基于CFD的充填管网参数优化及输送特性

第29卷第10期中国有色金属学报2019年10月Volume29Number10TheChineseJournalofNonferrousMetalsOctober2019DOI：10.19476/j.ysxb.1004.0609.2019.10.22基于CFD的充填管网参数优化及输送特性张宗国，史秀志，吝学飞(中南大学资源与安全工程学院，长沙410083)摘要：为优化充填管网参数及研究充填料浆管道输送特性，考虑将充填倍线N、充填管径D、质量浓度c3个影响因素进行正交设计并进行计算流体力学(CFD)试验，之后对试验结果进行极差、方差及回归拟合分析，并结合数值分析方法探讨最大流速的预测计算模型。结果表明：影响沿程阻力损失、影响最大流速的敏感性、显著性皆为D＞c＞N，且3个因素均为显著因素；得到最佳充填倍线N为3.0~4.0，质量分数c为65%~68%，充填管径D为110~120mm，再经筛选剩下5组合适参数。研究3个因素变化对沿程阻力损失、最大流速的影响，并建立一个反映三因素下最大流速νmax的综合数学预测模型，并利用这5组对其验证，模型计算值与试验模拟值差率都在15%以下，证明预测模型有效。关键词：充填采矿；计算流体力学；充填管网；数值分析文章编号：1004-0609(2019)-10-2411-10中图分类号：TD853文献标志码：A充填采矿法开采效率高，有效减少了岩爆等灾害，提高了采矿的安全性，因此，日益受到深井矿山的青睐[1]。将开采过程产生的废石尾砂等固体废弃物进行充填处理，也有效解决了土地占用，环境污染等问题[2]。管道输送充填料浆是其中最关键的技术之一，直接影响着充填系统的效率[3]，但随着开采深度的增加，充填管道的铺设也比以前更深、更长[4]，实现料浆的自流输送也越来越困难，因此，优化充填管网参数和研究料浆管道输送特性变得尤为重要。充填管网布置方案中参数选取往往使用经验公式估算和环管试验得到[5−6]，但经验公式针对性不强，环管试验又价格昂贵。随着计算机技术的不断发展，基于流体力学和数值方法的计算流体动力学(CFD)已经开始用于研究充填管道的性能，为该问题的研究提供了一条新思路。查阅文献发现，利用CFD技术研究充填问题的成果主要集中在充填材料和充填流量方面，如CHEN等[4,7]利用CFD研究了泡沫砂浆三相流以及浸出渣的管道输送特性，张修香等[8]研究不同流量下的高浓度粗骨料弯管处压力；报道中对于阻力特性的分析较多，如吴迪等[9]研究了固液两相流不同浓度、料量对沿程阻力损失的影响；WANG等[10]对深井煤矿自流输送料浆阻力损失进行了研究，ZHANG等[11]进行了粗骨料料浆管道输送阻力的研究等，但是利用CFD技术对充填管网优化中充填管径、充填倍线选取问题的研究比较少，对于充填管道最大流速的报道也很少。基于以上分析，应用CFD技术，分析不同充填倍线(N)、质量浓度(c)以及充填管径(D)下沿程阻力损失、最大流速以及管道输送情况，并确定管道输送最佳充填管网参数，以期对实际充填管路铺设有指导意义。1正交试验设计及料浆参数尾砂中的细颗粒有利于充填料浆保住水份，在管壁四周形成泥质圈层，对管壁进行润滑，因此在一定程度上保护了充填管[12−13]，但是细颗粒含量太高，造成需水量很大，导致充填体强度低[14]，且易使浆料在较低的质量浓度下变成膏体，不能满足高浓度的输送要求[7]，因此研究细粒级尾砂的合理浓度及其输送问题变得十分重要。以凡口铅锌矿灰砂比1:6的超细粒级分级尾砂及浸出渣为研究对象，保持充填量Qh为90m3/h，所取的正交水平参考类似矿山常用数值范围，采用正交试验法，每个因素(N、c、D)设置5个水平，正交试验方案选择L25(53)正交表，试验设计3个因素的5个水平值及料浆参数列于表1。基金项目：国家自然科学基金资助项目(面上项目)(51874350)；国家重点研发计划资助项目(2017YFC0602902)；国家自然科学基金资助项目(41807259)收稿日期：2018-10-15；修订日期：2019-06-15通信作者：史秀志，教授，博士；电话：13974801752；E-mail：baopo@csu.edu.cn中国有色金属学报2019年10月2412表1影响因子的水平值及料浆参数Table1ParametervaluesofaffectingfactorsandparameterofslurryBackfillingtimesline,NPipelinediameter,D/mmSlurryconcentration,c/%Density/(kg∙m−3)Viscosity/(Pa·s)3.0906518880.12594.01006819560.25264.51107220020.36755.0120752