超高充填管道输送对深部充填的影响

    金属矿山充填料的管道输送技术及充填材料的力学性质具有复杂性，目前国外暂无针对充填料的管道输送技术的准确理论研究。目前常用的方法是采用相似的情况下的输送阻力计算的经验公式来对固液两相流管道输送进行水力计算。近年来，随着流体动力学软件的逐渐成熟，为两相流参数的计算提供了一种新的有限元数值模拟手段，即通过对充填管道两相流的有限元模拟来解算。本研究通过采用ANSYS有限元数值计算湖南某铁矿的超高分子量聚乙烯管输参数进行数值计算，分别从料浆浓度、输送流速、管径及其组合3个方面建立不同有限元模型，对管道输送的参数进行对比分析，最终选出最佳的管道输送参数。

1管道输送模型的建立
湖南某铁矿采用超高分子量聚乙烯管作为最初的井下充填管路，管道内径为100m，管道壁厚为10mm，工作压力为4Mpa；随着逐渐进入深部矿体开采，改用钢衬超高分子量聚乙烯复合管，管道内径为100mm，管道壁厚为10+6mm，工作压力为6MPa。从充填站开始布置充填管道，经过12个拐点，到达充填作业工作面后的充填管道总长为1237.6m，总高程为350m，因此我们设计了充填管路有限元数值计算模型。

2管道输送参数计算
2.1料浆浓度对管道输送的影响
模拟影响料浆质量浓度分别为65%、68%、70%、76%和80%时的流动状态，将料浆的进口速度v设定为3.2m/s，管道直径为100mm。
不同浆体浓度的流型计算：
（1） 质量浓度65%时，雷诺数Re=4399＞2300，属于紊流。
（2） 质量浓度68%时，雷诺数Re=4566＞2300，属于紊流。
（3） 质量浓度70%时，雷诺数Re=4667＞2300，属于紊流。
（4） 质量浓度76%时，雷诺数Re=4792＞2300，属于紊流。
（5） 质量浓度80%时，雷诺数Re=5268＞2300，属于紊流。
从不同质量浓度的数值计算结果可知：
（1） 随着质量浓度从62%增加至80%，最大应力仅增大0.32MPa，管道压力的增幅并不明显。质量浓度和管道最大压力之间基本成线性关系。
（2） 全程最大速度全部在充填管道的转弯处，同时更偏近管道转弯内壁一端，其原因是由于料浆突然转弯，导致此处出现汽蚀，浆体颗粒加速向气泡中心运动，加重对充填管道的磨损。
（3） 料浆质量浓度增大到80%时，充填管道外端部分出现流速较低的区域，充填料浆有可能淤积此处从而造成堵管，表明80%的料浆浓度为充填管道输送的最大浓度。
2.2料浆流速对管道输送的影响
超高分子量聚乙烯充填管输流速是系统的一个重要参数，分别取2.0、2.5、3.0和3.5m/s4种流速，将料浆浓度固定为76%计算得出
（1） 管道料浆流速从2.0m/s逐渐增加到3.5m/s的过程中，充填管道受到的最大压力从1.43MPa增长到了3.42MPa，增幅超过2倍。
（2） 充填流速与充填管道压力之间不表现为线性关系，随着速度的增大，压力增长的速度也越来越快，当充填系统往深部延伸后，应该尽可能地降低料浆输送速度。
（3） 最大流速在靠近管道转弯内壁处，建议弯管处加厚内壁。
2.3管道直径对管道输送的影响
（1）充填管道的直径越小，管道压力值越大，当充填管道直径从150mm降低到80mm时，最大压力从1.580MPa增加到3.590MPa，增大了2.3倍，因此管径的影响必须予以重视。
（2）组合管的最大压力值接近直径为80mm的管道输送模拟结果，但全程阻力损失却显著大于充填料浆满管输送。

3结语
通过采用ANSYS有限元数值计算，对湖南某矿的超高分子量聚乙烯管输参数进行数值计算，分别从料浆浓度、输送流速、充填管道直径三个方面对管道输送的参数进行对比分析，最终选出最佳的管道输送参数，为深部充填打下了坚实的基础。