水力充填管道挤压输送方法试验研究

针对矿山充填料自流输送和传统的膏体泵送方法存在的问题,研究了一种利用机械力和浆体重力的挤压输送充填料的新方法,其思路是在井下充填管道中安装不同于传统正排量泵的挤压输送设备,使高浓度/膏体充填料浆在挤压输送设备的机械力和重力作用下,沿充填输送管道流至采空区.采用理论分析与实验的方法,研究了挤压输送方法的原理.研究结果证明,挤压输送方法原理可行,它利用了矿山充填特有的垂直管道和其内的充填料浆自重以及浆体的屈服应力,使得挤压输送设备无分配阀,因而输送设备结构简单,易磨损件少,是一种除自流输送和传统泵压输送方法之外,投资省、运行成本低的第3种水力充填输送方法.图6,表1,参17.     

煤炭生产安全及环境存在问题分析及新型填充材料应用的探讨

本文提出了似膏体充填采空区的新思路,对利用煤系固体废弃物(煤矸石和粉煤灰)配制似膏体充填料浆进行了实验研究。     

超大能力超细全尾砂超长距离管道自流输送技术

 为解决司家营铁矿超大能力超细全尾砂超长距离管道自流输送难题, 在研究超细全尾砂管道自流输送、骨料颗粒沉降堵管及管道沿程阻力损失特性的基础上, 利用Fluent 软件对超细全尾砂超长距离大管径的自流输送特性进行分析。结果表明:超细粒径全尾砂易于悬浮, 大管径输送可有效降低沿程阻力损失。工作流速为2.95 m·s^-1、管道内径为155 mm 的超细全尾砂浆体的垂直脉动速度分量S_v=0.24 cm·s^-1远大于尾砂的干涉沉降速度0.034 cm·s^-1, 最大允许充填倍线N_max高达10.6, 充填料浆可均匀悬浮顺利自流至采空区。     

桃山三井胶结充填管输系统试验研究

为了解决桃山三井工作面充填开采过程中出现的堵管以及管道的高磨损率等问题,运用流体力学和采煤学,结合该工作面的实际情况,采用自流+泵送的管道输送技术进行了工业试验,并利用ANSYS模拟分析了在工业既定速度2.0 m/s时不同料浆浓度、管径对全程管压的影响。模拟结果表明:在既定输送速度下,管压在合理的可控范围内且易于输送时的充填料浆浓度、管径取值范围分别为52%,140~180 mm时,此时的输送管压分别为134.561 kPa,130.053~138.759 kPa;利用模拟结果进行料浆输送的工业试验结果表明,堵管、管道磨损得到了解决,充填开采取得良好的效果,有效地控制了顶底板的变形,降低了顶板的下沉量,减少对环境的破坏,同时也表明该管输系统是一种"安全、经济、环保、可靠"的充填采煤系统,为该矿以及类似条件下的矿山充填开采提供了借鉴作用。     

基于Fluent的充填料浆管道输送阻力模拟

 为了解高浓度浆体的流动特性, 结合流体动力学的理论和充填浆体的特点, 对充填浆体在不离析的条件下做流体质点、均质性和连续性的假设, 建立充填浆体管道输送的数学模型。结合某矿山工业试验的结果, 运用Fluent 软件对浆体管道输送进行了阻力数值模拟, 通过模拟与实测结果的对比可看出, 两者误差在5%左右, 得出了浆体流速与沿程阻力损失之间的关系方程, 进而运用此模型计算得到该浆体管输自流的速度区间1.82～2.23 m/s。利用数值模拟结果可以为充填系统管路的设计提供依据, 也可用来指导矿山的实际生产, 具有很好的实用价值和推广意义。     

基于流体力学理论的全尾砂浆管道输送流变性能

为研究充填料浆流变性能,利用流体力学原理,通过L型管道自流输送实验对其在管道中流动的力学特性进行了分析. 结果表明:料浆浓度、流量和管径对料浆管输阻力和充填倍线大小的作用程度不同,其中料浆浓度影响尤为显著. 在能够实现自流输送的充填倍线合理条件下,采场充填时,当结合充填能力确定流量和管径后,可通过充填站调节制浆浓度以使充填材料在管道输送、采场中沉降、抗离析、脱排水、固结硬化和力学性能等方面表现良好.     

基于FLOW-3D软件的深井膏体管道自流输送性能

基于工程流体力学、统计学、管道自流输送等相关理论,结合金川龙首矿西部充填系统的实际情况,开发运用FLOW-3D软件,对膏体自流输送充填系统不同充填倍线条件下的管道工作特性进行数值模拟与分析.研究结果表明:随着充填倍线(N)的增加,充填系统管道进口、出口压力不断减少,而整个系统的总压力基本保持不变;当N＜3.0时料浆出口剩余压力过大,N≥3.5时管道压力损失过大;当N＞3.5时充填系统的流速比较接近膏体的临界流速;在稳定状态下,随着膏体流速的减慢,管道弯管连接处的局部压力损失逐步减小,而当N＞3.0且流速继续减小时,压力损失却随之增加.因此,综合考虑各充填倍线在流速、压力损失、流量以及弯管处压力损失,以低成本、高效率为原则,最终确定西部膏体自流充填系统满管流状态下的最优充填倍线N=3.0.     

戈壁砂和棒磨砂骨料充填料浆管输特性试验

基于利用戈壁砂替代棒磨砂骨料来降低充填采矿成本的目的,开展两种骨料充填料浆管道输送特性试验。首先进行戈壁砂和棒磨砂两种骨料的粒径级配分析,结果显示两种充填骨料的粒径级配基本相同。然后采用L管试验装置,对两种骨料的充填料浆进行流变特性对比试验。结果表明:在相同条件下,当质量浓度小于82%,两种骨料充填料浆流变特性不存在本质上的差异;当料浆质量浓度大于82%时,戈壁砂充填料浆流变特性优于棒磨砂;当充填管径大于130mm时,两种骨料充填料浆流变特性基本相同;当充填管径小于130mm和质量浓度小于82%时,戈壁砂充填料浆流变特性优于棒磨砂。由试验结果可知,当料浆质量浓度小于82%和管径小于130mm的管道输送条件下,戈壁砂替代棒磨砂充填料浆的管输特性没有变化。采用高浓度和大管径管道输送时,戈壁砂充填料浆更有利于管道输送。由此表明,金川矿山充填采矿中利用廉价的戈壁砂替代棒磨砂骨料,能够降低充填成本,提高充填采矿经济效益。     

膏体料浆管道输送中粗骨料颗粒运动规律分析

为分析粗骨料膏体料浆在管道输送时因剪切诱导作用而使粗骨料颗粒产生的相对运动,以全尾砂膏体料浆能够限制尾砂颗粒的沉降运动为出发点,将全尾砂膏体料浆视为伪匀质悬浮液,将不具有流变活性的粗骨料颗粒视为被承载固体。依据粗骨料膏体管道输送时的流速分布特性,构建具有剪切流动区与非剪切流动区的复合流动模型。通过宏观颗粒模型MPM研究粗骨料颗粒的运动规律,分析粗骨料颗粒在X轴、Y轴和Z轴方向上的位移与线速度。研究结果表明:粗骨料颗粒在剪切流动区域内存在较明显的径向偏移与轴向差速运动,粗骨料颗粒在剪切流动区域内发生相对运动的主要原因为径向的流速梯度引起颗粒的自旋转。通过数值计算结果与理论分析的对比,说明复合流动模型描述粗骨料颗粒运动的可行性以及相对运动原因的可信性。     

矿山充填料管道挤压输送计算机模拟

为了研究矿山充填料管道挤压输送料浆的运动规律,在假定挤压输送设备活塞由曲柄连杆机构驱动的条件下,推导出活塞位移呈三角函数形式的料浆运动相关方程,以及在挤压输送设备作用下,入口管道和出口管道内料浆的8种运动状态的速度和加速度计算公式。运用计算机模拟管道长度、管道垂高、充填料浆浓度及料浆流变力学参数、活塞运动周期与曲柄半径等不同时,管道内料浆的流动规律。研究结果表明：挤压输送的起始条件仅对前几个周期内料浆的运动有影响;调整充填管道长度、管道垂高、充填料浆浓度和流变参数、挤压输送设备活塞运动周期、曲柄半径和安装位置（入口管道长度）等其中的任何1个参数,对管道内料浆的流动状态均会产生影响,但对于给定的充填管路和充填料浆,总能找到使入口管路和出口管路内料浆的流动速度大于0m／s的相关参数,实现充填料浆挤压输送。     

高浓度超细全尾砂充填料浆管道输送阻力模型

 为准确计算某矿山高浓度超细全尾砂充填料浆管道输送阻力损失,在固-液两相流理论的基础上,综合全尾砂充填料浆管道输送阻力影响因素,通过因次分析法构建高浓度超细全尾砂充填料浆管道输送阻力模型。运用计算流体动力学方法（CFD）研究充填料浆体积浓度、流速、管道直径、固体混合料密度等因素对管道输送阻力的影响,得到360 组管道阻力损失值;采用最小二乘法回归计算管道输送阻力模型系数,并抽取4 组常用工况点对计算模型进行误差分析,根据回归系数显著性检验方法,得到各因素的影响程度关系。计算模型结果与泵送环管实验的误差在5%左右,能满足本矿山充填系统设计需要。     

固-液两相流充填管道输送冲蚀磨损数值研究

 为探究充填管道在输送过程中的冲蚀磨损机理, 基于工程流体力学理论及颗粒输送力学模型, 引入离散颗粒轨道模型、塑性冲蚀磨损模型, 对某矿山复杂充填管路条件下浆体特性对管道冲蚀磨损影响进行研究。结果表明, 浆体流速、黏度以及颗粒尺寸对管道冲蚀磨损影响显著, 颗粒形状影响较弱。高流速下, 弯管磨损最为严重, 直管段磨损较轻且分布较为均匀, 流速降低, 主要磨损部位偏向弯管出口部位;弯管部位最大磨损值在15°~30°以及60°~75°之间;此外, 粒径较小时, 磨损严重程度随粒径增加而增大, 粒径达到600 μm 后, 最大磨损值随粒径增加呈现下降趋势。     

基于Fluent的分级尾砂料浆满管流输送技术

 针对某矿山分级尾砂充填料浆自由下落对管道产生严重磨损的现状,引入分级尾砂料浆满管流输送技术。基于Fluent软件,并结合运用工程流体力学和深井管道输送相关理论,对不同充填倍线条件下的分级尾砂料浆满管流输送的工作特性进行了数值分析。结果表明,满管流输送相对于自由下落系统可以大大降低料浆对管道的冲击磨损和管道所受的压力,且分级尾砂满管流输送系统的管道出口压力随充填倍线的增大而减小,系统总压力基本保持不变;管径的变化对充填料浆的水力坡度具有很大影响,变径管措施有助于深井充填中实现满管流输送;当充填倍线N=6.0时,该矿山分级尾砂在实现满管流输送的同时,弯管处压力损失达到最小值0.247 MPa。     

非牛顿流体充填料浆的管输摩擦阻力预测

在矿山充填采矿中,充填料浆在管道输送中的阻力损失计算是一重要环节.为探索采用摩擦阻力系数模型简单高效地预测充填料浆管输阻力损失的方法,按照流态分类,总结了7种常用的非牛顿流体的摩擦阻力系数模型,结合一个具体案例分析讨论了模型的正确使用.结果显示,选取模型时必须先考虑工程实际的流体类型和流态;对于最常见的宾汉塑性体的层流运动,使用Darby-Melson模型和Swamee-Aggarwal方程可近似替代Buckingham-Reiner方程,其预测的沿程阻力损失与实际监测十分吻合,是宾汉塑性体层流流动首选的阻力预测模型,而Danish-Kumar模型则过低估计阻力值,适合赫德数较大的流体.实际监测中的速度、沿程阻力波动原因与料浆配比的波动、骨料变异性、料浆非均匀性和充填采场倍线大小等因素密切相关且不可避免.对于层流紊流过渡区流体的沿程阻力预测仍是工程难题.     

基于海底开采的高倍线强阻力充填技术

 三山岛金矿新立矿区西南部矿体属海底开采,海底充填倍线达13,水平输送距离超过2000 m,属于高倍线强阻力输送充填料浆。为了解决充填料浆输送距离长、倍线高、输送阻力大等技术难题,进行了分级尾砂物化性能测试,充填骨料配比试验,管道输送阻力模拟等研究。研究结果表明,分级尾砂颗粒较粗,脱水性好,但是在输送过程中易沉降;添加细颗粒,能改善分级尾砂的流动性;推荐料浆配比为1：6~1：8,料浆输送质量分数为72%。通过充填料浆环管阻力输送试验和理论计算,得出料浆最大输送阻力为9MPa,除去自重水力压头,需加泵压6 MPa。工业应用结果表明,分级尾砂高倍线充填是可行的,为海底矿床安全开采提供了保障,实现了高倍线充填海底矿床。     

级配在提高浆体输送浓度上的可行性

针对浆体管道输送低浓度短距离现状,为达到简化制浆脱水工艺、节约输料用水、提高运输效率的目的,通过实验证明,在现有的运输基础上,有效地控制颗粒的上限粒径和级配,改善浆体在输送中的流动性和稳定性,可以提高浆体输送浓度,降低输送能耗,进一步发挥浆体管道输送的优越性.图1,表4,参8.     

基于正交试验设计的水合物浆液流动特性数值模拟

 针对竖直管道内水合物浆液输送过程中的流动问题,以浆液流速、水合物颗粒粒径和水合物颗粒体积分数作为影响浆液流动特性的主要因素,以水合物浆液在管道输送过程中的压降为评价指标,对水合物浆液在竖直弯管中的流动进行了正交试验设计,并在正交试验设计的基础上运用CFD软件模拟了浆液在管道中的流动情况。结果表明,在浆液输送过程中,输送速度对压降的影响最大,随着输送速度的增加,压降损失也随之增大;颗粒的粒径对压降的影响次之,水合物颗粒的粒径越小对压降的影响越大,随着粒径的增大,压降损失趋于平缓;水合物颗粒体积分数对压降的影响最小,随着水合物颗粒体积分数的增加,压降逐渐减小。通过对试验结果的进一步分析,给出了该试验条件下水合物浆液在管道输送较优的方案。     

螺旋管在小倍线充填中的应用及充填倍线公式修正

为解决小倍线充填管道局部压力过大、管路磨损严重等问题,本文提出用螺旋管增阻调压的结构与实施方案.结合计算流体力学( computational fluid dynamics, CFD)对增阻调压结构与实施方案进行模拟分析,基于模拟计算的结果提出增加螺旋管道增阻调压结构后计算充填倍线的修正公式.研究结果表明,在2m·s-1的模拟流速下,螺旋管增阻调压结构所产生的阻力可达同等高度直管的10.1~16.8倍,在保证料浆连续输送的前提下可以有效的起到增阻降压的作用.结合数值模拟的充填倍线修正公式能够较为完善地计算增阻降压后的有效充填倍线.     

充填料浆长距离管道输送数值模拟

矿山充填工程中,常常会涉及料浆管道输送的技术问题,尤其对于长距离输送,料浆在管道中的流动极具复杂性.为降低管道磨损、延长管道使用寿命,采用数值模拟方法分析不同浓度料浆在长距离管道中的流动压强、流速及偏转特性.结果表明:2维双精度解算器Fluent2ddp的模拟结果与在生产中所观察到的现象较为吻合,此结果可为低倍线的降压增阻或高倍线的增压减阻提供合理依据.矿山可在此基础上采取必要措施以延长管道服务年限、降低充填成本及减少系统故障概率,从而实现低成本和高效充填之目的.