考慮壁面滑移效應的充填料漿管道輸送阻力研究

考慮壁面滑移效應的充填料漿管道輸送阻力研究

近年來，淺部礦產(chǎn)源逐漸減少，礦山開采深度不斷增加，“三公”（高溫、高壓、深井）問題日益嚴重。影響管道輸送阻力的因素眾多，由于受到測量手段和試驗裝置限制，常規(guī)的環(huán)管試驗受到多種條件制約，粗略的測量值很難作為論證依據(jù)由于高濃度料漿屬于非牛頓體范疇，因而其在管道輸送過程中必然存在表觀滑移現(xiàn)象1數(shù)學模型1.1模型假設管道內(nèi)部主流區(qū)與滑移層接觸部分的流體速度分布是連續(xù)的，壁面滑移速度是剪切流動區(qū)和滑移層連接處的速度與管道內(nèi)壁的速度差1.2流場基本流動方程(1）滑移流動的基本方程。根據(jù)管流中剪切速率的定義γ=4vR及管流基本公式，得出管徑為R的管道中料漿產(chǎn)生壁滑移時的基本流動方程式中，R為管道半徑，m;v為漿體平均流速，m/s；τ為壁面剪切應力，Pa；τ(2）黏性耗散。管道輸送過程存在的黏性耗散量是一個與速度梯度相關的物理量，可表示為式中，?為黏性耗散量；η為流體黏度，Pa/s;u、v、w分別為X、Y、Z軸方向的速度分量，m/s;T為料漿溫度，℃；1.3流動量表的控制方程對于不可壓縮的流體，Comsol軟件中控制流體流動的基本方程主要有能量守恒方程、質量方程和狀態(tài)方程，控制流動的變量有流體壓力P、密度ρ、溫度T和流速u。Navier-Stokes動量守恒方程（忽略外部體積力）可表示為式中，u質量守恒方程可表示為式中，ρ為料漿密度，kg/m狀態(tài)方程可表示為式中，ρ為料漿密度，kg/m2模擬試驗設計2.1試驗材料本研究全尾砂樣品取自河北某礦選礦廠，從底堆處取料，經(jīng)烘干后備用測定其密度為2850kg/m2.2該項目的內(nèi)部設計根據(jù)國內(nèi)礦山自流充填系統(tǒng)的發(fā)展情況根據(jù)雷諾數(shù)Re計算公式2.3網(wǎng)格剖分單元本研究基于Comsol軟件三維空間維度對充填管路進行建模，彎管曲率半徑為0.5m，由于充填倍線為5，設置豎直管長度為1.5m，水平管長度為9.5m。Comsol軟件自帶的網(wǎng)格剖分工具有很強的編輯能力，用戶可根據(jù)需求調整網(wǎng)格的形狀、大小等。考慮到滑移層極薄，為使計算結果更精確，設置模型的邊界層數(shù)為5，邊界層拉伸因子為2，最終剖分單元數(shù)目為350623。建模效果如圖1所示。3基于數(shù)值模型的可靠性驗證和結果分析3.1數(shù)值模擬結果與公式計算結果對比吳愛祥等式中，ΔP為管道壓力損失，Pa;D和L分別為管道直徑和管道長度，m；μ文獻式中，i為驗證Comsol數(shù)值模型在充填料漿管道輸送阻力損失研究方面的可靠性，將上述試驗條件代入式（7）和式（8）進行計算，對比分析數(shù)值模擬結果和公式計算結果，如表2所示。由表2可知：式（8）計算結果與數(shù)值模型的計算結果相對誤差為48.1%～386.1%，誤差極大。原因是該式在多次試驗的基礎上所得，試驗條件對公式的適用性影響較大，且該式未考慮壁面滑移對管內(nèi)料漿流動的影響；式（7）計算結果與數(shù)值模擬計算結果的相對誤差在20%以內(nèi)，說明本研究試驗所建立的考慮壁面滑移效應的數(shù)值模型相對可靠。3.2壁面滑移效應試驗結果分析將數(shù)值模擬數(shù)據(jù)導入DPS數(shù)據(jù)處理軟件中，采用極差分析法研究料漿濃度、灰砂比、管徑對阻力損失的影響程度，并建立了阻力損失關于三者的回歸方程。試驗結果如表3所示。由表3可知：考慮壁面滑移效應時，各因素對管道阻力的影響程度依次為管徑>質量濃度>灰砂比。通過回歸擬合建立的阻力損失與濃度、灰砂比、管徑的函數(shù)關系式為式中，Y為阻力損失，Pa/m;x4填充料漿管道輸送阻力損失的變化特征4.1管道輸送阻力管徑與管道阻力損失之間的關系如圖2所示，可以看出管徑與阻力損失呈負相關。圖2(a）表明管徑增大時，灰砂比對阻力損失影響的顯著程度減小，3條曲線逐漸發(fā)散；圖2(b）表明，灰砂比不變，濃度增大時，料漿流動的“黏性”增大，輸送阻力越大。高濃度料漿中尾砂顆粒遷移主要受到壁面剪切作用力影響，管徑增大，壁面剪切作用力減小，顆粒的遷移運動變緩，滑移效應減弱，對摩擦阻力的抵消作用減小。管徑較小時，滑移層的減阻效果明顯，可以看出，管徑為100～150mm時，管道輸送阻力快速降低；當管徑增大到一定值時，料漿中的尾砂顆粒所受到的剪切作用力較弱，致其無法進行遷移運動，不能形成覆蓋管道內(nèi)壁的滑移層，此時滑移作用效果較弱，隨著管徑增大，管道輸送阻力緩慢減小。4.2濃度對輸送阻力的影響料漿濃度與管道阻力損失之間的關系曲線如圖3所示。由圖3可知：料漿濃度與管道阻力損失基本呈正相關。圖3(a）表明，管徑不變料漿濃度增加時，管道輸送阻力逐漸增大，同時可以看出灰砂比對輸送阻力影響較大，水泥含量越高，阻力損失值越大。圖3(b）反映灰砂比一定時濃度對阻力損失的影響規(guī)律，管徑越大，管道阻力損失越小，同時隨著濃度增大，圖中3條曲線開始聚攏，說明濃度變化導致輸送阻力的差異越來越小。濃度較低時，料漿管道輸送過程中滑移層的形成主因為靜態(tài)壁面損耗效應4.3管道阻力下降砂灰比與管道阻力損失之間的關系如圖4所示，可以看出砂灰比與管道阻力損失呈負相關。圖4(a）表明，管徑一定時，管道阻力損失隨著砂灰比增大而呈線性減??；圖4(b）表明料漿濃度一定時，料漿中的水泥含量降低，管道阻力損失快速下降，當水泥含量低于一定值后，管道阻力損失減小的速率快速減小。水泥遇水發(fā)生水化反應的過程會大量消耗料漿中的自由水，使得高濃度料漿濃度增大，表觀黏度及屈服應力增加，導致料漿的流動性變差，料漿的黏性耗散量增大。同時由于滑移層的組成成分主要為自由水，當大量的自由水被消耗時，不能形成可以填充整個管道粗糙內(nèi)壁的滑移層，此時管道輸送阻力較大。當水泥含量下降（砂灰比增大）時，水化反應需水量下降，料漿流動性較好，可以形成有效的滑移層，此時管道輸送阻力快速下降；當水泥含量較少時，其水化反應消耗的水對滑移層結構的影響較小，管道輸送阻力降低速率減小。由圖4(b）可知：料漿在管道輸送過程中，灰砂比與阻力損失的關系曲線存在明顯轉折，當灰砂比超過1∶8時，阻力損失的降低速率明顯變小，曲線趨于水平，灰砂比低于1∶10時會影響充填體強度的形成，因此本研究推薦的最佳灰砂比范圍為1∶8～1∶10。5充填料漿配比參數(shù)對充填管道輸送阻力的影響冀東地區(qū)某礦為地下礦山，由于生產(chǎn)需要建有1座地面充填站，標高+110m。該礦山采用全尾砂膠結充填技術進行充填作業(yè)。充填選用的尾砂來自選廠濃縮池，經(jīng)濃縮后在攪拌桶中與水泥混合制備成濃度為70%～73%、灰砂比為1∶4～1∶6的充填料漿。充填料漿經(jīng)砂漿泵加壓后通過充填鉆孔（鉆孔長度110m）進入地下采場。其中，充填管路內(nèi)徑180mm，砂漿流量為100～140m根據(jù)礦山充填料漿實際配比參數(shù)選擇灰砂比為1∶6，濃度分別為72%、73%的料漿進行模擬試驗。同時根據(jù)前述分析所得的參數(shù)最優(yōu)取值范圍，選擇灰砂比為1∶8，濃度為66%、68%、70%的料漿進行對比驗證，不同料漿所對應的流變參數(shù)如表4所示。選擇漿體初始速度為1.5m/s進行模擬試驗，結果如圖6所示。由圖6可知：當采用礦山實際充填參數(shù)時，管道輸送阻力較大。礦山充填管道的輸送阻力隨著料漿濃度增加而快速增大，當料漿濃度小于70%時，可大大減小料漿管道輸送過程中的能量損耗，同時也會降低堵管、爆管的風險?？紤]到礦山充填結構體的強度需求，為有效提高礦山生產(chǎn)效率和減小滲水量，充填料漿濃度不宜低于66%，因此，得到本試驗條件下料漿的最佳輸送濃度為66%和68%。灰砂比由1∶6降低為1∶8時充填管道的輸送阻力減小，但是水泥含量過低時會影響礦山充填體早期強度形成。當灰砂比大于1∶10時，水泥含量變化對充填體強度的影響較小，同時基于管道輸送阻力的變化情況得出該試驗條件下的最佳灰砂比為1∶8。6數(shù)值模型的建立(1）通過Comsol軟件建立了考慮壁面滑移效應的管道輸送模型，將數(shù)值模擬結果與長沙礦冶研究院的經(jīng)驗公式和考慮滑移效應的推導公式進行比較，相對誤差分別為48.1%～386.1%和4.8%～16.7%，證明本研究所建立的數(shù)值模型用于計算考慮壁面滑移效應的阻力損失具有可靠性。(2）基于壁面滑移效應分析管道阻力損失的變化特征，認為阻力損失與灰砂比、濃度呈正