实验吻合度高的仿真结果46-48 。CFD-DEM耦合模型被广泛应用到涉及颗粒体1032023年第8 期系的各大领域(49-5 0 。CFD-DEM耦合模型在一定程度上揭示了载体制剂雾化和砂土液化5 的机理，在悬浮液中细颗粒5 1、粘性泥沙颗粒5 、煤泥水39 等液固两相体系絮凝沉降效果及其动力学理论的研究，该模型发挥出不容小觀的作用，为粉尘聚集沉降的宏观模拟提供了指导性思想3。李潘婷5 4在该模型中引入XDLVO作用力从介观尺度探究了其对煤泥水絮凝的影响，发现疏水性煤颗粒易于凝聚，而亲水性的伊利石颗粒不发生凝集现象。CFD-DEM耦合模型在两相流耦合模拟计算中相对比较成熟，但是当颗粒的尺寸大于流场网格尺寸，颗粒占据某一网格时，计算的稳定性和准确率大大降低，为了适应复杂边界的计算域及提高模拟的可靠性，LBM-DEM耦合模型在复杂流固耦合问题中被逐步应用。2.2LBM-DEM耦合模型格子玻尔兹曼法是一种从介观尺度描述流体的模型，是微观和宏观的桥梁。该方法将流体相划分为规则的网格，流体被视作离散的粒子，统计格点上的粒子的概率分布，从而判定流体的宏观运动状态5。在多相流中固体颗粒的边界由格子中点表示，并通过动量交换计算流体格点对颗粒表面的作用力。格子玻尔兹曼法和有限体积法二者的计算结果非常一致，但LBM的计算速度快、计算成本低，在复杂多相流中具有一定的可行性和独特优势5 7。Zhang58通过粒子浸人边界法（PIBM）将LBM和DEM耦合在一起。国内外学者采用LBM-DEM耦合模型在气固两相流和液固两相流中开展了诸多研究，如喷动床内稠密气固两相体系间的相互作用机理5 9 、岩体力学6 0 、水泥浆处理6 1、颗粒在流体中碰撞6 2 等，李涛6 3 采用LBM-DEM耦合模型进行崩落法放矿的理论研究，有效地解决了传统模拟中出现的颗粒数量多、凸点计算不稳定等问题，为崩落法放矿过程的准确模拟提供了指导性思想。Zhang(9等对单颗粒、双颗粒及多颗粒的沉降过程进行数值模拟，证明了该模型是非常有前途的数值模拟方法。LBM-DEM耦合模型能够有效地模拟复杂多孔介质中的流体流动、各种地质力学问题、土壤流化等研究。该模型能描述每个颗粒周围的详细流场，产生详细的颗粒流体相互作用的动力学信息，可以探索颗粒流体界面的流动、传递和反应的详细信息及两相相互作用的本构关系，但其缺点是该模型模拟一个几何模型需要创建的格子数非常大，对于规模104煤炭与化工较大的工程问题，计算量和计算时间无法接受，目前主要应用于基础科研领域，离广泛的实际工程应用还有段距离。3结语综上所述，混凝技术在理论和应用中均得到了广泛而深人的研究，从混凝的凝聚理论到数值模拟的模型算法，无一不是新型的创新研究，才会聚沙成塔，为混凝的研究和发展奠定了坚实的基础。在混凝研究中，采用多级旋流絮凝、涡流絮凝池以及机械絮凝与隔板絮凝的组合形式等，以增强絮凝效果。数值模拟是全面详细地描述颗粒和流体运动行为最有效的方式，通过不断地探索发现CFD-DEM耦合模型适用于大部分混凝过程的模拟；LBM-DEM耦合模型更适用于复杂情形，如流化床内颗粒的聚集、非球形颗粒凝聚等；分子动力学模拟也逐步被应用于黏土矿物的疏水凝聚行为、矿物浮选等研究，该模型是研究颗粒和混凝剂吸附的相互作用机制很有前景的方法，也是从微观角度深入研究混凝过程的科学机制的重要手段。参考文献：1 克贾朋，陈家庆，蔡小垒，等.炼化污水化学混凝净化处理效果影响的实验研究J.工业水处理，2 0 2 1，41（1）：7 7-82.2郑毅，丁日堂，李峰，等.国内外混凝机理研究及混凝剂的开发现状J.中国给水排水，2 0 0 7（10）：14-17.3刘鹏宇.饮用水源水中典型POPs有机氯农药的强化去除效能研究D.兰州：兰州交通大学，2 0 2 14周叶，高峰，戚雷强.混凝水处理法应用现状及强化措施探讨J.净水技术，2 0 2 1，40（S1）：9-14.5贺聪慧，王祺，梁瑞松，等.磁强化处理技术在城市污水处理中的研究与应用进展J.环境科学学报，2 0 2 1，41(1):54-69.6张小伟，王文龙，蔡亦忠，等.臭氧强化混凝对印染废水的深度处理研究J.工业水处理，2 0 2 0，40（9）：30-35.7梁为民.凝聚与絮凝M.北京：冶金工业出版社，19 8 7.8毕传健.强化混凝技术在集中式印染废水处理厂的应用研究D.上海：东华大学，2 0 17.9于跃先.煤泥浮选颗粒间相互作用及对浮选影响研究D.北京：中国矿业大学（北京），2 0 18.10柳彦俊.纳米塑料在天然水体中凝聚的影响因素及机制D广州：华南理工大学，2 0 2 0.11 Potocar T.,Pereira J.A.V.,Branyikova I.,et al.Alkaline floccula-tion of Microcystis aeruginosa induced by calcium and magnesiumprecipitatesJ J.JOURNAL OF APPLIED PHYCOLOGY,2020,32(1)：32 9-337.12 Liu X.M,Sheng G.P.,Yu H.Q.DLVO approach to the floccula-bility of a photosynthetic H-2-producing bacterium,Rhodopseud-第46 卷刘利波等：混凝过程颗粒凝聚行为的影响因素及其数值模拟方法omonas acidophilaJ.ENVIRONMENTAL SCIENCE&TECHNOL0GY,2007,41（13):46 2 0-46 2 5.13 Javadian S.,Kakemam J.Intermicellar interaction in surfactant s-olutions;a review study J J.JOURNAL OF MOLECULARLIQUIDS,2017,242:115-128.14 Lin Z,Li P.T.,Hou D.,et al.Aggregation Mechanism of Particles:Effect of Cat and Polyacrylamide on Coagulation and Flocculationof Coal Slime Water Containing Ilite J).Minerals,2017,7(2):30.15 1Nabweteme R.,Yoo M.,Kwon H.-S.,et al.Application of the ext-ended DLVO approach to mechanistically study the algalflocculation J.Journal of Industrial and Engineering Chemistry,2015(30):289-294.16 邹文杰，曹亦俊，孙春宝，等.煤泥选择性絮凝浮选中颗粒间相互作用研究J.中国矿业大学学报，2 0 15，44（6）：1 061-1 067.17张明青，刘炯天，王永田.煤变质程度对煤泥水沉降性能的影响J.煤炭科学技术，2 0 0 8（11）：10 2-10 4.18梁龙.煤泥中粘土矿物的选择性团聚机理研究D.徐州：中国矿业大学，2 0 17.19Chen R.X.,Fan Y.P.,Dong X.S.,et al.Impact of pH on interact-ion between the polymeric flocculant and ultrafine coal with atomicforce microscopy(AFM)J J.Colloids and Surfaces a-Physicoche-mical and Engineering Aspects,2021,622:11.20 Li H.,Liu M.X.,Liu Q.The effect of non-polar oil on fine hemati-te flocculation and flotation using sodium oleate or hydroxamicacids as a collector J J.Minerals Engineering,2018,119:105-115.21 Lin F.,Li J.G.,Liu M.R.,et al.New insights into the effect ofextracellular polymeric substance on the sludge dewaterabilitybased on interaction energy and viscoelastic acoustic responseanalysisJ.Chemosphere,2020,26:1-10.22 Yu W.B.,Wan Y.L,Wang Y.,et al.Enhancing waste activatedsludge dewaterability by reducing interaction energy of sludgeflocsJ.Environmental Research,2021,196:1-9.23 郭玲香，欧泽深，胡明星.煤泥水悬浮液体系中EDLVO理论及应用J.中国矿业，19 9 9（6）：7 2-7 5.24杨宗义，刘文礼，焦小淼，等.蒙脱石分散体系中用Zeta电位修正静电作用能的计算J.煤炭学报，2 0 17，42（6）：1 572 1 578.25王晓敏，王亮，李风亭，等.混凝剂对胶体电动电位的影响研究J.工业安全与环保，2 0 0 6（2）：7-9.26钟赐龙.微涡流优化及与排泥水回流协同混凝研究D.南昌：华东交通大学，2 0 2 0.27卢芳，李孟，江以恒，等.微污染水源水脱氮的强化混凝工艺J.环境工程学报，2 0 2 0，14（1）：113-12 2.28肖淑敏，赵建海，魏磊，等.搅拌条件对氢氧化镁混凝性能及絮体特性的影响J化工进展，2 0 18，37（2）：7 6 1-766.29王绍文，姜安玺，孙喆.混凝动力学的涡旋理论探讨（下）J中国给水排水，19 9 1（4)：8-11，12.30Casson L.W.,Lawler D.F.Flocculation in Turbulent Flow:Meas-urement and Modeling of Particle Size Distributions J J.JournalAWWA,1990,82(8):54-68.2023年第8 期31 Al-Husseini T.R.,Ghawi A.H.,Ali A.H.Performance of hydr-aulic jump rapid mixing for enhancement of turbidity removal fromsynthetic wastewater:A comparative study J J.JOURNAL OFWATERPR0CESSENGINEERING,2019，30:10 0 5 9 0.32 Pennock W.H.,Weber-Shirk M.L.,Lion L.W.A Hydrodynamicand Surface Coverage Model Capable of Predicting SettledEffluent Turbidity Subsequent to Hydraulic Flocculation J J.Environmental Engineering Science,2018,35（12)：12 7 3-1285.33 J Maraschin M.,Ferrari K.F.S.H.,Silva A.P.H,et al.Aluminumsludge thickening:Novel helical pipes for aggregation by dualflocculation and thickening by filtration applied to water treatmentplants J.Separation and Purification Technology,2020,241:1 10.34Carissimi E.,Sanagitto D.G.,Schettini E.B.C.,et al.RevisitingCoiled Flocculator Performance for Particle Aggregation J.WATERENVIRONMENTRESEARCH，2 0 18，9 0（4)：32 2-328.35 Carissimi E.,Miller J.D.,Rubio J.Characterization of the highkinetic energy dissipation of the Flocs Generator Reactor(FGR)J.Intermational Journal of Mineral Processing,2007,85(1-3):41-49.36毛玉红.流场涡形态对混凝效果的影响研究D.兰州：兰州交通大学，2 0 17.37甘恒.微涡旋对尾矿絮凝沉降的影响探究D.南宁：广西大学，2 0 18.38林喆，匡亚莉，王光辉，等.一种格栅式絮凝沉降装置及其构造方法：CN201711294353.7P39 刘嘉恒.格栅式絮凝器的促凝机制及其结构优化D.徐州：中国矿业大学，2 0 2 1.40王志新.气携式涡流絮凝反应器及其处理页岩气压裂返排液试验研究D.徐州：中国矿业大学，2 0 2 0.41童祯恭，钟赐龙，刘卓尧，等.微涡旋混凝技术在宜春某水厂的应用J.水处理技术，2 0 2 1，47（3）：8 9-9 2，9 7.42 Tong Z.C.Micro-eddy coagulation mechanism and its application in water purification plants J J.Desalination and Water Treatment,2018,110:275-282.43 吴文权，黄远东.液固两相流中流体旋涡对固体粒子运动影响的数值研究J.工程热物理学报，19 9 9（3）：36 5-36 9.44Tsuji Y.,Tanaka T.,Ishida T.Lagrangian numerical simulation ofplug flow of cohesionless particles in a horizontal pipe J.PowderTechnology，19 9 2，7（3)：2 39-2 5 0.45?Tsuji Y.,Kawaguchi T.,Tanaka T.Discrete particle simulation oftwo-dimensional fluidized bed J J.Powder Technology,1993,77(1):79 87.46Liu D.Y.,Bu C.S.,Chen X.P.Development and test of CFD-D-EM model for complex geometry:A coupling algorithm for Fluentand DEMJ.COMPUTERS&CHEMICAL ENGINEERING,2013,58:260268.47Lin J.J.,Luo K.,Wang S.,et al.An augmented coarse-grainedCFD-DEM approach for simulation of fluidized beds J J.Advanced Powder Technology，2 0 2 0,31（10):4 42 0 -4.427.（下转第10 9 页）105刘建亮：麦捷煤业15 0 5 0 5 工作面瓦斯涌出量与治理措施钻孔位置轨顺轨顺（距切眼35 130 m）根据麦捷煤业15 0 5 0 5 工作面实际情况，为保证抽采效果，抽采设备选用2 BEC72、2 BEC 6 2 型水环真空泵，低负压瓦斯抽采主管采用610mm螺旋焊缝钢管（高抽巷），瓦斯抽采干管采用273mm螺旋焊缝钢管（轨顺），并网汇流管为75mm聚氯乙烯硬管。3.5瓦斯治理效果150505工作面钻孔工程于2 0 2 1年8 月开始施工，于2 0 2 3年2 月底施工完毕。根据邻近工作面回采期间瓦斯涌出量以及治理效果，预测15 0 5 0 5工作面回采期间风排瓦斯量3m/min左右，低负压抽采瓦斯量1.5 m/min左右，高抽巷抽采瓦斯量7m/min左右，合计约11.5 m/min，大于预测的绝对瓦斯涌出量最大值10.44m/min，可以满足安全生产的要求。实际生产后15 0 5 0 5 工作面未出现瓦斯相关事故，表明了设计的瓦斯治理措施科学有效。2023年第8 期表2 瓦斯抽采钻孔参数Table 2 Gas drainage drilling parameters钻孔类型开孔高度铁钻孔间距/m与巷道中线夹角/顶板孔顶板裂隙孔2.5m合计倾角/孔深/m子孔径/m钻孔进尺/m孔数505254结 语对麦捷煤业15 0 5 0 5 综采工作面瓦斯涌出量进行了预测，根据割煤、放煤、采空区以及邻近煤层瓦斯的相对瓦斯涌出量之和，计算出15 0 5 0 5 综采工作面相对瓦斯涌出量为3.34m/t，以2 4h为1个预测圆班，结合日计划产量45 0 0 t，计算出150505工作面绝对瓦斯涌出量最大值为10.44m/min，并由此确定了“单U通风+高抽巷抽采+顶板、裂隙带钻孔抽采”的瓦斯治理方案，方案预计瓦斯抽采量为11.5 m/min，大于预测的绝对瓦斯涌出量最大值10.44m/min，可以满足要求。治理措施实际应用后，15 0 5 0 5 工作面未出现瓦斯相关事故，工作面顺利回采，为类似条件下的瓦斯治理提供了经验借鉴。25258010011311317 600200019 60022020240（上接第10 5 页）48 Mema I.,Padding J.T.Fluidization of elongated particles-Effectof multi-particle correlations for drag,lift,and torque inCFD-DEMJ.AICHE JOURNAL,2021,67(1):1-11.49赵钟杰，张建鹏，唐艳玲，等.基于CFD-DEM的固液分级过滤模拟J.华东理工大学学报：自然科学版，2 0 2 2，48(5):591 599.【5 0 肖桐，王千红，沈盈莺，等.颗粒床内固液过滤的三维CFD-DEM模拟J.华东理工大学学报：自然科学版，2020,46(5):164-172.51 IPei C.,Wu C.-Y.DEM-CFD Modelling of Electrostatic Phenom-ena in Fluidization A J.X.Li,Y.Feng,G.Mustoe.Proceedingsof the 7th International Conference on Discrete ElementMethods C.Singapore:Springer Singapore,2017:995-1 003.52 SSun H.L.,Li D.M.,Xu S.L.,et al.Modeling the process of cohes-ive sediment settling and flocculation based on CFD-DEMapproachJ.GRANULAR MATTER,2019,21（5):1-14.53 Sun R.,Xiao H.,Sun H.L.Investigating the settling dynamics ofcohesive silt particles with particle-resolving simulations J.Advances in Water Resources,2018,111:406-422.54李潘婷.煤泥凝聚过程的CFD-DEM耦合模拟研究D.徐州：中国矿业大学，2 0 18.55 周宏宇.非牛顿流体/牛顿流体驱替过程的格子Boltzmann模拟D.大连：大连理工大学，2 0 16.56 Ladd A.J.C.,Verberg R.Lttice-Boltzmann Simulations of Parti-cle-Fluid Suspensions J.Journal of Statistical Physics,2001,104(5):1191-1 251.57Gabbanelli S.,Drazer G.,Koplik J.Lattice Boltzmann method fornon-Newtonian(power-law)fluids J J.Physical Review E,2005,72(4):1-7.58 ZZhang H.,Trias F.X.,Oliva A.,et al.PIBM:Particulate immersedboundary method for fluid-particle interaction problems J.Powder Technology，2 0 15,2 7 2:1-13.59 张庆来，李斌，王雨萌，等.基于LBM-DEM喷动床内换热特性介尺度数值模拟J.煤炭学报，2 0 2 2，47（S1）：331-339.60 Fan J.H.,