CN111191373B - 一种高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺优化方法，属于矿山充填技术领域，该方法包括以下步骤：1)搅拌工艺初步确定；2)实体三维模型构建；3)仿真参数标定；4)搅拌工艺仿真运行；5)仿真结果分析评价；6)搅拌工艺优化与确定。采用本方法通过离散元与光滑颗粒流体力学耦合(DEM‑SPH)，进行全尺寸装置和全过程工艺的搅拌仿真，基于尾砂颗粒和胶凝材料颗粒在出口孔处浓度随时间的变化规律对搅拌均匀性进行分析评价，精准优化高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺，保障充填体强度和充填料浆良好输送性能，有效指导设计和工业试验，有利于节省投资，提高效率，降低成本。

Description

一种高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺优化方法
技术领域
本发明属于矿山充填技术领域，尤其涉及一种高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺优化方法。
背景技术
充填采矿法能够将矿山产生的尾砂制备成料浆后充填至采空区，一方面减少或消除地表尾矿堆存，另一方面采空区充填后围岩变形移动受到控制，能够有效解决矿山资源开发与安全、环保之间的矛盾，体现了“一废治两害”的科学内涵。高浓度尾砂充填有利于提高充填体强度、降低胶凝材料消耗，为矿山安全、环保、高效、低成本开采提供有效的技术支撑。搅拌作为充填料浆生产制备与输送工艺的关键环节，搅拌效果优劣直接影响胶凝材料混合均匀性，决定了充填体强度和生产成本，同时也对料浆流动性具有很大影响，是高浓度料浆管道输送性能的关键影响因素。
高浓度尾砂料浆的搅拌是个复杂的动态过程，涉及尾砂颗粒、胶凝材料颗粒以及水等多种不同尺度物料的多相混合。而这一过程在快速运转的搅拌机内部无法观测，对各种物料的运移路径和接触行为无法表征，物料混合均匀性无法评价，从而导致搅拌机的选型多基于经验参考，造成搅拌设备与物料性质匹配性差，工业生产中调试时间长，改造工程大，生产成本高，充填体质量不合格等问题。
由于搅拌机机械结构与运动行为的特殊性，一般很难在实验室建立试验装置开展定量的工艺参数研究。采用仿真软件进行数值模拟，能够建立全尺寸物理模型，减小试验装置尺寸效应的影响，模型结构和输入条件可动态调整，能多维度的研究各因素对输出结果的影响规律，可视化分析方法能帮助人们更加深刻地理解问题产生的机理，为半工业试验提供依据，节省常规实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果整理和规律发现起到指导作用，同时可获得定量化最佳参数。目前，在尾砂料浆搅拌方面，研究人员采用CFD流体计算软件进行过仿真模拟，将尾砂、胶凝材料、水等多相物料统一视为单一连续介质，单纯从流体对结构反作用力的角度进行力学分析，评价搅拌效果的优劣，从而对搅拌机结构提出改造建议。以上技术不考虑固体颗粒与颗粒、固体颗粒与容器、固体颗粒本身等力学行为特征，无法定量化的表征各种物料在时间和空间上的分布规律，从而很难对搅拌装置和工艺参数进行定量优化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺优化方法，以对高浓度料浆搅拌工艺进行精准优化，科学指导系统设计，有效缩短试验和调试周期，降低事故风险和处理成本。
本发明提供一种高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺优化方法，包括以下步骤：
步骤S1、搅拌工艺初步确定：根据充填系统生产能力、物料搅拌时间、容器有效体积等数据，初步确定尾砂料浆搅拌工艺条件，对搅拌机尺寸进行计算、初步选型；
步骤S2、实体三维模型构建：根据计算得到的搅拌机尺寸，以及工业搅拌机实体装备结构，建立搅拌机物理模型；
步骤S3、仿真颗粒物性参数标定：通过仿真平台流变模拟结果与流变仪实验结果进行比对，获得与流变参数匹配的颗粒物性参数，实现尾砂浆液在沉降过程中的仿真参数标定；
步骤S4、搅拌工艺仿真运行：生成边界网格，将充填材料基本物理性质、固液两相流料浆仿真参数输入仿真平台，设置仿真初始条件，采用离散元法(DEM)和光滑颗粒流体力学(SPH)进行耦合计算，开始对尾砂料浆搅拌过程进行模拟仿真；
步骤S5、仿真结果分析评价：根据搅拌机仿真运行结果，分析搅拌机底部尾砂、胶凝材料颗粒含量时间的变化规律，评价尾砂料浆搅拌均匀性效果；若仿真结果满足设计要求，则仿真结束，仿真的输入条件和输出结果为高浓度尾砂料浆搅拌工艺的参数；
步骤S6、搅拌工艺优化与确定：若仿真结果不满足设计要求，则可通过改变搅拌机结构尺寸或工作参数，再次进行仿真模拟，直至结果满足设计要求，完成搅拌工艺的优化。
进一步，步骤S2中，所述搅拌机物理模型为三维物理模型，采用solidworks或Gambit专业建模工具构建，所述三维物理模型包括筒体、搅拌轴、叶片、挡板结构。
进一步，步骤S3中，所述流变模拟仿真需在仿真平台中建立与流变物理试验同等规格的流变试验装置与条件，包括转子、量杯，以及设置的转子转速。
进一步，步骤S3中，所述颗粒物性参数包括固体颗粒-颗粒摩擦系数、固体颗粒-壁面摩擦系数、固体颗粒滚动摩擦系数、初始屈服应力、流动连续性系数。
进一步，步骤S4中，采用Gmesh软件对三维模型生成边界网格，为颗粒与壁面的接触行为表征提供边界条件。
进一步，步骤S4中，所述充填材料基本物理性质包括固体颗粒密度，液体颗粒密度，固体颗粒大小，液体颗粒大小。
进一步，步骤S4中，所述的离散元法(DEM)，各个颗粒间的接触力学模型由一个法向力与一个切向力组成：
F＝Fn+Ft (1)
F＝(knδnij-γnvnij)+(ktδtij-γtvtij) (2)
式中：
F表示颗粒间接触力；
Fn表示法向接触力；
Ft表示切向接触力；
kn表示法向接触弹性常数；
δnij表示法向的颗粒接触重叠面积；
γn表示法向接触的弹塑性阻尼常数；
vnij表示法向的相对速度；
kt表示切向接触弹性常数；
δtij表示切向的颗粒接触重叠面积；
γt表示切向接触的弹塑性阻尼常数；
vtij表示切向的相对速度；
接触力学模型的系数可由以下公式来计算：
Figure BDA0002355105590000041
Figure BDA0002355105590000042
Figure BDA0002355105590000043
Figure BDA0002355105590000044
其中：
Figure BDA0002355105590000045
Figure BDA0002355105590000046
Figure BDA0002355105590000047
Figure BDA0002355105590000048
Figure BDA0002355105590000049
Figure BDA00023551055900000410
Figure BDA00023551055900000411
以上表达式中，e是弹性恢复系数，Y是杨氏模量，v是泊松比，δn是静摩擦系数，μr是滚动摩擦系数，m是颗粒的质量，R是颗粒的半径，下角标的1和2代表了两个相接触的颗粒。
进一步，步骤S4中，所述光滑颗粒流体力学(SPH)的连续性方程为：
Figure BDA00023551055900000412
其中，ρa是颗粒a的密度，va是颗粒a的速度，mb是颗粒b的质量，vb是颗粒b的速度，▽Wab表示描述粒子a与粒子b之间流体属性的平滑内核函数；
得到SPH形式的动量方程中的颗粒a的加速度：
Figure BDA00023551055900000413
其中P是压力，μ是粒子的动力粘度，ξ的粘度项的校准因子，g是重力矢量，vab是粒子a和b之间的相对速度，rab是粒子b到粒子a的相对位置矢量，η是避免rab＝0的奇点系数。
更进一步，所述离散元法和光滑颗粒流体力学耦合计算方法，由液体颗粒给固体颗粒施加的曳力为：
Figure BDA0002355105590000051
其中：
Figure BDA0002355105590000052
式中，Cd是粒子受到的阻力系数，ρ是流体密度，ur表示各项之间的相对流速，ε是局部的流体分数，A⊥表示粒子沿相对速度方向的投影面积；
流体的雷诺数为
Figure BDA0002355105590000053
其中r是颗粒的球面半径，μ是流体的动力粘度。
进一步，步骤S5中，所述尾砂料浆搅拌均匀性效果，通过搅拌机底部出口孔处，分别提取尾砂颗粒和胶凝材料颗粒浓度随搅拌时间的变化规律进行评价，当其浓度变化趋于稳定，说明材料搅拌已达到均匀状态。
本发明一种高浓度尾砂料浆搅拌工艺优化方法，可以模拟尾砂、胶凝材料、水等不同尺度的多相物料在搅拌机内的完整运移行为，准确获取各种物料在不同时间和空间上的分布特征，从而实现对其物料搅拌均匀性的评价。通过在计算机上改变搅拌机结构或工作参数，进行多次“工业化试验”，最终可以对其搅拌工艺进行精准优化，科学指导系统设计，有效缩短试验和调试周期，降低事故风险和处理成本。
本发明的有益效果为：与现有的尾砂搅拌工艺研究相比，本发明采用模拟仿真的方式，对搅拌装置进行全尺寸建模，然后结合搅拌机内各种物料在不同时间和空间上的分布特征，现对其物料搅拌均匀性的评价。通过离散元与流体力学软件进行耦合仿真运行，在运行过程中发现问题，并通过调整工艺参数逐一解决，精准优化高浓度尾砂料浆搅拌工艺，有效指导设计和工业试验，有利于提高效率，降低成本。
附图说明
图1为本发明的实施例中的搅拌机物理模型。
图2为本发明的实施例中DEM-SPH耦合计算流程图。
图3为本发明实施例中搅拌机仿真过程图。
图4为本发明的实施例中初步选型搅拌机内各种物料分布示意图。
图5为本发明的实施例中搅拌机优化结构后各种物料分布示意图。
图6为本发明的实施例中搅拌机底部尾砂颗粒含量随时间的变化规律。
图7为本发明的实施例中搅拌机底部胶凝材料合理含量随时间的变化规律。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明：
实施例
本发明实施例一种高浓度尾砂料浆搅拌工艺优化方法，包括以下步骤：
步骤S1、初步确定高浓度尾砂料浆搅拌工艺：某矿山生产能力300万吨/年，浓密机底流以质量浓度66％，流量180m3/h的条件进入搅拌机；胶凝材料按照1:10的灰砂比同步加入搅拌机内，要求搅拌机出口料浆流量为200m3/h，质量浓度68％；根据搅拌机容器有效利用系数0.7，物料搅拌时间3min，初步计算搅拌机选型为直径3.0m，高度2.6m；根据经验，采用单轴双叶轮结构，每个叶轮三扇叶片，叶片长度0.5m，倾斜方向30°；
步骤S2、建立搅拌机物理模型：根据计算得到的搅拌机尺寸，以及搅拌机内部结构，建立三维物理模型，如图1所示；
步骤S3、仿真参数标定：根据质量浓度和灰砂比条件，将尾砂、胶凝材料和水配制成充填料浆，采用流变仪测试料浆流变参数，同时在DEM仿真平台中建立与流变实验同等规格的容器和转子模型并模拟运行；通过仿真平台流变模拟结果与流变仪实验结果进行比对，当二者结果近似时，获得与流变参数匹配的固体颗粒-颗粒摩擦系数0.5、固体颗粒-壁面摩擦系数0.3、固体颗粒滚动摩擦系数0.2、初始屈服应力128Pa、流动连续性系数467.5，实现尾砂料浆搅拌过程中的仿真参数标定；
步骤S4、搅拌工艺仿真运行：设置进料尾砂颗粒密度2700kg/m3，进料胶凝材料颗粒密度800kg/m3，进料液体颗粒密度1000kg/m3，进料固体颗粒直径40mm，进料液体粒子直径40mm；输入仿真初始条件，搅拌轴转速150RPM；启动计算运行，离散元与光滑颗粒流体力学的耦合(DEM-SPH)技术过程如图2所示；尾砂料浆搅拌过程的模拟仿真如图3所示；
步骤S5、仿真结果分析评价：根据搅拌机仿真运行结果可知，运行3min后搅拌机底部胶凝材料颗粒分布并不很均匀，其主要集中在转轴周围，如图4所示，说明该条件下料浆搅拌均匀性不理想，还需对搅拌机结构进行优化；
步骤S6、搅拌工艺优化：根据仿真结果，改变搅拌机转轴转速为200RPM，同时设置两组螺旋倾斜扰流板，扰流板宽度0.15m，长度1.0m，对称分布于筒壁内侧；依照上述步骤进行仿真运行，仿真结果显示搅拌机底部胶凝材料和尾砂颗粒混合均匀性较好，二者颗粒分布如图5；且尾砂颗粒和胶凝材料颗粒在底部的浓度随时间变化规律见图6和图7，表明搅拌进行到60s左右时，尾砂和胶凝材料的分布浓度趋于稳定，物料搅拌均匀性较好。因此，通过仿真优化分析，确定了搅拌机结构形式和工作参数，至此，搅拌工艺参数优化结束。
通过以上基于全尺寸搅拌装备的工艺过程仿真，进行数字化“工业试验”，在满足物料搅拌均匀性的前提下，获得了搅拌机最佳结构形式和工作参数，提高了物料与装备的匹配性，大大缩短了系统调试周期，节省了投资和处理成本，为充填料浆精准制备提供了有效依据。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、搅拌工艺初步确定：根据充填系统生产能力、物料搅拌时间、容器有效体积数据，初步确定尾砂料浆搅拌工艺条件，对搅拌机尺寸进行计算、初步选型；
步骤S2、实体三维模型构建：根据计算得到的搅拌机尺寸，以及工业搅拌机实体装备结构，建立搅拌机物理模型；
步骤S3、仿真颗粒物性参数标定：通过仿真平台流变模拟结果与流变仪实验结果进行比对，获得与流变参数匹配的颗粒物性参数，实现尾砂浆液在沉降过程中的仿真参数标定；
步骤S4、搅拌工艺仿真运行：生成边界网格，将充填材料基本物理性质、固液两相流料浆仿真参数输入仿真平台，设置仿真初始条件，采用离散元法和光滑颗粒流体力学进行耦合计算，开始对尾砂料浆搅拌过程进行模拟仿真；
步骤S5、仿真结果分析评价：根据搅拌机仿真运行结果，分析搅拌机底部尾砂、胶凝材料颗粒含量时间的变化规律，评价尾砂料浆搅拌均匀性效果；若仿真结果满足设计要求，则仿真结束，仿真的输入条件和输出结果为高浓度尾砂料浆搅拌工艺的参数；
步骤S6、搅拌工艺优化与确定：若仿真结果不满足设计要求，则可通过改变搅拌机结构尺寸或工作参数，再次进行仿真模拟，直至结果满足设计要求，完成搅拌工艺的优化。
2.如权利要求1所述的高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺优化方法，其特征在于，步骤S2中，所述搅拌机物理模型为三维物理模型，采用solidworks或Gambit专业建模工具构建，所述三维物理模型包括筒体、搅拌轴、叶片、挡板结构。
3.如权利要求1所述的高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺优化方法，其特征在于，步骤S3中，所述流变模拟仿真需在仿真平台中建立与流变物理试验同等规格的流变试验装置与条件，包括转子、量杯，以及设置的转子转速。
4.如权利要求1所述的高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺优化方法，其特征在于，步骤S3中，所述颗粒物性参数包括固体颗粒-颗粒摩擦系数、固体颗粒-壁面摩擦系数、固体颗粒滚动摩擦系数、初始屈服应力、流动连续性系数。
5.如权利要求1所述的高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺优化方法，其特征在于，步骤S4中，采用Gmesh软件对三维模型生成边界网格，为颗粒与壁面的接触行为表征提供边界条件。
6.如权利要求1所述的高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺优化方法，其特征在于，步骤S4中，所述充填材料基本物理性质包括固体颗粒密度，液体颗粒密度，固体颗粒大小，液体颗粒大小。
7.如权利要求1所述的高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺优化方法，其特征在于，步骤S4中，所述的离散元法，各个颗粒间的接触力学模型由一个法向力与一个切向力组成：
F＝Fn+Ft (1)
F＝(knδnij-γnvnij)+(ktδtij-γtvtij) (2)
式中：
F表示颗粒间接触力；Fn表示法向接触力；Ft表示切向接触力；
kn表示法向接触弹性常数；δnij表示法向的颗粒接触重叠面积；
γn表示法向接触的弹塑性阻尼常数；vnij表示法向的相对速度；
kt表示切向接触弹性常数；δtij表示切向的颗粒接触重叠面积；
γt表示切向接触的弹塑性阻尼常数；vtij表示切向的相对速度；
接触力学模型的系数可由以下公式来计算：
Figure FDA0004105505780000021
Figure FDA0004105505780000022
Figure FDA0004105505780000023
Figure FDA0004105505780000024
其中：
Figure FDA0004105505780000031
Figure FDA0004105505780000032
Figure FDA0004105505780000033
Figure FDA0004105505780000034
Figure FDA0004105505780000035
Figure FDA0004105505780000036
Figure FDA0004105505780000037
以上表达式中，e是弹性恢复系数，Y是杨氏模量，v是泊松比，δn是静摩擦系数，m是颗粒的质量，R是颗粒的半径，下角标的1和2代表了两个相接触的颗粒。
8.如权利要求1所述的高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺优化方法，其特征在于，步骤S4中，所述光滑颗粒流体力学的连续性方程为：
Figure FDA0004105505780000038
其中，ρa是颗粒a的密度，va是颗粒a的速度，mb是颗粒b的质量，vb是颗粒b的速度，▽Wab表示描述粒子a与粒子b之间流体属性的平滑内核函数；
得到SPH形式的动量方程中的颗粒a的加速度：
Figure FDA0004105505780000039
其中P是压力，μ是粒子的动力粘度，ξ的粘度项的校准因子，g是重力矢量，vab是粒子a和b之间的相对速度，rab是粒子b到粒子a的相对位置矢量，η是避免rab＝0的奇点系数。
9.如权利要求1所述的高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺优化方法，其特征在于，所述离散元法和光滑颗粒流体力学耦合计算方法，由液体颗粒给固体颗粒施加的曳力为：
Figure FDA00041055057800000310
其中：
Figure FDA0004105505780000041
式中，Cd是粒子受到的阻力系数，ρ是流体密度，ur表示各项之间的相对流速，ε是局部的流体分数，A⊥表示粒子沿相对速度方向的投影面积；
流体的雷诺数为
Figure FDA0004105505780000042
其中r是颗粒的球面半径，μ是流体的动力粘度。
10.如权利要求1所述的高浓度尾砂充填料浆搅拌工艺优化方法，其特征在于，步骤S5中，所述尾砂料浆搅拌均匀性效果，通过搅拌机底部出口孔处，分别提取尾砂颗粒和胶凝材料颗粒浓度随搅拌时间的变化规律进行评价，当其浓度变化趋于稳定，说明材料搅拌已达到均匀状态。
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