CN111199123A - 一种高浓度全尾砂浓密工艺仿真优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高浓度全尾砂浓密工艺仿真优化方法，属于矿山充填技术领域，该方法包括以下步骤：1)初步确定高浓度全尾砂浓密工艺；2)建立浓密机物理模型；3)仿真参数标定；4)浓密过程仿真运行；5)仿真结果分析评价；6)浓密工艺优化与确定。采用本方法可以对浓密装置进行全尺寸建模，然后结合浓密机动态运行参数，通过离散元与光滑颗粒流体力学耦合(Coupling of DEM‑SPH)，进行仿真运行，对仿真结果进行分析评价，精准优化高浓度尾砂浓密工艺，各项指标满足高效、环保、经济的要求，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

一种高浓度全尾砂浓密工艺仿真优化方法

技术领域

本发明属于矿山充填技术领域，具体涉及一种高浓度全尾砂浓密工艺仿真优化方法。

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。选厂尾砂输送至充填站时，尾砂初始质量浓度一般较低，需要浓密脱水，获得高浓度底流，同时溢流水澄清满足排放或循环使用要求。因此，尾砂浓密是整个充填***的核心环节。

尾砂浓密工艺是个复杂的动态过程，浓密效果受多因素共同作用影响，当前应用最为广泛的研究方法是静态沉降试验和动态絮凝沉降试验。前者对试验过程进行了很大的简化，忽略了以深锥浓密机为代表的动态浓密装备耙架转动对压缩层床扰动脱水的影响；后者试验装置虽在结构形式上与工业级浓密机相似，但模型的缩放比例并不严格符合相似模拟原则，并不能满足差异化浓密机结构尺寸条件下尾砂浓密效果的相似模拟。通过试验建立的沉降数学模型通常能一定程度地反映尾砂粒径级配对其沉降特性的影响，但很难获得准确的浓密底流定量化参数，因此试验结果往往对设计的指导意义不大，不能作为设计的有效依据，最终可能造成***建成后尾砂物料性质与浓密设备的匹配性差，需要耗费长时间、高成本进行***调试，不利于矿山企业提高管控水平和生产效率、降低生产成本和事故风险。

针对全尾砂浓密工艺，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。在尾砂浓密方面，研究人员针对低浓度物料的浓密机做过入料井局部结构优化的仿真模拟，将尾砂浆液中的固体颗粒和液体统一视为单一连续介质，不考虑颗粒的沉降特性。但基于高浓度尾砂浓密全过程，同时考虑固体颗粒-颗粒摩擦、固体颗粒-壁面摩擦、固体颗粒滚动摩擦等尾砂颗粒运动行为特征，以及浓相体系下固液分离的两相流耦合计算，通过浓密底流浓度和溢流水含固量对浓密效果进行表征，从而对浓密机工艺参数进行优化，目前尚未见相关研究报导。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高浓度全尾砂浓密工艺仿真优化方法，以对浓密工艺进行精准优化，科学指导***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全尾砂浓密工艺仿真优化方法，包括以下步骤：

步骤S1.初步确定浓密工艺：根据充填***生产能力、日平均尾砂处理量、以及基础实验确定的絮凝剂添加量、尾砂沉降固体通量等数据，初步确定尾砂浓密工艺条件，对浓密机关键尺寸进行计算、初步选型；

步骤S2.物理模型建立：根据计算得到的浓密机关键尺寸，以及工业浓密机实体装备结构，建立浓密机物理模型；

步骤S3.仿真参数标定：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.浓密过程仿真运行：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，开始对尾砂沉降过程的模拟仿真；

步骤S5.仿真结果分析评价：根据浓密机仿真运行结果，分析浓密机底流质量浓度，上层溢流水含固量，评价尾砂浓密效果，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浓密工艺的参数；

步骤S6.浓密工艺优化与确定：若仿真结果不满足设计要求，则可通过改变浓密机结构尺寸参数，再次进行仿真模拟，直至结果满足设计要求，完成浓密工艺的优化。

优选的方案，步骤S2中，所述的浓密机物理模型为三维物理模型，为了提高后续的流场解算效率，可对不影响尾砂沉降过程的结构进行适当地模型简化。

优选的方案，步骤S3中，所述的流变仪实验采用实验室旋转流变仪进行测试。

优选的方案，步骤S3中，所述的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。

优选的方案，步骤S4中，所述的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。

优选的方案，步骤S4中，所述的仿真初步条件包括入料流量和耙架运行转速。

优选的方案，步骤S4中，所述的离散元方法，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＝F_n+F_t (I)

F＝(k_nδn_ij-γ_nvn_ij)+(k_tδt_ij-γ_tvt_ij) (2)

式中：

F表示颗粒间接触力；

F_n表示法向接触力；

F_t表示切向接触力；

k_n表示法向接触弹性常数；

δn_ij表示法向的颗粒接触重叠面积；

γ_n表示法向接触的弹塑性阻尼常数；

vn_ij表示法向的相对速度；

k_t表示切向接触弹性常数；

δt_ij表示切向的颗粒接触重叠面积；

γ_t表示切向接触的弹塑性阻尼常数；

vt_ij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：

其中：

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，δ_n是静摩擦系数，μ_r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。

优选的方案，步骤S4中，所述光滑颗粒流体力学(SPH)的连续性方程为：

其中，ρ_a是颗粒a的密度，v_a是颗粒a的速度，m_b是颗粒b的质量，v_b是颗粒b的速度，▽W_ab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：

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，v_ab是粒子a和b之间的相对速度，r_ab是粒子b到粒子a的相对位置矢量，η是避免r_ab＝0的奇点系数。

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：

其中：

式中，C_d是粒子受到的阻力系数，ρ是流体密度，u_r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

其中r是颗粒的球面半径，μ是流体的动力粘度。

本发明的原理：本发明一种高浓度全尾砂浓密工艺仿真优化方法，可以模拟尾砂在浓密机内沉降的完整运移行为，准确获取尾砂浓密后的底流浓度和溢流水含固量等关键参数，同时还可获得尾砂入料速度、浓密机结构尺寸等因素对尾砂浓密效果的影响规律，以及定量化的参数表征，通过在计算机上进行多次“工业化试验”，最终可以基于尾砂物料基本性质对其浓密工艺进行精准优化，科学指导***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：与现有的尾砂浓密工艺研究相比，本发明采用模拟仿真的方式，对浓密装置进行全尺寸建模，然后结合浓密机动态运行参数，通过流体模拟软件进行仿真运行，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浓密工艺，各项指标满足高效、环保、经济的要求，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为本发明的实施例流程示意图。

图2为本发明的实施例中的浓密机物理模型。

图3为本发明的实施例中流体仿真参数标定流程图。

图4为本发明的实施例中浓密机内料浆料质量浓度分布示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明实施例一种高浓度全尾砂浓密工艺仿真优化方法，包括以下步骤：

步骤S1.初步确定高浓度尾砂浓密工艺。某矿山生产能力400万吨/年，全尾砂-200目颗粒占比83％，-800目颗粒占比42％，属于超细全尾砂。选厂尾砂进入充填***浓密机的料浆质量浓度为27％，流量1000m³/h，通过小型相似试验确定初始质量浓度为15％，絮凝剂添加量为20g/t时尾砂沉降效率最高，尾砂沉降固体通量为0.65t/h/m²，浓密机初步计算选型为直径26m，边墙高度5m；

步骤S2.建立浓密机物理模型。根据计算得到的浓密机关键尺寸，以及工业浓密机实体装备结构，建立三维物理模型，如图2所示，为提高后续的模型解算效率，模型取消浓密机外部梯架；

步骤S3.仿真参数标定，标定流程如图3。采用流变仪测试初始浓度条件下尾砂的流变参数，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4Pa、流动连续性系数11.6，实现尾砂浆液在沉降过程中的仿真参数标定；

步骤S4.浓密过程仿真运行。设置进料固体颗粒密度2700kg/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，即入料流量为1000m³/h，耙架转速0.2RPM；启动DEM-SPH进行耦合计算，开始对尾砂沉降过程的模拟仿真，如图4所示；

步骤S5.仿真结果分析评价。根据浓密机仿真运行结果可知，浓密机底流质量浓度为66.5％，溢流水含固量为0.004％，即65ppm，满足工艺要求。然而，更小规格浓密机将具有更好的经济性，浓密机尺寸是否还有优化空间需要进一步考察；

步骤S6.浓密工艺优化。根据仿真结果，分别建立直径为30m、26m、24m、20m、18m，直墙高度均为8m的浓密机模型，依照上述步骤进行仿真运行，浓密底流浓度和溢流水含固量参数见表1。经综合比较分析，直径为20m的浓密机能够同时满足底流浓度较高(要求高于66％)和溢流水含固量较低(要求低于200ppm)，确定为最优浓密机尺寸。至此，浓密机工艺参数优化结束。

通过以上基于全尺寸浓密装备的工艺过程仿真，进行数字化“工业试验”，在满足浓密机底流浓度、溢流水含固量符合要求的前提下，获得了浓密机最佳尺寸参数，提高了物料与装备的匹配性，大大缩短了***调试周期，节省了投资和处理成本，为充填***高效浓密精准控制提供了有效依据。

表1

序号	浓密机直径(m)	底流浓度(％)	溢流水含固量(ppm)
				1	30	66.8	40
2	26	66.5	65
				3	24	66.4	88
4	20	66.3	120
				5	18	64.1	268

实施例所述某矿山通过安装调试直径为20m的深锥浓密机，实际使用效果良好，底流浓度基本稳定在66％～67％，溢流水含固量控制在200ppm以内。

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 (9)

1.一种高浓度全尾砂浓密工艺仿真优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1.初步确定浓密工艺：根据充填***生产能力、日平均尾砂处理量、以及基础实验确定的絮凝剂添加量、尾砂沉降固体通量等数据，初步确定尾砂浓密工艺条件，对浓密机关键尺寸进行计算、初步选型；

步骤S2.物理模型建立：根据计算得到的浓密机关键尺寸，以及工业浓密机实体装备结构，建立浓密机物理模型；

步骤S3.仿真参数标定：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.浓密过程仿真运行：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，开始对尾砂沉降过程的模拟仿真；

步骤S5.仿真结果分析评价：根据浓密机仿真运行结果，分析浓密机底流质量浓度，上层溢流水含固量，评价尾砂浓密效果，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浓密工艺的参数；

步骤S6.浓密工艺优化与确定：若仿真结果不满足设计要求，则可通过改变浓密机结构尺寸参数，再次进行仿真模拟，直至结果满足设计要求，完成浓密工艺的优化。

2.如权利要求1所述的高浓度全尾砂浓密工艺仿真优化方法，其特征在于，步骤S2中，所述的浓密机物理模型为三维物理模型。

3.如权利要求1所述的高浓度全尾砂浓密工艺仿真优化方法，其特征在于，步骤S3中，所述的流变仪实验采用实验室旋转流变仪进行测试。

4.如权利要求1所述的高浓度全尾砂浓密工艺仿真优化方法，其特征在于，步骤S3中，所述的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所述的高浓度全尾砂浓密工艺仿真优化方法，其特征在于，步骤S4中，所述的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。

6.如权利要求1所述的高浓度全尾砂浓密工艺仿真优化方法，其特征在于，步骤S4中，所述的仿真初步条件包括入料流量和耙架运行转速。

7.如权利要求1所述的高浓度全尾砂浓密工艺仿真优化方法，其特征在于，步骤S4中，所述的离散元方法，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＝F_n+F_t (1)

F＝(k_nδn_ij-γ_nv_ij)+(k_tδt_ij-γ_tvt_ij) (2)

式中：

F表示颗粒间接触力；

F_n表示法向接触力；

F_t表示切向接触力；

k_n表示法向接触弹性常数；

δn_ij表示法向的颗粒接触重叠面积；

γ_n表示法向接触的弹塑性阻尼常数；

vn_ij表示法向的相对速度；

k_t表示切向接触弹性常数；

δt_ij表示切向的颗粒接触重叠面积；

γ_t表示切向接触的弹塑性阻尼常数；

vt_ij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：

其中：

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，δ_n是静摩擦系数，μ_r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。

8.如权利要求1所述的高浓度全尾砂浓密工艺仿真优化方法，其特征在于，步骤S4中，所述光滑颗粒流体力学(SPH)的连续性方程为：

其中，ρ_a是颗粒a的密度，v_a是颗粒a的速度，m_b是颗粒b的质量，v_b是颗粒b的速度，

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：

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，v_ab是粒子a和b之间的相对速度，r_ab是粒子b到粒子a的相对位置矢量，η是避免r_ab＝0的奇点系数。

9.如权利要求1所述的高浓度全尾砂浓密工艺仿真优化方法，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：

其中：

式中，C_d是粒子受到的阻力系数，ρ是流体密度，u_r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

其中r是颗粒的球面半径，μ是流体的动力粘度。

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