大屯锡矿尾砂膏体环管管输数值模拟研究.pdf

第 卷第期有色金属（矿山部分）年月犱 狅 犻：犼 犻 狊 狊 狀 大屯锡矿尾砂膏体环管管输数值模拟研究陈剑，李聪，王俊，杨天雨（云南锡业股份有限公司大屯锡矿，云南 个旧 ；陇南紫金矿业有限公司，甘肃 陇南 ；昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 ）摘要：膏体管输沿程阻力是影响管道设计与采场充填质量的关键因素之一，采用 建立与实际环管实验系统一样的管道输送的几何模型，分析得到不同管线沿程阻力损失之间的关系以及膏体配比参数对沿程阻力损失的影响规律。研究表明：膏体在管道中弯管处的速度和压力都发生急剧的变化，弯管外侧压力和速度明显大于弯管内侧，有着明显的梯度。在水平管段速度和压力在管道径向上存在明显的梯度，呈结构流的特点，分为柱塞流动区和边界层区域。在膏体管道输送中管道内膏体的速度和压力均存在着边界效应，随着流速的增大，管输阻力增大；随着膏体质量浓度增加，沿程管道阻力损失变大；随着屈服应力与塑性黏度的增加，沿程阻力损失也增大，获得了不同物料组成、管道内径、管流流速下水平段膏体压力损失，为大屯锡矿最终输送泵、充填管道选型提供了依据。关键词：环管模拟；管道输送；沿程阻力损失；速度梯度；结构流；边界效应；膏体配比；管道选型中图分类号：文献标志码：文章编号：（）犖 狌 犿 犲 狉 犻 犮 犪 犾 狊 犻 犿 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狊 狋 狌 犱 狔狅 狀狋 犺 犲狆 犻 狆 犲 犾 犻 狀 犲 狋 狉 犪 狀 狊 狆 狅 狉 狋 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳 狋 犪 犻 犾 犻 狀 犵 狊狆 犪 狊 狋 犲 犻 狀犇 犪 狋 狌 狀狋 犻 狀犿 犻 狀 犲 ，（，；，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，；，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；收稿日期：基金项目：云南省基础研究专项青年项目（）；昆明理工大学人培基金（，）作者简介：陈剑（），男，工程师，采矿工程专业，主要研究方向为采矿理论及工艺，：。膏 体 的 管 路 输 送 是 实 现 精 准 充 填 的 关 键 一环 ，在充填制备站将骨料、水泥和水按照一定配比搅拌制成膏体，再通过充填管道输送至采场中完成充填作业，在此过程中，管输沿程阻力是最关键的因素，国内外学者通常是采用经验公式、环管试验以第期陈剑等：大屯锡矿尾砂膏体环管管输数值模拟研究及数值模拟等方式探究其管输沿程阻力的大小，以便选择合理的膏体配比以及优化管路设计 。杨晓炳等对粗骨料充填料浆开展环管试验，获得了流变参数，计算出充填料浆的管输阻力，并且通过响应面法分析了多因素对于管输阻力的影响规律；钟明旭等针对某吕土矿充填料浆的管道输送开展环管试验，分析了尾矿浆浓度对管输阻力的影响规律；王洪江等通过开展中试规模环管试验，探究了灰砂比、浓度和流速对管道阻力的影响规律，建立了管输阻力预测模型；刘振等通过环管试验分析了不同配比下三山岛金矿充填料浆的流动性能以及管输阻力的变化规律；任建平等 通过环管试验以及数值模拟等方式得到了适合采场充填的最佳膏体配比。上述研究现状均是从环管试验出发，探究不同影响因素下膏体管输沿程阻力变化规律，而室内试验、半工业试验等方法无法直观地阐述膏体在管道中的压力、速度分布规律，本文通过建立与实际环管实验系统一样的管道输送的几何模型，分析得到不同管线沿程阻力损失之间的关系，以及膏体配比参数对沿程阻力损失的影响规律，探究膏体管内流动的分布特征，便于能够较为简单、明了地了解实际大屯锡矿膏体管输中膏体的流动变化规律。几何模型与试验方案 几何模型根据环管试验室环管系统，结合 软件的特性，建立出与实际环管实验系统一样的管道输送几何模型，模型主要包括水平直管、竖直直管、上坡管、下坡管以及 个弯管部分。管道总长 ，环管系统三维模型如图所示。图环管系统三维模型犉 犻 犵 犜 犺 狉 犲 犲 犱 犻 犿 犲 狀 狊 犻 狅 狀 犪 犾犿 狅 犱 犲 犾 狅 犳 狉 犻 狀 犵狆 犻 狆 犲 狊 狔 狊 狋 犲 犿利用 划分好模型的边界层网格、面网格、体网格。环管系统网格数：个，面数：个，节点数：个，画出的几何模型网格如图所示。图环管系统几何模型网格犉 犻 犵 犌 犲 狅 犿 犲 狋 狉 犻 犮犿 狅 犱 犲 犾 犵 狉 犻 犱狅 犳 狉 犻 狀 犵狆 犻 狆 犲 狊 狔 狊 狋 犲 犿有色金属（矿山部分）第 卷 膏体参数与模拟方案本次进行的数值模拟中膏体采用大屯锡矿全尾砂膏体，水泥添加量为 ，膏体质量浓度、和，流量、，共 个方案进行模拟，膏体的参数选用大屯锡矿流变实验的结果，模拟方案和流体力学参数如表所示。表模拟方案及流变参数表犜 犪 犫 犾 犲犛 犻 犿 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狊 犮 犺 犲 犿 犲犪 狀 犱狉 犺 犲 狅 犾 狅 犵 犻 犮 犪 犾狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊编号灰砂比水泥量（）浓度流量（）管径流速（）屈服应力 黏度（）浆体密度（）环管数值模拟计算及后处理 监测面布置在进行管道模拟时用 建模和 计算完成后，需对计算结果输出和进行后处理。因此，需要在 中建立观测点、观测面，然后可以分析某些观测面、或者某些区域的压力（压力云图、压力等值线图等）、速度（速度云图、速度等值线图）等情况，这样便于对充填料浆在管道输送中的速度和压力的变化规律进一步的了解和分析。为了观察管道各处的压力云图、流速云图等，就要在各个位置设置监测面，以便观察分析不同管道处的压力和速度，监测面布置图如图所示。本次图环管系统监测面布置图犉 犻 犵 犔 犪 狔 狅 狌 狋 狅 犳犿 狅 狀 犻 狋 狅 狉 犻 狀 犵 狊 狌 狉 犳 犪 犮 犲狅 犳 狉 犻 狀 犵狆 犻 狆 犲 狊 狔 狊 狋 犲 犿环管系统数值模拟，共布置 个监测面，分别监测水平管道、上坡管、直角弯管、弯管两侧的压力值大小，从而计算求得不同管道的沿程阻力损失。速度规律分析经过 的计算结果和模拟的速度云图可以发现，个方案中的速度规律基本都是一致的，只是在速度的大小上有所差别，为了更好地研究大屯锡矿膏体管输时在管道中的运动情况和规律，现将速度云图与速度矢量图列于下方。各方案的速度规律基本一致，因篇幅的关系，选择号方案（灰砂比，流量 ，质量浓度）的速度云图附于下面，如图所示。由图可知，在管道弯管处的速度有剧烈的波动，其主要原因是在弯管处膏体的流速和方向发生了变化。在弯管靠近圆心方向的速度相对较小，而离弯管圆心较远处其速度就相对较大。膏体的流速在弯管处的波动较大，但是不是一过弯管其速度就趋于稳定，而是要过一段过渡阶段才能趋于稳定。由图和图可以看出，不管是上坡管、下坡管还是弯管，都属于不稳定流动，其沿程阻力损失可划归到局部损失的范畴，而水平管属于稳定流动，是一切不稳定流动的基础，因此对水平管的流态研究至关重要，环管系统数值模拟水平管道速度云图和速度矢量图如图所示。第期陈剑等：大屯锡矿尾砂膏体环管管输数值模拟研究图号方案 弯管速度云图与速度矢量图犉 犻 犵 犞 犲 犾 狅 犮 犻 狋 狔犮 犾 狅 狌 犱犿 犪 狆犪 狀 犱狏 犲 犾 狅 犮 犻 狋 狔狏 犲 犮 狋 狅 狉犿 犪 狆狅 犳 犫 犲 狀 犱 犻 狀狊 犮 犺 犲 犿 犲图号方案竖直管速度云图与速度矢量图犉 犻 犵 犞 犲 狉 狋 犻 犮 犪 犾狆 犻 狆 犲狏 犲 犾 狅 犮 犻 狋 狔犮 犾 狅 狌 犱犪 狀 犱狏 犲 犾 狅 犮 犻 狋 狔狏 犲 犮 狋 狅 狉犿 犪 狆 犻 狀狊 犮 犺 犲 犿 犲图号方案上、下坡管速度云图与速度矢量图犉 犻 犵 犞 犲 犾 狅 犮 犻 狋 狔犮 犾 狅 狌 犱犪 狀 犱狏 犲 犾 狅 犮 犻 狋 狔狏 犲 犮 狋 狅 狉犿 犪 狆 狊狅 犳狌 狆 犺 犻 犾 犾 犪 狀 犱犱 狅 狑 狀 犺 犻 犾 犾狆 犻 狆 犲 狊 犻 狀狊 犮 犺 犲 犿 犲有色金属（矿山部分）第 卷图号方案水平管速度云图与速度矢量图犉 犻 犵 犘 犾 犪 狀犺 狅 狉 犻 狕 狅 狀 狋 犪 犾 狆 犻 狆 犲狏 犲 犾 狅 犮 犻 狋 狔犮 犾 狅 狌 犱犿 犪 狆犪 狀 犱狏 犲 犾 狅 犮 犻 狋 狔狏 犲 犮 狋 狅 狉犿 犪 狆由图可以看出，膏体在稳态管输过程中，在管道内部管道径向方向上存在速度梯度，属于结构流管输的特征，在管道径向上分为柱塞流动区（流核区）和剪切流动区（边界层区域）。在边界层区域内，膏体流速由逐渐增加到流核区流速；在流核区内，速度分布呈一条直线，不存在速度梯度。边界层对膏体管输起到润滑的作用，对柱塞流动区产生附加流量，进而起到减阻的效果。为了能够较好地了解管道断面的流速分布情况，根据监测面的布置情况，将管道的监测面的速度云图的速度情况进行分析。图为灰砂比，质量浓度 的速度横截面云图。图号方案水平管道横截面速度云图犉 犻 犵 犛 犮 犺 犲 犿 犲犺 狅 狉 犻 狕 狅 狀 狋 犪 犾 狆 犻 狆 犲 犾 犻 狀 犲犮 狉 狅 狊 狊 狊 犲 犮 狋 犻 狅 狀狏 犲 犾 狅 犮 犻 狋 狔犮 犾 狅 狌 犱犿 犪 狆第期陈剑等：大屯锡矿尾砂膏体环管管输数值模拟研究从图管道的速度云图中只能够较为直观地看出料浆在管道的横截面上存在着速度梯度，根据管道中布置的监测线，可以在监测线上提取出速度值，从而可以比较直观地得到速度的梯度分布情况，因为篇幅有限，现将主要的几个监测线上提出的速度，用 做出速度折线图附于图中。由图可以看出，在水平管中膏体的流速较为稳定，速度也呈较稳定的梯度，由于重力作用，最大速度主要集中在管道圆心稍偏下，尤其是速度曲线图可明显看出在断面中的最大速度的分布位置，此时，膏体的流动速度分布也符合斯托克斯公式的速度分布情况，在管道径向上呈现类抛物线型分布特征，分为边界层区域和柱塞流动区域，符合结构流流形分布规律。图管道径向监测线速度分布犉 犻 犵 犘 犻 狆 犲 犾 犻 狀 犲 狉 犪 犱 犻 犪 犾犿 狅 狀 犻 狋 狅 狉 犻 狀 犵 犾 犻 狀 犲狏 犲 犾 狅 犮 犻 狋 狔犱 犻 狊 狋 狉 犻 犫 狌 狋 犻 狅 狀 压力（阻力）规律分析膏体在设计时要满足充填体强度的要求，在满足充填体的强度要求后，如何将膏体运送到充填采场工作面显得尤为重要。膏体管道输送时，膏体是用自流输送还是泵送主要是取决于管道压力（阻力）的大小。只有了解了膏体的流速和管道压力（阻力）的规律，才不会把可以自流的设计成泵送，需泵送的设计成自流而造成堵管，才能够准确合理地设计充填系统。在膏体管输时，通常膏体在管道内的压力主要分为静压和动压两种。膏体由于重力产生的压力叫静压，而膏体在管输时运动产生的压力叫动压，把膏体受 到 的静 压 和 动 压 之 和 叫 做 总 压。静压在管 道输送 中 输 送 模型 确 定后 可 看 作 是 恒定，动压在输送过程中随着膏体的速度不断变化，其总压也会改变，因此，总压力的变化规律就与速度较为相似。经过 的计算结果和速度云图可知，个方案中膏体的压力（阻力）变化规律基本相同，只是在不同的速度下压力的大小上有所差异，为避免太多重复，以号方案（灰砂比，流量 ，质量浓度）管输压力云图为例。图 表示为膏体环管模拟的总压云图，由图可知，在管路不同区段其压力分布大相径庭，为了能够更好地了解压力在断面的情况，根据在模型中设置的监测面，现将部分监测面的总压云图附于下方，见图。有色金属（矿山部分）第 卷图 膏体环管数值模拟总压云图犉 犻 犵 犖 狌 犿 犲 狉 犻 犮 犪 犾 狊 犻 犿 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳 狋 狅 狋 犪 犾狆 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲犮 犾 狅 狌 犱犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿犳 狅 狉狆 犪 狊 狋 犲 狉 犻 狀 犵狆 犻 狆 犲图 号方案水平管道横截面总压云图犉 犻 犵 犘 犾 犪 狀犺 狅 狉 犻 狕 狅 狀 狋 犪 犾 狆 犻 狆 犲 犾 犻 狀 犲犮 狉 狅 狊 狊 狊 犲 犮 狋 犻 狅 狀狋 狅 狋 犪 犾 狆 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲犮 犾 狅 狌 犱犮 犺 犪 狉 狋由图 可知，由于在入口处附了入口速度以及在入口处的动压为定值，入口断面的动压的梯度很小，故其入口处的总压值除了在管道的管壁处的总压因边界层效应为零外，其他部分压力梯度较小。从监测面的压力云图中，很明显能够观察到膏体经过弯管段压力波动较大，在弯管外侧压力明显大于弯管内侧，而且弯管的角度越大，其压力的梯度越明显。管道沿程阻力分析为了研究膏体输送沿程阻力损失的规律，将管道的数值模拟的各个方案进行了模拟分析。并对环管系统中各个监测面的总压值进行监测，统计出各个监测面的压力，计算出水平管、上坡管的沿程阻力损失。计算式为：犻 狆犔狆狆犔（）式中：犻为沿程阻力损失，；狆为入口处压力，；狆为出口压力，；犔为管道长度，。计算结果如表所示。第期陈剑等：大屯锡矿尾砂膏体环管管输数值模拟研究表模拟方案及流变参数及阻力表犜 犪 犫 犾 犲犛 犻 犿 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狆 犾 犪 狀犪 狀 犱狉 犺 犲 狅 犾 狅 犵 犻 犮 犪 犾狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊犪 狀 犱狉 犲 狊 犻 狊 狋 犪 狀 犮 犲 狋 犪 犫 犾 犲编号流量（）管径屈服应力 黏度（）沿程阻力损失（水平管）（）沿程阻力损失（上坡管）（）沿程阻力损失（下坡管）（）充填料浆的管输阻力损失的影响因素在膏体管输时，膏体的流速、膏体的浓度、配合比、管径、屈服应力以及黏度均会对沿程阻力损失产生影响。为 了能 够更 好 地 了 解 管 道 的 沿程阻力损失，将进行数值模拟得出的沿程阻力数据来分析膏体的浓度与沿程阻力的关系、水灰比与沿程阻力损失的关系、膏体流变参数与沿程阻力的关系。膏体屈服应力与沿程阻力的关系由图 可以看出，膏体管输沿程阻力损失随着膏体屈服应力的增加而增大。膏体屈服应力越大，就需要更大的压力才能使得膏体发生流动。且屈服应力越大，柱塞流动区半径越大，边界层越薄，边界层加速效果越弱，导致了沿程阻力损失的增大。图 膏体屈服应力与沿程阻力损失之间的关系犉 犻 犵 犜 犺 犲 狉 犲 犾 犪 狋 犻 狅 狀 狊 犺 犻 狆犫 犲 狋 狑 犲 犲 狀狋 犺 犲狔 犻 犲 犾 犱狊 狋 狉 犲 狊 狊狅 犳 狋 犺 犲狆 犪 狊 狋 犲犪 狀 犱狋 犺 犲 犾 狅 狊 狊狅 犳 犳 狉 犻 犮 狋 犻 狅 狀 犪 犾 狉 犲 狊 犻 狊 狋 犪 狀 犮 犲犪 犾 狅 狀 犵 狋 犺 犲狆 犪 狋 犺 膏体黏度与沿程阻力的关系黏度是膏体黏滞性的一种量度，是膏体流动力对其内部摩擦现象的一种表示。黏度大表现为内摩擦力大。塑性黏度是在层流条件下，剪切应力与剪切速率成线性关系时的斜率值。由图 可知，膏体管道输送沿程阻力损失随着塑性黏度的增加而增大，这是因为膏体黏度越大，黏滞性越大，内摩擦力越大，导致沿程阻力损失越大。且黏度越大，边界层内的速度梯度越小，边界层的润滑加速效果越差，进而导致了沿程阻力损失的增大。膏体浓度与沿程阻力的关系为了能够较好地研究膏体质量浓度与管输沿程阻力损失的关系，将大屯锡矿膏体环管输送数值模拟的阻力损失统计数据，用 绘制成质量浓度与管输沿程阻力损失图，如图 所示。质量浓度对管输阻力的影响非常大，当充填料浆的质量浓度有较小的变化时，管道沿程阻力损失迅速变大，但是其变化不成统一的规律。通常在膏体质量浓度相差左右时，管道单位长度的阻力损失可能会相差 ，因此，在输送时通常通有色金属（矿山部分）第 卷图 膏体塑性黏度与沿程阻力损失之间的关系犉 犻 犵 犜 犺 犲 狉 犲 犾 犪 狋 犻 狅 狀 狊 犺 犻 狆犫 犲 狋 狑 犲 犲 狀狋 犺 犲狆 犾 犪 狊 狋 犻 犮狏 犻 狊 犮 狅 狊 犻 狋 狔狅 犳 狋 犺 犲狆 犪 狊 狋 犲犪 狀 犱狋 犺 犲 狉 犲 狊 犻 狊 狋 犪 狀 犮 犲 犾 狅 狊 狊犪 犾 狅 狀 犵 狋 犺 犲狑 犪 狔图 膏体质量浓度与沿程阻力损失之间的关系犉 犻 犵 犜 犺 犲 狉 犲 犾 犪 狋 犻 狅 狀 狊 犺 犻 狆犫 犲 狋 狑 犲 犲 狀狋 犺 犲狑 犲 犻 犵 犺 狋 犮 狅 狀 犮 犲 狀 狋 狉 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳 狋 犺 犲狆 犪 狊 狋 犲犪 狀 犱狋 犺 犲狉 犲 狊 犻 狊 狋 犪 狀 犮 犲 犾 狅 狊 狊犪 犾 狅 狀 犵 狋 犺 犲狑 犪 狔过降低膏体的浓度来输送膏体至采场，这样可以防止膏体在管输阻力过大而导致膏体不能够流动时造成的堵管。但浓度不能降至太小，如果浓度太小，导致内部颗粒发生沉降，从而也会导致堵管，因此在实际应用中选择一个合适的输送浓度是至关重要的。结论本文主要根据实际的环管试验系统结合计算流体力学的软件 的特点，建立出了与实际情况相符合的环管模型，结合大屯锡矿全尾砂膏体流变实验获得的膏体流变参数，运用 对膏体的环管试验进行了系统的数值模拟分析，主要结论如下：）采用 数值模拟软件分析了膏体在管道内的速度和压力的变化规律。根据速度、压力云图以及矢量图可清楚地了解膏体在管道内的流动情况，根据模拟研究表明膏体在管道中弯管处的速度和压力都发生急剧的变化，弯管外侧压力和速度明显大于弯管内侧，有着明显的梯度。在水平管段速度和压力在管道径向上存在明显的梯度，呈结构流的特点，分为柱塞流动区和边界层区域。在膏体管道输送中管道内膏体的速度和压力均存在着边界效应。）通过分析管输阻力的影响因素（流速、浓度、屈服应力、塑性黏度）与管道阻力间的关系，得出随着流速增大管输阻力增大；随着膏体质量浓度增加，沿程管道阻力损失变大；随着屈服应力与塑性黏度的增加，沿程阻力损失也增大，获得了不同物料组成、管道内径、管流流速下水平段膏体压力损失，为大屯锡矿膏体系统最终输送泵、充填管道选型提供了依据。参考文献郑伯坤，姚维，黄腾龙，等基于环管试验的改性全尾砂充填料浆输送性能中国有色金属学报，（）：（下转第 页）有色金属（矿山部分）第 卷 陈吉辉，仇文革，赵旭伟，等基于小波包技术地铁隧道分区爆破振动特性研究振动与冲击，（）：，（）：，周建敏，汪旭光，龚敏，等缓冲孔对爆破振动信号幅频特性影响研究振动与冲击，（）：，（）：，陈啸林，彭 磊爆破参数对预裂爆破裂纹扩展规律研究有色金属（矿山部分），（）：，（），（）：蒋复量，周科平，邓红卫，等基于小波理论的井下深孔爆破振动信号辨识与能量衰减规律分析煤炭学报，（增刊）：，（）：刘敦文，粟闯，龚运高一种基于爆破振动信号小波分析的爆破危害评判新方法中南大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：（上接第 页），（）：邵亚平，郭利杰，陈寅，等基于环管试验确定粗骨料膏体充填料浆管道输送参数有色金属（矿山部分），（）：，（），（）：杨志强，陈得信，高谦，等金川矿山混合充填料浆环管试验系统与管输特性研究有色金属工程，（）：，（）：刘晓辉，王国立，赵占斌，等结构流充填料浆环管试验及其阻力特性研究中国钼业，（）：，（）：丁红霞，吴国平，苗润田钾盐矿尾矿充填技术研究化工矿物与加工，（）：，（）：，杨晓炳，闫泽鹏，尹升华，等基于环管试验的粗骨料膏体管输阻力模 型 及 优 化 湖 南 大 学 学 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