黏土胶结充填浆体管道输送特性试验与数值模拟研究北大核心CSCD

黏土可作为骨料用于矿山胶结充填,浆体的管道输送特性对充填工艺影响很大。利用自溜型浆体管道输送试验系统对体积分数为50%的黏土浆体进行输送试验,在充填倍线为1∶4.89的情况下,黏土浆体在管道中输送良好。对试验系统出浆口处水平管道浆体输送特性进行数值模拟。结果表明,黏土浆体在管道断面流速分布不均匀,层流边界中法向速度梯度大,流速较小时,体积分数分布不均,颗粒易在管道底部堆积,随流速增加,黏土颗粒在管道中均匀分布。黏土颗粒粒度和密度对管道输送基本没有影响,临界速度随着黏土颗粒粒度、密度增大而增大,临界流速与浆体体积分数呈抛物线曲线关系。黏土胶结充填过程中应筛除其中混杂的颗粒粒度和密度较大的杂质,黏土浆体输送速度、体积分数应尽量避开临界速度与体积分数抛物线顶部区域。     

T型结构压力管道流固耦合模拟与试验验证

为研究T型压力管道结构内部流体非定常流动诱发的管道振动问题,采用流固耦合分析方法进行分析,借助有限元分析软件ADINA对输送气体介质的T型压力管道结构的进行了流固耦合数值模拟,得到了管内流体流动参数的变化以及管道应力分布规律,并预测了管道振动特性。同时,利用管道振动测试试验系统进行T型管道结构的振动特性进测试,得到压力管道耦合振动响应频率。结果表明:流固耦合数值计算的结果与试验结果能较好地吻合,流体介质的T型压力管道内存在明显的流固耦合效应,不考虑流固耦合作用结果与实验结果相差很大。     

尾矿高浓度排放技术的发展概况及展望

对于尾矿传统湿排技术来说,不仅坝体的稳定性差,对环境也有极大的影响,然而高浓度排放技术有效地缓解或解决了这些问题。文章从尾矿脱水、料浆输送和尾矿沉积等多方面,介绍了高浓度排放国内外发展情况,如多段式到一段式脱水和脱水设备的发展、泵压输送中泵送设备的类型,以及尾矿沉积中排放口的布置方式等。介绍了边坡角预测理论,主要包括Blight和Bentel边坡角预测模型、Kupper提出的边坡角经验公式,以及Sofra和Boger提出的边坡角经验公式。指出了高浓度排放技术存在的问题,如膏体的定义不清晰、高浓度排放的适用条件、沉积裂缝和边坡角预测模型不精确。最后总结了高浓度排放的发展趋势,如膏体排放模式、排放口的中央式布置和设备选型,如高浓度底流和处理量的脱水设备,以及高压高效率的泵送设备等。     

高水速凝材料浆体流变特性研究

高水速材料是一种新型无机材料，其体积比合水率达９０％，称为“点水成石”。高水材料加水制成净浆可用于煤矿巷旁充填和灌注：高水材料具有不同于水泥的团结特性，可团结粘土、污泥和矿山尾砂等工业废料，高水材料与上述骨料加水后制成砂浆，输送浓度为６０～７５％，具有良好的流动性和输送性。在此重点介绍高水材料浆体的流变特性研究的成果，包括高水材料浆体的类型、流变特性、屈服应力、结构粘度与浆体浓度的关系，以及高水材料浆体的输送特性和管道阻力的计算公式，以便更好的推广和广泛使用。     

多因素影响下尾矿库坝体沉积特性的试验研究

为了研究尾矿颗粒的沉积特性,基于四川某尾矿库进行颗粒取样,并利用室内筛分试验和恒定水流理论对尾矿颗粒的沉积特性进行分析。研究结果表明:干滩面上的沉积规律宏观上表现为前粗后细的规律,并可概化为"粗化—缓慢细化—细化"的变化过程,局部位置出现粒径的突变;干滩面上不同位置均出现了临界粒径,而该粒径的出现标志着某一粒径尾矿含量的显著增多;堆积坝体的颗粒粒径整体呈上粗下细的规律,不同深度位置有夹层、互层、交错层等现象出现;尾矿颗粒的分离流速随着尾矿粒径的增大而变小,而重力与水流拖拽力呈三次线性关系;当选矿工艺一定时,尾矿颗粒在干滩面上的沉积与颗粒流速成正比,和干滩坡度、尾矿粒径成反比。     

石化压力管道冲蚀失效数值模拟及影响因素分析

以镇海REAC出口压力管道系统碳钢弯管为例,结合冲蚀失效机理,建立冲蚀失效流固耦合数理模型。利用数值模拟技术分析腐蚀产物保护膜与多相流动之间的交互作用,揭示弯管内壁剪切应力分布及保护膜主位移、应力、应变的分布规律,研究石化压力管道系统冲蚀失效过程;结合现场测厚数据验证有限元分析软件流固耦合数值模拟方法的可靠性;并进一步对比分析了流体流动特性、管件结构特性等特性参数对冲蚀的影响。为石化压力管道输送系统的冲蚀失效分析、结构优化设计、RBI和定期检验测厚定位、寿命预测、风险评估等安全保障研究提供理论依据和分析手段。     

预防煤炭自燃的注砂技术实验研究

山砂是我国西北部矿区地表的主要自然资源之一,但如用其直接作为煤矿注浆防灭火的原料,不仅会造成输送管路的堵塞,还会引起输送管路的严重磨损。为此,首先研究了常见增稠剂羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠等对砂粒的悬浮性能,实验结果表明它们只能延缓砂粒的沉降。进而从理论上分析了砂粒悬浮的条件,发现具有一定屈服应力的假塑性流体特性的液体才能悬浮砂粒;并且悬浮砂粒粒径越大,所需屈服应力也越大。基于理论分析,研制了具有该特性的浆液,山砂在该浆液中不仅具有良好的悬浮性能,浆液还具有输送阻力小的特性。管道输送试验表明,浆液稳定性和流动阻力符合实际要求。     

基于可拓学的充填管道输送可靠度分析

为评价矿山充填系统管道输送安全等级,建立充填管道输送安全可拓学评价模型。结合相关学者的研究成果和矿山实践数据,确定输送安全等级标准及评价指标量值。运用融合权重法求出评价指标的融合权重系数。运用可拓学理论,建立充填管道输送安全评价的融合赋权法-可拓学模型,并依据非对称贴近度原则评判安全等级。运用该方法对金川龙首矿充填管道进行输送安全评价,得到其综合关联度为(-0.147,-0.185,-0.245,-0.398),贴近度为(0.286,0.347,0.225,0.134),安全等级为Ⅱ级,管道输送安全性较差。建议矿山及时对管道进行维修保养,以保证矿山安全生产。     

干燥蠕变与浸水湿化泥质岩粗粒土时效变形特性试验

由于环保及土地资源保护的迫切需要,泥质岩类软岩开挖粗粒土广泛应用于填方体工程,其蠕变及湿化变形是导致填筑体土工结构安全隐患的主要原因,已成为影响山区机场、土石坝及道路铁路路基等设施长期变形及稳定性问题的重要因素.为揭示粗粒土在干燥及浸水环境下的时效变形特性及其影响因素,以四川红层开挖土石料配置成不同缩尺的粗颗粒土,在模拟竖向加载及侧向约束下,对粗颗粒土干燥与浸水湿化蠕变特性进行了试验.结果表明:不同缩尺下的粗粒土具有不同的级配曲线,等量替代法缩尺模型粗颗粒质量占比最大,混合法缩尺模型粗颗粒质量占比居中,相似级配法缩尺模型粗颗粒质量占比最小;粗粒土干燥蠕变与浸水湿化蠕变特性差别较大,干燥蠕变主要因受力颗粒骨架时效变形引起,浸水湿化蠕变主要因颗粒软化破碎及结构重新排列引起;粗粒土干燥及浸水下时效变形特征与颗粒级配和细颗粒含量等密切相关;粗粒土干燥阶段的变形可采用分三部分的变形模型进行拟合,而浸水阶段的变形可采用广义凯尔文模型拟合,拟合效果良好.     

压缩空气泡沫在长距离管路输送中压降的数值模拟

基于Fluent对压缩空气泡沫在长距离管道中的流动特性进行了数值模拟研究,将压缩空气泡沫近似为弥散流,采用Saplart-Allmaras模型模拟了不同管径下压缩空气泡沫以及不同泡沫原液浓度的AFFF泡沫在长距离管道内的流动及压降变化。模拟结果表明,随着距离变化,各管径管道内压降均呈现线性变化,且随着压缩空气泡沫的流动,压降线性增大。管道管径对管内压降变化具有显著影响,管道直径越小,管道内压降越大;泡沫原液浓度对压降的影响较小,且压缩空气泡沫在长距离输送中的压力随距离线性衰减。将模拟结果与长距离输送的试验结果进行了对比,误差在10%以内。     

人工煤气管道萘颗粒沉积规律研究

针对萘在人工煤气管道中沉积会造成管道堵塞，影响管道的安全运行的这一问题，以昆明人工煤气管道为例，运用计算流体动力学软件Fluent，选用离散相模型和雷诺应力模型，对水平直管、水平弯管和三通管进行萘颗粒沉积的数值模拟，对于不同的管径、弯曲比、管径比，分别分析萘颗粒直径、入口速度、温度及压力对萘颗粒沉积的影响。研究结果表明:水平直管、水平弯管、三通管中的萘颗粒沉积率与颗粒粒径成正相关关系，而与气流入口速度、压力成负相关关系；萘颗粒在人工煤气管道中的沉积率主要受颗粒直径、气流入口速度的影响；萘颗粒的沉积率随着水平直管的管径增大而增大，随着水平弯管的弯曲比增大而增大，随着三通管的管径比增大而先增大后减小；可通过适当增大管内煤气输送速度、压力，降低温度来降低萘颗粒在人工煤气管道中的沉积速度，进而减少萘颗粒沉积的发生。     

基于颗粒级配均匀设计的尾矿坝中毛细水上升规律研究

堆积型尾矿坝坝体颗粒级配情况因尾砂排放和堆积的形式而千变万化,因此仅仅采用海森经验公式估算其毛细水上升情况会造成很大的偏差。为此,以湖南某尾矿坝坝体尾砂为原料,采用均匀设计方案设计并配比了8种尾矿砂,随后对该8种尾矿砂中的毛细水上升情况进行了长达10个月的监测,系统地研究了颗粒级配的差异对毛细水上升过程的影响。研究表明,毛细水初期阶段上升速度与尾矿砂中粗粒颗粒含量成正比,其最终上升高度则由细粒含量所决定。进一步地,还得出了由颗粒级配估算毛细水上升高度的方法,为毛细水上升高度计算理论提供了一种新思路和新方法。     

尾矿库溃坝风险定量评价方法探讨

针对目前尾矿库安全评价中无定量评价尾矿库溃坝风险的现状,坝体稳定性计算中未考虑到坝体实际为非均质体的特点,本文提出将容重、内摩擦角和凝聚力三者视为随机变量,采用蒙特卡洛模型计算尾矿坝溃坝失效概率;综合运用水文学、水动力学、非牛顿流体的运动理论,建立尾矿库溃坝后尾矿下泄模型,以计算溃坝淹没范围;综合考虑尾矿库溃坝后生命损失、财政损失和环境损失,计算尾矿库溃坝风险损失度;最终确定尾矿库溃坝风险度,以期提高尾矿库安全评价技术、确保尾矿库安全健康运行.     

尾矿砂介质渗流过程诱发声发射信号特征试验研究*

为了对渗流状态进行预测预报,从而预防渗透破坏事故的发生,基于地下水位上升、不同尾矿砂粒径以及渗流速度诱发的弹性波信号,采用声发射技术对尾矿砂介质的渗流状态进行监测。由800,1 100,1 400 mm 3种不同水头高度（流速）下的水流分别渗入0.1~0.25,0.25~0.5,0.5~1 mm以及混合粒径的尾矿砂介质中,模拟尾矿坝渗流,监测渗流过程的AE信号,分析液面上升、不同粒径尾矿砂颗粒以及不同流速下的渗流AE信号特征。结果表明:在试验所选用的几组粒径中,流速相同时,粒径较大的尾矿砂渗流产生的AE事件数量多、幅值大,即粒径越大,尾矿砂渗流过程的AE信号越强;同一粒径下,流速越小,渗流产生的AE信号幅值越小,AE事件数越少,即流速越小,尾矿砂渗流过程的AE信号越弱;液面上升过程中,在液面位置处产生的AE信号最强,且AE信号随液面位置与传感器距离而变化,越接近传感器AE信号越强,这表明AE技术能够较为准确地监测渗流过程中液面上升。研究结果可为尾矿坝渗流监测提供理论与技术支持。     

高应力条件下尾矿破碎特性及坝体稳定性研究*

高应力条件下尾矿破碎特性与坝体稳定性研究是高尾矿坝避免溃坝事故的重要参考。分析尾矿颗粒破碎过程中级配曲线的演化规律,提出采用BET测试颗粒比表面积以定量化表征颗粒破碎指标;在室内高应力三轴试验的基础上,阐述高应力条件下尾矿的力学行为,提出高应力条件下尾矿强度准则,并基于该准则对工程实例进行应用分析。结果表明:相比于常用破碎指标,从能量观点出发的BET法比表面积表征尾矿颗粒破碎更为合理;采用线性Mohr-Coulomb准则计算尾矿在低应力阶段的内摩擦角,采用幂函数Mohr强度准则计算尾矿在高应力阶段的内摩擦角;提出1套考虑高应力条件下尾矿强度折减的坝体稳定性分析方法,以供实际工程参考。     

Filterability of oil sands tailings

In Canadian oil sands mining operations, bitumen is extracted from oil sands using the hot water extraction process, which produces tremendous amounts of tailings. Currently, these tailings are disposed of in large ponds, in which coarse particles settle out relatively quickly and fine particles remain suspended in water and settle very slowly. After years of settling, the fine particles form a stable suspension in water known as mature fine tailings (MFTs). Long-term storage of the MFT is costly and poses a major environmental liability.Oil sands companies are now actively investigating different approaches to replace or reduce the use of oil sands tailings ponds. Filtration of the tailings to produce “dry tailings” for stacking is now being investigated as an alternative by a number of companies. Fast water drainage is a critical step for the filtration process. In this paper, we use simple laboratory-scale filtration tests to evaluate the filterability of the oil sands tailings and to generate a parameter that can be used in filtration scale-up. It was found that the filterability of the original coarse oil sands tailings was relatively low. However, after the fines are flocculated with the coarse particles to form uniform flocs the filterability was improved by several orders of magnitude. The results demonstrate that filtration of the flocculated coarse tailings to produce the “dry” stackable tailings may be viable.     

连接结构尺寸对三通管冲蚀磨损影响的数值模拟

针对石油管道运输系统中三通管的冲蚀磨损问题,采用DPM冲蚀预测模型,模拟分析了油品中夹带的固体颗粒对连接结构尺寸不同的三通管的冲蚀磨损情况,得出了颗粒对三通管冲蚀的分布规律。结果表明:T型三通管的冲蚀主要集中在与竖直管道正对的水平管道底部及其附近的外侧管壁,有球体弯头的三通管的冲蚀主要集中在球体附近水平管道的外侧管壁,且冲蚀磨损程度相对较小;随着流体流入速度的增大,2种三通管的最大冲蚀率随之增大且呈指数增长;随着颗粒质量流量的增大,2种三通管的最大冲蚀率均随之增大;当流体在2种不同的三通管中流动时,管道系统的最大冲蚀率的曲线变化趋势基本一致,均为先减小再增大;当管道弯头处球体的直径为管道直径的2倍时,管道的冲蚀速率最小,颗粒对于管道的冲蚀磨损程度最轻。     

Experimental study on the mechanism effect of seepage on microstructure of tailings

The deformation of microstructure of tailings caused by seepage is the main factor that leads the tailings dam to be damaged and lose stability. The effect of seepage on microstructure of tailings has been studied by a self-made observation testing apparatus of micro-mechanics and deformation of tailings, and its mechanism also has been explained in mechanics of particulate matter. The results show that the deformation response to microstructure of tailings is fast under load. The settlement of sample increases stepwise. Firstly, the fine particles crumble, then skeleton particles move, so as to noticeable settlement. Because the loose particles migrate taken by seepage water, the upper pores become bigger and lower pores become smaller. The relation of seepage water and settlement changing with time could be divided into two stages. In each stage, the rates of seepage and settlement reduce with time, and between the two stages, the rate of settlement increases significantly and the rate of seepage reduces with time. The seepage has significant effect on the particle size distribution of tailings in different depths, which has a little effect on the coarse tailings; the proportion of fine tailings increases significantly with the depth increasing; the minimum particle size decreases gradually and median diameter reduces stepwise with the depth increasing.     

弯管与盲通管冲蚀磨损对比分析研究

为了研究石油管道流向急剧改变处的冲蚀磨损问题,采用DPM模型,通过改变入口流速、颗粒质量流速、颗粒直径,对90°弯管与盲通管的流场分布及冲蚀情况进行数值模拟。结果表明:弯管与盲通管最大冲蚀速率随入口流速的增大呈指数增长,随颗粒质量流速的增大呈线性增长;在50~100 μm粒径范围内,最大冲蚀速率随粒径的增加逐渐减小,在100~300 μm粒径范围内,随粒径的增加而增大;在入口流速、颗粒质量流速、颗粒直径相同的条件下,弯管最大冲蚀速率明显高于盲通管最大冲蚀速率,盲通管的耐蚀性更强;由于流体在盲通管产生涡旋现象,增加了颗粒能量的耗散,从而减小了进入下游管线颗粒的速率,使得颗粒更易积存于盲通段形成堆积层,减小了下游管段冲蚀速率。     

“头顶库”风险量化分析模型研究及实例应用

为了对天然气长输管道等设施穿越尾矿库下游形成的“头顶库”风险进行量化分析,基于假定和边界条件构建了尾矿库溃坝风险分析模型,并通过引入计算公式构建了尾矿库溃坝风险量化分析模型,提取了冲击波超压和爆破地震烈度法计算公式来量化分析管道爆炸对尾矿库影响效应。以福建龙岩某尾矿库“头顶库”为例,研究了该尾矿库溃坝后冲击力是否会造成管道断裂;模拟了爆炸对人员影响的范围;进而分析了管道完全破裂后爆炸造成的冲击波和爆炸振动对尾矿库的影响。研究结果表明:在500 a一遇的洪水条件下,尾矿库溃坝下泄的泥砂流对该穿越管道造成的冲击力不会造成管道断裂;管道泄漏10 min的爆炸情形产生的爆炸冲击波对尾矿库坝体结构没有影响,产生的等效爆炸地震烈度大于尾矿库的抗震设防烈度6度。可为同类实例提供工程理论方法。