客户案例 | Ansys Fluent 在煤矸石浆体充填技术中的应用

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本文刊于Ansys.com：《Ansys Fluent 在煤矸石浆体充填技术中的应用》

矸石浆体充填技术的基本原理是：在地面将煤炭生产和利用过程中产生的煤矸石、粉煤灰等固体废弃物破碎或研磨并制成浆体，再利用长距离浆体管道输送技术将其输送至采空区附近，最后通过注浆方式充填煤炭开采覆岩垮落后的残余空间，从而实现固体废弃物处置、减少环境污染并降低环境损害。

由于输送距离最长可达3公里，矸石颗粒在输送过程中会产生不同程度的沉降。浆体黏度配比、研磨后矸石的粒径级配以及泵送压力等因素，均可能造成不同的输送结果。通常这些参数的确定会在实验室采用缩小比例法进行实验模拟，很难真实反应实际应用场景。

通过引入 Ansys CFD 仿真工具，可以对煤矸石浆体输送的实际场景进行仿真评估。借助多相流模型设置不同粒径矸石颗粒与浆体之间的相互作用，从而评估煤矸石的颗粒级配、浆体配制和泵送压力等参数对输送过程中颗粒沉降的影响，帮助工程师判断输送状况并指导工程实践。

• 实际输送距离长达数公里，而实验只能采用比例缩小进行评估，无法反映真实场景的工况。

• 团队希望使用 Ansys Fluent，在实际现场尺度下对煤矸石浆体充填进行仿真。通过设置多相流模型来定义不同粒径矸石颗粒与浆体之间的相互作用，评估颗粒粒径分布、浆体配制和泵送压力，为工程实践提供指导。

• 不同曳力模型对仿真结果有显著影响，找到与实际工况最相符的模型至关重要。

• 团队希望通过一次设置即可自动改变不同工程参数并仿真相应结果，无需反复手动配置，从而避免重复劳动。

• Ansys SpaceClaim® 三维计算机辅助设计（CAD）建模软件

• Ansys Fluent® 流体仿真软件

• Ansys optiSLang® 流程集成与设计优化软件

Ansys optiSLang 自动参数化仿真

• Ansys SpaceClaim：快速完成输送管道和充填区域建模，并利用 SpaceClaim Meshing 的雕塑式网格生成技术（类似 ICEM 切块划分方法）生成纯六面体结构化网格。

• Ansys Fluent：采用欧拉-欧拉多相流模型，模拟3种颗粒流与连续相之间的相互作用。

• Ansys Fluent：利用丰富的曳力模型模拟连续相对颗粒的驱动，获得最符合实际的流动和沉降状态。

• Ansys Fluent：通过快速可视化后处理，获得不同运行参数下的沉降分布。

• Ansys optiSLang：对泵送压力、管道直径、流速等进行参数化仿真，成功消除重复性人工操作。

Ansys Fluent 仿真的直径75 μm煤矸石颗粒在30 m管道长度方向不同截面上的体积分数分布

Ansys Fluent 仿真的直径500 μm煤矸石颗粒在30 m管道长度方向不同截面上的体积分数分布

1.25 mm颗粒在矩形煤矿采空区长度方向各截面上的体积分数分布。第一张图显示最靠近采空区前端入口区域的截面。

团队创新性地将 CFD 仿真工具 Ansys Fluent 应用于煤矸石浆体充填技术，仿真并比较不同浆体黏度、不同曳力模型（如 Schiller-Naumann 和 Gidaspow）以及不同虚质量力对颗粒输送与充填的影响。最终确定了符合实际工程工况的多相流模型及参数，进而明确充填颗粒配比和工程输送参数，并应用于张家峁煤矿充填项目。

团队通过仿真方法确定充填颗粒配比与工程输送参数，并以张家峁煤矿空间小、设备密集且需要大能力浆体充填的运营条件为工程背景，研发并设计了地面制浆、管道输送、井下充填和智能控制等不同系统的布局。年充填矸石量可达55.4万吨，建成煤矸石浆体充填工程示范，形成了良好的地区示范效应。

中煤能源研究院定位为煤炭行业工程技术研发与科技成果转化平台，聚焦煤矿安全开采、绿色低碳技术和智能矿山建设等领域，拥有7个专业研究所、4个研究中心以及6个功能实验室和监测中心。

在矿井水害防治领域，其自主研发的“覆岩破断释能-释水耦合效应”技术，将采场涌水量预测误差控制在15%以内，并使矿井排水费用降低40%；冲击地压防治技术采用机械扩孔卸压，使蒙陕地区矿井连续6年保持“零冲击”纪录；矸石充填技术突破管道输送瓶颈，将浆体输送距离延长至3公里以上，充填效率提升60%。研究院累计获得省部级科学技术奖50项、中国中煤科技进步奖22项。