在新–硬质煤矸石粉煤灰浆环管流的压降：实验和仿真
a资源与安全工程学院,中国矿业大学,北京,中国
b煤炭资源安全开采的国家重点实验室,中国矿业大学,中国
文章信息 关键词：
文章历史: 硬质煤矸石粉煤粉浆
收到：2014年11月14日 泥浆
修订后的形式收到：2015年3月1日 循环测试
接受：2015年3月19日 压降
网上：2015年3月28日 数值模拟
摘要
硬质煤矸石粉煤灰（CGF）混合物是由搅拌水泥、煤矸石、粉煤灰、水制成，CGF是常用的煤矿井下填充矿山空隙回填材料。一般来说，管道浆体输送系统的构建是为了提供了CGF进入地下，需要考虑管道泥浆输送系统的设计时，压力下降是最重要的技术指标之一。因此，测试回路系统用来研究CGF浆不同配比的压力降。在实验的基础上确定CGF浆的流动特性，管流模型被研制出来为了预测管环的CGF浆的流动性为。放在COMSOL Multiphysics进行模型仿真工作，仿真结果与循环测试结果进行比较。有利的模型仿真和循环测试之间的协议表明，开发的模型是有效的并可进行进一步的模拟演习。通过数值模拟，浆液的体积流量和泵压效果，以及管内径的综合影响和对CGF浆管流压降下流速都能被证明。本研究这个结果有助于实际的CGF的浆体管道输送的系统设计，以及对选择合适的泵性能。
2015日本粉技术学会。由Elsevier公司与粉末学会出版
1:简介
在中国，由于煤炭资源的暴力挖掘，很多地下矿山产生空隙，造成了严重的问题如地面沉降问题[1,2]。此外，由于煤炭开采活动过程中产生大量煤矸石（即煤矿矸石）。一种常用的煤矸石处理方法是倾倒在锥形堆[ 3-6 ]，这不仅占用大量的土地，而且还有大量的对环境威胁问题[ 7-10 ]，由于煤矸石可以释放有毒的物质会污染环境，甚至自发地燃烧造成人员伤亡或死亡。作为一种替代方案，这些煤矸石填充到地下开采的空隙可能解决上述问题[ 11-13 ]。此外，由于煤矿与发电厂的关系（煤炭矿山提供发电厂用煤发电），这2种地理位置相距很近。这给电厂提供了一个很好的机会，提供煤炭我的煤燃烧产物（如粉煤灰），它可以用作回填材料。一些研究也表明粉煤灰是适用于煤矿充填材料[ 14，16 ]。目前我国煤矿充填开采，有三主要方法：固体废物（如煤矸石和粉煤灰）回来—填料、膏体充填及水力回填土高度集中在通常的固体浓度为78，80%的重量。在欺诈—与前两种方法对比，水力充填高浓浆比固体废物更有利回填和膏体充填，分别在地面控制方面节约成本[ 17 ]。·佛拉萨克等人。[ 18 ]指出，阿迪—小比例的水泥，可以帮助巩固后—充填料浆，和sivakugan等人。[ 12 ]注意到，加上在充填料浆粉煤灰可以减少排水。另外—和，王等。[ 19 ]还指出，煤炭的混合
煤矸石，粉煤灰和水泥在一个适当的比例可以高浓度悬浮浆液充填不仅实现煤矿，但也有助于减少磨损和堵塞的管道。因此，在目前的研究中，煤矸石，粉煤灰，水泥和水混合在一起，准备高度集中的材料这被称为硬质煤矸石粉煤灰（CGF）浆。煤煤矸石是从中国西北部的一个煤矿收购和飞灰从附近的矿电厂获得。该矿是最近尝试使用CGF的浆料填充地下开采的空隙。
CGF的浆料制备后，下一步是把它们放进指定的地下空洞。文学类[ 20 ]有报道称，可以通过回填泥浆重力输送管道系统，如示意图1显示。但是，如果垂直距离从浆料混合植物对地下的空隙是不能够提供足够的头克服输送压力下降（或阻力损失）填充料浆通过管道，然后泵需要支持—元素的不足之处。相应地，图1也呈现煤矿井下充填泵/重力系统。为aforemen—镀锡煤矿在我国西北地区，由于垂直距离是约200米，而水平距离超过2000米，一个泵/重力系统被选中为该矿，以确保CGF的混合物的管道运输。重要的是了解CGF浆压力降的演变管道，因为这是密切相关的属性制备的CGF浆（如颗粒级配，配合比，和固体浓度），以及泵的选择能力—性和管直径。
通过管道输送对高浓度浆体的压降，进行了相应的研究。库马尔等。[ 21 }做了研究，揭示了颗粒级配在管线上灰泥浆压力降的影响，他们还开发了一个模型来预测不同条件下的压降和颗粒分布。护卫和米斯拉[ 22 ]评价灰水头损失管道采用非牛顿假塑性幂律的水头损失模型。KAUSHAL等人。[ 23 ]利用欧拉模型预测管道的压降和浓度分布。刘等。[ 24 ]研究高浓度水煤浆流动的局部阻力特性。应该说明的是，虽然上述研究是重要的，得到的结果不能直接应用CGF浆。到目前为止，只有极少数的研究已经进行了全球对高度集中的CGF浆煤矿充填管道输送方面的用途。文献[19,20]的CGF充填技术的使用在中国的孙村煤矿的报道，但通过管道的CGF浆压降没有讨论。
因此，本研究进行了测试评价CGF浆的压降，并试图建立一个模型来揭示一些有关因素的影响（体积流量、泵压、管内径及血流速度）对CGF的泥浆在管道的压降演化。与实验数据的模型模拟结果的压降进行比较。
图1. CGF的管道运输系统示意图
2.测试环系统的描述
在目前的研究中，一个试验循环系统是用来进行调查的管道流动特性的CGF浆，也是衡量不同的CGF浆样品的压降数据。图2给出了测试环系统的示意图。管道长35米，管内径120毫米。从浆箱（图3中2）提供的浆体，具有1立方米的能力。一个搅拌器（图2中的2）在浆池中设置，以保持浆料处于均匀状态。管道环和浆槽均采用不锈钢制备，其通过离心泵（图1中的2）循环，可供80立方米泥浆，以每单位小时12兆帕的最大功率。使用电磁流量计（图11中的2）测量泥浆的体积流量，并用取样探针测量泥浆浓度（图12）。如图2所示，压差之间的压力管5和6测量分压下降，当压差之间的压力管4和7调查作为总压降（包括分压下降）。管道长度之间的压力管4和7是6.8米，局部压降和总压降数据由两压差传感器分别采集（8和9图2）。采集压力数据之前，能确保有充足的时间，在一个连续的、均匀的管内循环状态的浆流。可以通过目视观察从观察室（图10中的2）和通过检查流量读数和压降趋势来确定浆流状态。所有的读数从差压传感器和在微机控制的数据采集系统中记录了电磁流量计。在循环试验的泥浆，阀门14关闭和阀门13打开。一般情况下，循环测试过程持续半小时，而实验数据记录。在完成回路试验后，阀13关闭，阀14开启，废泥浆排出排风口（图15中的2）。
3．管流模型的发展
新鲜制备的CGF浆放在一个特定时期的容器（超过2小时），以观察是否浆分离或不。如图3所示，这个容器是由一块（60厘米长）的上述循环管，与一个结束（图1）由透明塑料板密封，浆料被放置在容器从另一端（图3的2），然后这个结束也是由一个透明塑料板密封。在浆液中的沉降（或分离），可以从这2个透明板上直观地观察到。在此期间（超过2小时），它被观察到，没有偏析现象发生的浆料。如前所述，泥浆的时间周期为半小时（2小时）。因此，在循环过程中测试，CGF浆可假定为在环管单相流体流动。
该软件包COMSOL Multiphysics [ 25 ]是用来进行数值模拟。COMSOL Multiphysics提供的各种接口（如声学、流体流动、传热、结构力学）科学与工程中的应用。对于目前的研究，采用流体流动接口解决管道回路的问题。此外，
的流体流动界面还包括几个分支，如单相流，薄膜流，多相流，多孔介质和地下水流，如图4所示。如上所述，在管道内循环的CGF浆为单相流。因此，在COMSOL Multiphysics的流体界面的单相流分支选择模拟CGF浆。此外，单相流分支也霉素几个分支，如层流、湍流、蠕变流动，与管流（如图4所示）。由于在管环的CGF浆流，因此在目前的研究中，各分支管路流量来分析CGF浆管道流动特性提供仿真平台。
图2.测试回路系统示意图
图3.用于观察泥浆偏析的容器示意图
图4.包括在COMSOL Multiphysics的部分模拟模块
利用管流模型进行数值模拟，对CGF浆流体模型应该是确定的。因此，流变仪进行测试以确定CGF浆流体模型。表1给出的比例混合，用于CGF浆样品的密度对这些样品进行了测试，并进行了循环测试。
以1 #和3 #浆样品为例，流变仪这2个样品的测试结果显示在图5。
图5A、B分别揭示了剪应力的演变1 #和3 # CGF浆样品与剪切速率。如图5显示，剪切应力与CGF浆呈线性关系，剪切速率密切相关。相关系数（r）为1 #泥浆样品是0.97，而3 # 0.98。根据图5，它也可以得出结论，CGF浆像宾汉塑性流体[ 2G，27 }：
(1)
在这里和分别指的是剪切应力和流体的屈服应力（在本研究中的CGF浆），是宾汉塑性粘度是剪切速率。
基于Bingham塑性模型用公式（1）和流变仪测试结果如图5所示，宾汉塑性粘度和屈服应力为1 # CGF泥浆样品分别为5.9581 Pa和164.76 Pa，而3 # CGF泥浆样品分别为8.2779 Pa和165.69 Pa。
此外，基于流变仪测试和Bingham线性回归分析，表2总结了流变参数（粘度和屈服应力）的所有四个CGF浆样品。
图5.1 #和3 # CGF浆样品流变仪测试结果
对管流模型的控制方程，这是用来描述在管环的CGF浆的流动特性，如下[ 25 }：
(2)
(3)
其中P是压力，九是达西摩擦系数，P是CGF浆，D的密度，是液压管的直径，一个是在管段曲线的切线方向的流体速度，F是体积力（如重力），一个是管道的交叉截面面积。
在等式（2）中可以表示为[25]：
(4)
(5)
(6)
(7)
（8）
是雷诺兹数，它可以写成以下形式[25]：
（9）
其中是液压管的直径，它等于环管内径（）；V是CGF的泥浆流速，可按式（10）；是CGF浆宾汉塑性粘度。
（10）
在这里Q是容积流量。
在等式（5）里的可以通过[ 25 ]得出：
（11）
其中为CGF的浆体的屈服应力。
基于流变仪测试，屈服应力和塑性粘度的CGF宾汉浆样品可以得到。和其他必要的数据资料（如体积流量、浆液密度、管内径），达西摩擦系数（），这是管流模型的输入参数，可以根据上述公式算出。此外，在导入所有的输入参数（输入参数将在下面的部分显示）为管流模型在COMSOL multipysics，可自行计算并提供压力分布结果在管环视觉。根据这些压力数据，可以得到在管道回路中任意位置之间的压降。
4.模型试验验证
4.1.实验结果
试验回路系统（见图2）进行环路测试对CGF浆样品（表1）。在实验过程中，泵送压力保持在12 MPa，与体积流量保持在80立方米/小时分压下降（压力差5到6，图2）和总压力降（压差之间的管4和图2）实验获得的样本数据，如表3。
4.2.几何建模
根据图2所示的测试回路系统，可以建立管道环的广义几何模型，如图G所示。
4.3．模型确认
该试验回路的几何模型导入COMSOL Multiphysics进行模拟工作。在数值模拟过程中，压力在四面（面，乙，丙和丁在图6）进行了研究。应该指出的是，这四个面在管环的位置正好对应四个测压管（4、5、6和7，图2）定位。在模拟过程中—模拟的进展，它假定粘度（即实验得到的宾汉塑性粘度）和CGF浆密度不随时间或温度变化。模拟的主要输入参数列于表4。
以1 # CGF泥浆样品为例，在管道压力分布可由管流模型模拟得到的，如图7所示。
根据模拟结果，在面临压力，B、C、D（或位置的测压管4、5、6和7）在管道内循环可以得到。因此，局部压力下降，在管这些CGF浆样品的总压力降可以计算。模拟结果与实验测得的，如图8所示。
从图8中可以看出，模拟结果与试验结果吻合较好。这表明模型（管流模型）仿真结果是有效的，并适用于该模型模拟CGF浆管循环流动。图8也说明，无论是总压降与CGF的料浆的固体浓度的增加部分压降增加。这是因为增加的浆宾汉塑性粘度增加固体浓度的结果（如表2所示）。因此，它成为了CGF浆具有较高价值的固体浓度在管道内循环流动更加困难。也就是说，需要更多的压力来运输的泥浆（具有更高的浓度，以及粘度）通过管道。这就解释了为什么增加泥浆浓度会导致泥浆在管道回路中流动时会产生压力下降的原因。
5.仿真结果与讨论
因为它已被证明，所
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