FLUENT 的漿液遠距離輸送數(shù)值模擬研究*

劉 磊，王偉峰，馮玉龍

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710054;2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西西安710054;3.西安博深煤礦安全科技有限公司，陜西 西安710304)

0 引 言

煤自燃是自然界存在的一種客觀現(xiàn)象，這種現(xiàn)象已經(jīng)存在了數(shù)百萬年［1］。中國煤炭資源十分豐富［2］，煤炭產(chǎn)量和消費量均居世界前列，約占國內(nèi)一次能源生產(chǎn)和消費總量的85%左右［3］，但是由于工業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速，大規(guī)模的應(yīng)用在工礦企業(yè)中，煤礦部分企業(yè)廣泛的應(yīng)用高產(chǎn)高效集約化生產(chǎn)，煤礦的機械化程度得到了大幅提高，同時，現(xiàn)代化的綜放采煤法應(yīng)用范圍不斷擴大，其采煤的速度也得到了日益加快，但是這給采空區(qū)留下了大量的遺煤，使得在采空區(qū)中自然發(fā)火的問題變得更加突出。灌漿防滅火技術(shù)、液態(tài)CO2防滅火技術(shù)、膠體防滅火技術(shù)、均壓防滅火技術(shù)等都是煤礦經(jīng)常采用的煤自燃防滅火技術(shù)方法［4］，其中，在煤礦防滅火工作中，灌漿技術(shù)在國內(nèi)外有許多成功的應(yīng)用，經(jīng)實踐檢驗，灌漿技術(shù)是防治礦井煤自燃最為有效的措施之一。灌漿技術(shù)能夠有效控制火區(qū)的溫度，在一般的厚煤層分層開采的時候，一方面可以有效的防火，另一方面可以形成良好的漿液頂板，對下分層的開采創(chuàng)造了有利的條件。當(dāng)漿液流到采空區(qū)以后，固體顆粒物沉淀下去，充填在浮煤裂隙中間，形成有效的漏風(fēng)隔離帶，隔絕與空氣的接觸從而防止煤層被氧化;同時增加煤層的水分，達到抑制煤氧化的發(fā)展，對已經(jīng)自熱的區(qū)域起到散熱作用，冷卻采空區(qū)的圍巖，降低采空區(qū)中的煤巖溫度;當(dāng)漿液脫水后，可以形成一塊堆積物，可以有效減少采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)情況［5］。但是隨著礦井開采的范圍不斷的進行延伸，導(dǎo)致了許多新問題的出現(xiàn)，其中比較集中突出的問題是礦井灌漿管路要跟隨著采區(qū)的沿伸不斷加長，造成灌漿管路的阻力不斷增大，管路出口壓力變小等問題變得日益突出;解決這些問題的一般方法是通過在灌漿站利用加壓泵等加壓工具進行加壓來提高管路的出口壓力，由于在灌漿工作中管路中壓力大小屬于不可控制的因素，不能對其及時做出調(diào)整，而一旦壓力過大，則可能會出現(xiàn)管路損壞等情況;目前大多數(shù)礦井的管路壓力監(jiān)測手段主要是利用人工來對其進行測定［6］，所以不能夠提供實時監(jiān)測的壓力數(shù)據(jù);這些因素導(dǎo)致現(xiàn)有的灌漿系統(tǒng)不能很好地滿足煤礦對安全性的要求。結(jié)合礦井安全生產(chǎn)的要求，需要對管路出口壓力小，管道中由于局部壓力驟升引起的壓力過大損壞管路的情況和管路中的壓力分布規(guī)律等問題進行研究，以確保系統(tǒng)的能夠可靠、穩(wěn)定的運行，滿足礦井遠距離灌漿工作的要求。由于礦井灌漿管路系統(tǒng)是一個相對封閉的空間，漿液在流動的時候，對管道中的壓力分布情況卻難以掌握清楚，這會對灌漿工作造成一定的不良影響［7］。靜壓灌漿與動壓灌漿2 種灌漿方式對管路所造成的壓力影響情況不同，因此，有必要對管道中由于不同灌漿方式所造成的影響程度進行研究。根據(jù)某礦井灌漿管路的實際情況，建立相對應(yīng)的數(shù)學(xué)幾何模型，對其進行網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定以及數(shù)值模擬計算流程，并對所建立的模型進行數(shù)值計算，得到漿液在管道中的變化特性模擬靜壓和動壓灌漿時管道中的壓力分布情況，并對比分析了兩者特點，能夠為灌漿工作的制定提供一定的依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 控制方程

1)在不可壓縮粘性流體中，其運動可用N-S方程表示，其控制方程為［8-9］

2)利用Segregated 隱式解，標(biāo)準(zhǔn)k -ε 雙方程的模型，湍流黏度為

式中 Cμ為常量;k 為湍流的動能;ε 為湍流動能的耗散率。

1.2 能量方程

能量守恒方程

湍流動能的輸送方程為

湍流動能耗散率輸送方程

其中 C1ε=1.44;C2ε=1.92;Cμ=0.09;σK=1.0;σε=1.3.

對于粘性不可壓縮流體，其在管道內(nèi)流動的支配方程為連續(xù)性方程

Navier-Stokes 方程

式中 u 為在x 坐標(biāo)方向上的速度分量;v 為在y坐標(biāo)方向上的速度分量;ρ 為流體密度。

2 漿液遠距離輸送物理模擬模型建立及參數(shù)設(shè)置

2.1 物理模擬模型的建立

模型建立的管道尺寸為φ108 mm，采空區(qū)注漿點距地面為350 水平，由于該煤礦屬于建成時間久，故井下灌漿管路情況比較復(fù)雜，根據(jù)礦區(qū)提供的注漿管路圖，如圖1(a)和實地繪制相結(jié)合建立模型圖如圖1(b)所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

計算區(qū)域網(wǎng)格劃分如下:由于灌漿管路是一個整體性比較好的封閉管體，故直接進行網(wǎng)格劃分，即網(wǎng)格步長為0.1 m.如圖2 所示。

2.3 邊界條件

邊界條件:考慮到在實際現(xiàn)場應(yīng)用中很難精確控制壓力等各個因素，對管道入口采用壓力入口條件，并對靜壓灌漿時的入口條件固定在3.5 MPa，動壓灌漿時的入口條件固定在5 MPa;出口處設(shè)為壓力出口邊界條件;墻面處設(shè)為無滑移壁面。

2.4 數(shù)值計算流程

采用ANSYS FLUENT12.1 流體動力學(xué)軟件對礦井灌漿管路進行數(shù)值模擬，考查和分析高濃度漿液在管路中流動特征參數(shù)及變化情況［10-11］，并對靜壓灌漿和動壓灌漿進行對比分析和研究。通過模型的建立、網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置、數(shù)值計算、結(jié)果處理等步驟，建立的流程如圖3 所示，相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1，模擬灌漿入口和出口分別為管道入口處和出口處。

表1 相關(guān)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Related parameter settings

3 數(shù)值模擬分析

3.1 靜壓灌漿管道壓力變化特征

在向采空區(qū)進行注漿作業(yè)的時候，一般分為2種方式，一種是靜壓注漿，另外一種是動壓注漿。選用靜壓注漿方式進行采空區(qū)注漿，即通過漿液自身的重力，從注漿站輸送漿液，漿液通過在井下鋪設(shè)的灌漿管路至用漿區(qū)。現(xiàn)對靜壓注漿時的注漿管路的壓力情況進行模擬，如圖4 所示，其中1，2，3，4 號測點分別為二采區(qū)皮帶機道壓力監(jiān)測點，北翼1#聯(lián)絡(luò)巷壓力監(jiān)測點，1305 巖集聯(lián)絡(luò)巷壓力監(jiān)測點，五采邊界回風(fēng)上山壓力監(jiān)測點。

通過圖中的模擬結(jié)果，可以看出，采用靜壓注漿方式時，1 號測點的壓力值范通過圍為3.434 ～3.461 MPa 之間;2 號測點的壓力值范圍為3.380～3. 407 MPa 之間;3 號測點的壓力值范圍為3.190 ～3.217 MPa 之間;4 號測點的壓力值范圍為2.973 ～3.000 MPa 之間。

圖1 簡化物理模擬模型Fig.1 Simplified physical simulation model

3.2 動壓灌漿管道壓力變化特征

在向采空區(qū)進行注漿作業(yè)的時候，一般分為2種方式，一種是動壓注漿，另外一種是動壓注漿。選用動壓注漿方式進行采空區(qū)注漿，即通過在注漿站對漿液進行加壓后輸送，漿液通過在井下鋪設(shè)的灌漿管路至用漿區(qū)。現(xiàn)對動壓注漿時的注漿管路的壓力情況進行模擬，如圖5 所示。

通過圖中的模擬結(jié)果，可以看出，采用動壓注漿方式時，1 號測點的壓力值范圍為5.308 ～5.444 MPa 之間;2 號測點的壓力值范圍為4.493 ～4.629 MPa 之間;3 號測點的壓力值范圍為3.950 ～4.086 MPa 之間;4 號測點的壓力值范圍為3.135 ～3.271 MPa 之間。

4 結(jié)果對比分析

4.1 模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比

圖2 網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Meshing

圖3 數(shù)值模擬流程Fig.3 Flow of numerical simulation

圖4 靜壓注漿各監(jiān)測點壓力分布Fig.4 Static pressure grouting pressure distribution of each monitoring point

圖中所表示的各個壓力分段意義解釋如下:圖中曲線可以分為3 個部分，第一部分(即漿液自重階段，如壓力值最低的曲線所示，時間:8:35 ～8:55，9:40 ～9:55，10:30 ～10:50)所產(chǎn)生的壓力是在管路閥門關(guān)閉的情況下，由于管路中存在一定的余水而產(chǎn)生的在自重作用下的壓力，壓力值通常比較小，可以忽略不計;第二部分(即靜壓灌漿階段，如壓力值較高的曲線所示，時間:9:00 ～9:35)所產(chǎn)生的壓力是在進行靜壓灌漿的情況下，在灌漿站與灌漿地點形成的壓力差的作用下所產(chǎn)生的壓力，壓力值通常比較大，是目前灌漿工作的主要手段;第三部分(即動壓灌漿階段，如壓力值最高的曲線所示，時間:10:00 ～10:25)所產(chǎn)生的壓力是在動壓灌漿的情況下，其壓力值的大小由管路中余水的自重，靜壓灌漿的壓力和渣漿泵的出口壓力之和所組成的，系統(tǒng)能夠滿足對礦井安全生產(chǎn)以及解決管路出口壓力大小的要求。

圖5 動壓注漿各監(jiān)測點壓力分布Fig.5 Dynamic pressure grouting pressure distribution of each monitoring point

利用Origin 繪圖軟件對此數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果如圖6 ～9 所示。

4.2 結(jié)果分析

利用ANSYS 模擬軟件對灌漿管路中的壓力進行模擬，所得到的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比，見表2.

圖6 二采區(qū)皮帶機道現(xiàn)場與模擬壓力對比圖Fig.6 Second Mining Area belt road scene with analog pressure comparison chart

圖7 1305 巖集聯(lián)絡(luò)巷現(xiàn)場與模擬壓力對比圖Fig.7 1305 Rock Lane set scene with simulated contact pressure comparison chart

圖8 北翼1 號聯(lián)絡(luò)巷現(xiàn)場與模擬壓力對比圖Fig.8 North Wing No.1 Lane scene with simulated contact pressure comparison chart

圖9 5304 邊界回風(fēng)現(xiàn)場與模擬壓力對比圖Fig.9 5304 Boundary return air scene and simulated pressure comparison chart

二采區(qū)皮帶機道布置的壓力傳感器檢測的壓力值與模擬壓力值對比可以看出，模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗結(jié)果大致相似，靜壓灌漿模擬與實測靜壓值分別大致在3.5/3.6 MPa 左右，動壓灌漿模擬與實測動壓值分別大致在5/4.8 MPa 左右;北翼1#聯(lián)布置的壓力傳感器檢測的壓力值與模擬壓力值對比可以看出，模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗結(jié)果大致相似，靜壓灌漿模擬與實測靜壓值分別大致在3.5/4.0 MPa 左右，動壓灌漿模擬與實測動壓值分別大致在4.8/5.0 MPa 左右;1305 巖集運底車場布置的壓力傳感器檢測的壓力值與模擬壓力值對比可以看出，模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗結(jié)果大致相似，靜壓灌漿模擬與實測靜壓值分別大致在3.0/2.8 MPa左右，動壓灌漿模擬與實測動壓值分別大致在4.0/4.0 MPa 左右;5304 四號聯(lián)上車場布置的壓力傳感器檢測的壓力值與模擬壓力值對比可以看出，模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗結(jié)果大致相似，靜壓灌漿模擬與實測靜壓值分別大致在2.5/2.0 MPa 左右，動壓灌漿模擬與實測動壓值分別大致在3. 0/3. 0 MPa 左右，這與現(xiàn)場的靜壓注漿和動壓注漿所顯示的趨勢基本吻合。

表2 模擬與實測數(shù)據(jù)對比Tab.2 Simulation and comparison of the measured data

從模擬的結(jié)果可以看出:利用動壓進行輸漿作業(yè)，可以起到明顯的增壓效果;現(xiàn)場數(shù)據(jù)與模擬所得的數(shù)據(jù)基本吻合;兩者采用的靜壓和動壓輸漿方式所呈現(xiàn)的管道中的壓力分布規(guī)律基本吻合;系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，取得了良好的效果，系統(tǒng)達到了設(shè)計要求。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)控制方程、能量方程，構(gòu)建了漿液遠距離輸送數(shù)值計算模型，采用ANSYS FLUENT12.1流體動力學(xué)軟件對靜壓注漿和動壓注漿中的過程進行了數(shù)值模擬和對比分析，該模型可以較好的預(yù)測靜壓和動壓輸送管路中的壓力狀態(tài)，有助于分析管路輸送過程中不同管路位置的壓力變化及分布規(guī)律。

2)建立物理模型，對其進行網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定和數(shù)值模擬計算流程和對所建立的模型進行數(shù)值計算，得到漿液在管道中的變化特性，從靜壓注漿和動壓注漿的特性變化中可以看出，動壓注漿對出口壓力起到了顯著的作用。

3)通過與現(xiàn)場所監(jiān)測得到的結(jié)果進行對比分析，可以得出，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗所監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)基本吻合，說明動壓注漿方式對遠距離灌漿工作具有一定的實用性。

References

［1］ 徐精彩.煤自燃危險區(qū)域判定理論［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2001.XU Jing-cai. Coal spontaneous combustion danger zone determination theory［M］. Beijing:Coal Industry Press，2001.

［2］ 楊曉敏. 巷道透采空區(qū)煤自燃火災(zāi)治理技術(shù)研究［D］.西安:西安科技大學(xué)，2012.YANG Xiao-min.Roadway through gob coal spontaneous combustion control technology research［D］.Xi’an:Xi’an University of Science and Technology，2012.

［3］ 毛占利.高瓦斯煤層自燃火災(zāi)防治技術(shù)研究［D］.西安:西安科技大學(xué)，2006.MAO Zhan-li. Research technical high gas coal seam fires prevention［D］. Xi’an:Xi’an University of Science and Technology，2006.

［4］ 張 博.李嘴孜礦急傾斜煤層自然發(fā)火防治技術(shù)研究［D］.西安:西安科技大學(xué)，2011.ZHANG Bo.Lizui mouth steep seam mining spontaneous combustion prevention research［D］.Xi’an:Xi’an University of Science and Technology，2011.

［5］ 王曉寧. 小窯煤層自燃引發(fā)的礦井火災(zāi)控制技術(shù)［D］.西安:西安科技大學(xué)，2008.WANG Xiao-ning. Small kiln coal mine fire caused by spontaneous combustion control technology［D］.Xi’an:Xi’an University of Science and Technology，2008.

［6］ 陳曉坤. 煤自燃多源信息融合預(yù)警研究［D］. 西安:西安科技大學(xué)，2012.CHEN Xiao-kun.Multi-source information fusion of coal spontaneous combustion warning research［D］. Xi’an:Xi’an University of Science and Technology，2012.

［7］ 錢益斌，楊利民.管道內(nèi)油水兩項流研究進展［J］.化工進展，2009，28(4):566 -577.QIAN Yi-bin，YANG Li-min.Flow of water in the pipeline two progress［J］. Chemical Engineering Progress，2009，28(4):566 -577.

［8］ 韓占忠. FLUENT 流體工程仿真計算實例與應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2001.HAN Zhan-zhong.FLUENT fluid engineering simulation examples and application［M］. Beijing:Beijing Institute of Technology Press，2001.

［9］ 蔡 輝.水平管內(nèi)油氣水三項流動特性的研究［D］.吉林:東北電力學(xué)院，1999.CAI Hui.Study of three horizontal tube water flow characteristics of oil and gas［D］.Jilin:Northeast Institute of Electric Power，1999.

［10］姜小放，曹西京，司震鵬.FLUENT 技術(shù)在工業(yè)管道設(shè)計中的應(yīng)用［J］.化工設(shè)備與管道，2009(5):46 -48.JIANG Xiao-fang，CAO Xi-jing，SI Zhen-peng. FLUENT applications in industrial piping design［J］.Chemical Equipment and Pipeline，2009(5):46 -48.

［11］王福軍.計算流體動力學(xué)分析——CFD 軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.WANG Fu-jun. Computational fluid dynamics analysis:CFD Software Principles and Applications［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2004.

［12］樊勇保，李曉嬌，李 玲，等.基于FLUENT 的高爐風(fēng)口流場和溫度場的模擬［J］. 計算機應(yīng)用技術(shù)，2009(29):324 -326.FAN Yong-bao，LI Xiao-jiao，LI Ling，et al.Analog blast outlet flow field and temperature field based on FLUENT［J］.Applied Computer Technology，2009(29):324 -326.

［13］鄧代強，朱永建，王發(fā)芝，等.充填料漿長距離管道輸送數(shù)值模擬［J］.安徽大學(xué)學(xué)報，2012(6):36 -43.DENG Dai-qiang，ZHU Yong-jian，WANG Fa-zhi，et al.Filling long distance slurry pipeline simulation［J］.Journal of Anhui University，2012(6):36 -43.

［14］趙 月.基于CFD 的管道局部阻力的數(shù)值模擬［D］.大慶:東北石油大學(xué)，2011.ZHAO Yue. Based on CFD numerical simulation local resistance pipeline［D］.Daqing:Northeast Petroleum University，2011.

［15］王占榜.稠化膠體在管道內(nèi)的流動特性研究［D］.西安:西安科技大學(xué)，2004.WANG Zhan-bang. Flow Characteristics of thickening gel in the pipe［D］.Xi’an:Xi’an University of Science and Technology，2004.

［16］于利偉.三相流管道輸送試驗與數(shù)值模擬分析研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2006.YU Li-wei.Analysis of experimental and numerical simulation of three-phase flow pipeline［D］.Wuhan:Wuhan University of Technology，2006.