粉煤灰基充填浆料管输系统数值模拟分析★

陈维新，李 涛，毕业武，于亮亮，关显华

(1.黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022；2.黑龙江科技大学安全工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

1 概述

煤炭资源开采为我国经济和社会发展作出了重大贡献，同时也带来诸多问题，尤其是生态环境破坏和矿井灾害问题，其中最为突出的是地表沉陷和地下水流失。为解决上述问题，我国学者进行了大量研究与实践，形成了我国特有的特殊采煤技术体系，并逐步向“绿色”“安全”和“无害化”方向发展[1]。实践证明，充填开采是实现煤矿“绿色”“安全”和“无害化”生产的有效途径[2]。

目前，常用的充填技术可分为干式充填、水力充填、胶结充填。其中，水力充填技术将水作为载运媒介，通过管路泵送将水和固体废料运送入采空区。胶结充填技术，一般是将水、固体垃圾(废弃物)、胶结剂混合后，再通过管路输送入采空区。因此，管路输送是充填材料常用的输送方式。常用的管道输送充填浆料方法有两种：自流输送和泵输送[3]。无论哪种输送方式，管道输送过程中经常会遇到管道磨损严重、堵塞和爆裂等问题，其中管道堵塞和磨损最为常见。国内外专家学者对充填料浆管路输送问题进行了大量的研究，如张亮等[4]，采用ANSYS软件模拟并得到了增大L管竖直管道与水平管道连接处曲率半径后该连接处的冲击压力值及其变化情况，并得出何种输送条件能保证料浆管流输送中沿程最大流速、出口处最大流速和入口处压力值的较小值。聂文波等[5]利用ANSYS模拟分析了在固定流速下，不同料浆浓度、管径对全程管压的影响，找到易于输送时的充填料浆浓度、管径取值范围。王海瑞[6]运用软件中的分析模块，建立了二维实体模型对其进行管路优化与改造，对原有管路系统进行数值模拟分析，得出管道磨损和破坏的直观依据。

本文为解决砟子矿粉煤灰基充填料浆管输系统在运行过程中，出现的管道高磨损、堵塞爆裂等问题，利用数值模拟软件ANSYS动态仿真模拟管输系统，模拟质量浓度为51%的粉煤灰基充填浆料在DN150 mm的“L”型管路的全程管压及直角弯流速，从而确定浆料合理初速度，以及管路直角弯的曲率半径。模拟结果可指导充填料浆管输系统的设计，避免管路过快磨损，甚至出现堵管、爆管事故。

2 粉煤灰基充填材料简介

粉煤灰基胶结材料的主要原材料为具备一定活性的矿区废弃粉煤灰，充填前先与HJJ系列活化剂陈置4 h～24 h，有效激发其活性后得到灰浆，再加入水泥、石灰、石膏、KYY-ZH系列早强缓凝剂、KYY-S系列速凝剂搅拌后得到充填浆料[7]，其质量配比为：粉煤灰(800)∶水泥(100)∶石灰(25)∶石膏(15)∶KYY-ZH早强缓凝剂(9)∶KYY-S系列速凝剂(1)∶水(900)[8]。

充填浆料硬化形成的固结体具有亲水性，在水环境中重结晶性较好，稳定性良好，体积应变较小，因此，相比其他充填材料，在井下密闭、潮湿的环境中，粉煤灰基胶结充填材料具有一定的优势，是一种理想的井下充填材料[9]。

3 砟子矿立井充填管输概况

地面制浆系统制得粉煤灰基充填浆料，通过渣浆泵、单管路，经立井、运输大巷等输送至井下采空区充填地点，管路整体呈“L”型。其中立井段垂直管路L1=180 m，巷道段水平管路L2=360 m，充填倍线为3，见图1。

4 充填浆料管道输送系统数值模拟分析

4.1 ANSYS/FLOTRAN软件简介

ANSYS是一种大型有限元分析软件，是机械、土木、力学、地理学等诸多学科工程领域应用最广泛的软件之一。该软件中的FLOTRAN分析模块属计算流体力学范畴，是一种成熟分析二维及三维流体流动场问题的工具，ANSYS FLOTRAN CFD主要被用来解决以下几类问题：层流分析、紊流分析，流体热分析，可压缩流动分析，非牛顿体流动分析，多组份传输分析，自由表面分析等[10]。因此，可以通过该模块对管路输送系统进行模拟分析，对管道输送参数进一步优化，从而降低管路系统的事故率，节约生产成本。

4.2 粉煤灰基充填浆料参数及临界流速计算

4.2.1 浆料密度

浆料密度的值为1 cm3体积中浆料的质量。用泥浆比重计测量浆料的质量，单位为g/cm3。

用泥浆比重计测三次浆料密度，取平均值为浆料的最终密度：

4.2.2 浆料质量浓度

制得1 m3浆料需要0.7 t水和0.73 t固体颗粒，则固体质量浓度为：

4.2.3 浆料体积浓度

制得1 m3浆料需要0.70 t水，水的密度按1.0 t/m3，则体积浓度得：

4.2.4 浆料黏度

由于浆料中粉煤灰的比重比较大，而粉煤灰颗粒小易悬浮，因此粉煤灰水泥浆料在流动或停顿瞬间可看做为均质流[11]。故浆料的黏度可选用托马斯方程式(1)来计算：

(1)

其中，μm为浆料的黏度，Pa·s；μ0为浆料中悬浮介质的黏度，通常悬浮介质为水，Pa·s；cv·t为浆料的体积浓度；k，B均为固体物料的特性系数。

以托马斯方程为基础，通过大量实验室试验，粗粉煤灰浆料固体物料的特性系数k,B可分别取93,0.002 73。根据以上数据计算出质量浓度为51%的浆料与清水的黏度比：

1+2.5×0.30+10.05×0.302+93e0.002 73×0.30=95.70。

依据砟子矿井下条件，充填区白天全年气温均为13 ℃，此时清水的黏度为1.145 mPa·s，则充填浆料的黏度为109.58 mPa·s。

4.2.5 浆料临界流速

充填浆料为固液两相流。液固两相流的流动阻力特性与单相流完全不同，在管路管径和浆料浓度一定的情况下，流速很小时，固体颗粒沉积于管底，水由沉积层表面漫过或从内部渗过[12]；当流速很大时，固体颗粒虽完全处于悬浮状态，但用于克服沿程阻力的能量消耗也很大。因此，最理想的状态是，在一定流速条件下，浆料处于紊流状态，固体颗粒完全处于悬浮状态，为此消耗的能量和液相流动消耗的能量总和最小，将此流速称为浆料管路输送的临界流速[13]。根据秦皇岛矿山设计院公式(2)计算临界流速。

(2)

其中，ρs为固体物料的密度；ρh为水的密度；CQv为悬液的体积浓度；D为管道直径。

管路为DN150 mm，体积浓度30%时浆料临界流速：

。

4.3 建立管道几何模型

“L”型管道模型高20 m，水平长40 m，两端夹角为直角，管道内径大小为150 mm，几何充填倍线为3.0。假设浆料是宾汉流，黏性恒定不变，输送过程中，无热交换、地压波等振动影响的条件下，利用ANSYS FLOTRAN CFD进行模拟。

4.4 管路初始流速的模拟分析

砟子矿为立井，充填管道从制浆站沿立井井筒到达充填工作面。取管道内径为150 mm，浆料质量浓度选定为51%，浆液在管道的初始流速为1.5 m/s，2.5 m/s，3.5 m/s，4.5 m/s。利用ANSYS软件及浆液相关参数，得到管路中直角弯附近浆料流速为沿程最大值，弯道处的模拟结果如图2所示，总结图中的最大速度，如表1所示。

从图2,表1中的模拟结果分析可知：浆液初速越高，管路弯道附近的流速极值就越大，且流速极值、压力极值增幅也在增大。较大流速的浆料在管道转弯内壁处，位置相对确定。浆液流动速度的增大会使浆液中骨料运移速度也随之增大，骨料对管路的摩擦，使管路越来越薄，越来越粗糙，从而增加管路的摩擦阻力，造成堵管事故，同时，也会在冲击压力下发生爆管事故。

表1 不同浆液流速模拟的结果数据

基于以上分析，浆料流速在大于临界流速1.51 m/s的条件下尽可能采用低速输送的方式。因此，初始流速宜取2.5 m/s，弯管处最大速度为1.96 m/s，大于浆料的临界流速，能减少较高流速的浆料对管路的快速磨损。

4.5 管道曲率半径的模拟分析

根据以上对管路弯道处浆料流速的模拟可知，管道转弯内壁处的流速较大，因此，有必要对管道转弯半径进行模拟优化。弯道的曲率半径分别设为200 mm，350 mm，500 mm。以质量浓度为52%、速度为2 m/s情况下的数值设定模拟参数，利用ANSYS软件及浆液的相关参数，求解弯道处的流速，模拟结果如图3所示。

从模拟结果中提取图3的数据，如表2所示。

从图3,表2中的模拟结果分析可知：随着弯管处曲率半径的减小，高流速浆料占整个管路截面的面积越来越小，但是流速极值却越来越大，尤其是管径为350 mm，200 mm时，较高速度的浆料集中在弯管内径处，说明该处最容易首先被浆料中的固体颗粒磨蚀。随着曲率半径的增加，管道最大压力仍然集中在垂直管道的上部，且增幅基本可以忽略不计。说明弯管处的曲率半径的变化对管道输送全程最大压力基本没有影响。

表2 不同曲率半径模拟结果数据

基于以上分析，为了避免管道弯曲处产生磨蚀，管道弯曲处的曲率半径尽可能取较大值，但浆料流速必须大于浆料的临界流速。因此，管道转弯处的曲率半径应为500 mm。

5 工业试验

根据模拟分析结果，确定浆料初速为2.5 m/s，浆料输送管道直径为DN150 mm，因此，流量为181 m3/h。根据流量选用高强度耐磨材质的GMZ80-45-160型卧式渣浆泵，其性能参数如表3所示。该渣浆泵为单级单吸、轴向吸入悬臂卧式离心泵，通过叶轮旋转产生离心力，从而达到浆料输送目的。

表3 GMZ80-45-160型卧式渣浆泵性能参数

矿用钢管具有承压性能好、不收缩变形等优点；但其抗腐蚀性、耐磨性较差，而且重量大，管内壁摩擦力大，不适合充填浆液的运输。耐磨聚乙烯管材抗腐蚀性和耐磨性优于矿用钢管，具有一定的弯曲性能，且质量轻，便于架设和搬运，铺设灵活，管内壁摩擦力小，而且采用法兰盘连接，密封效果好；其缺点就是承压性能较差。

根据以上情况，选择科研组与哈尔滨第四塑料厂共同研制开发的耐磨聚乙烯输送管路为充填管路，管壁厚12.5 mm，壁厚偏差10%，不圆度2%，拉伸强度15.0 MPa，拉断伸长率380%，外表面电阻平均值3.2×104Ω，内表面电阻平均值1.5×104Ω，酒精喷灯有焰燃烧时间平均值2.0 s，有焰燃烧时间最大值2.3 s，无焰燃烧时间平均值0.4 s，无焰燃烧时间最大值0.5 s，所有管路采用法兰盘连接。弯道处材质选用锰钢弯头，以增强其强度及耐磨性，弯道的曲率半径选用500 mm，见图4。

从工业试验情况来看，管路输送系统在充填开采6个月内运转良好，能满足采空区充填需求量，无堵管、爆管事故。

6 结语

1)粉煤灰基充填浆料初速越大，管路弯道附近的最大流速就越快，且最大流速、最大压力增幅也在增大。较大流速的浆料在管道转弯内壁处，位置相对确定。初始流速取2.5 m/s可以满足低速输送且大于临界流速的要求。

2)随着弯管处曲率半径的减小，高流速浆料占整个管路截面的面积越来越小，但是流速极值却越来越大。随着曲率半径的增加，管道最大压力均集中在垂直管道的上部。曲率半径取500 mm，可以避免固体颗粒磨蚀。

3)根据模拟结果选用的高强度耐磨材质的GMZ80-40-130型卧式渣浆泵、曲率半径为500 mm锰钢材质弯头，能满足采空区充填需求量，无堵管、爆管事故。