一种充填管道仿真模型的流变参数修正系数的获得方法

摘要

本发明公开了一种充填管道仿真模型的流变参数修正系数的获得方法，记录测点坐标、充填管道压力、充填料浆质量浓度、密度和流量，计算充填管道阻力损失；开展充填料浆流变试验，获得充填料浆密度、屈服应力和粘度，建立屈服应力和粘度的回归模型，建立充填料浆流变参数约束模型，计算现场工况充填料浆流变系数，确定现场工况充填料浆流变模型；建立充填管道输送仿真，定义充填料浆屈服应力和粘度修正系数，开展充填料浆管道输送仿真，建立充填料浆阻力损失模型；建立充填料浆管道输送阻力损失误差模型，建立流变参数修正系数约束模型，定义误差判定条件，获得充填管道仿真流变参数修正系数，对仿真模型进行修正和优化，从而提高仿真模型的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及矿山充填管道输送技术领域，尤其涉及一种充填管道仿真模型的流变参数修正系数的获得方法。

背景技术

矿山充填以尾矿等固废和胶固剂为原材料制备充填料浆，搅拌均匀后通过充填管道输送至井下采空区，保障井下采矿作业的安全，防止地表塌陷，是充填采矿法的核心工艺。由于开采深度的增加，充填管道随之延伸，充填料浆在输送过程中面临流速快、管压大以及管壁磨损高等诸多问题，致使充填管道堵管爆管事故频发，严重影响充填系统的稳定运行。

为了解决以上问题，矿业科技工作者积极开展针对充填料浆管道输送的研究。目前主流的研究手段以相似物理试验和仿真模拟为主，其中充填环管相似试验模型尺寸小、试验成本高、试验周期长、试验结果不具代表性，研究结果存在很大的局限性和片面性；仿真模拟可建立全尺寸充填管道，开展多因素试验方案，经济高效，是充填料浆管道输送研究的趋势，但目前也存在仿真模拟结果与实际工况偏差大等问题，其主要原因在于现阶段充填料浆流变模型的都属于半经验公式，不能很精准的表征输送过程中的充填料浆流变性，如现有技术中的水力充填环管试验仿真系统(CN101329322)，该试验仿真系统能够模拟地进行水力充填环管试验，从而替代在采矿中必须实地进行的水力充填环管试验，相对于实际的水力充填试验，具有速度更快成本更低的优势，但该系统也属于半经验公式，没有对流变参数进行修正和优化。

另外充填管道仿真所应用模型为bingham流变模型

发明内容

本发明的目的在于提出了充填管道仿真模型的流变参数修正系数的获取方法，以根据获取的流变参数修正系数，对充填管道仿真模型进行修正和优化，从而提高仿真模型的可靠性，增加充填管道仿真模拟的可应用性。

基于上述目的，本发明提供技术方案如下：

一种充填管道仿真模型的流变参数修正系数的获得方法，包括以下步骤：

S1:在充填管道布置若干测点，记录测点坐标，充填管道压力，充填料浆质量浓度、密度和流量；根据测点坐标计算相邻测点充填管道的长度，根据充填管道压力计算出相邻测点充填管道的压差，计算所述压差和所述长度的比值得到充填管道阻力损失；

S2：开展充填料浆流变试验，获得充填料浆质量浓度、密度、屈服应力和粘度，分别建立屈服应力的回归模型、粘度的回归模型、充填料浆流变参数约束模型，根据测点的充填料浆质量浓度、密度及屈服应力和粘度的回归模型计算出现场工况充填料浆流变系数，根据现场工况充填料浆流变系数确定现场工况充填料浆流变模型；

S3：根据测点的充填料浆质量浓度、密度、流量、压力定义出充填料浆屈服应力修正系数和粘度修正系数，根据充填料浆屈服应力修正系数和粘度修正系数建立充填管道输送仿真模型，开展充填料浆管道输送仿真模拟试验，建立充填料浆阻力损失模型；

S4：建立充填料浆管道输送阻力损失误差模型，根据充填料浆流变参数约束模型建立流变参数修正系数约束模型，定义误差判定条件，计算充填管道仿真模型流变参数修正系数。

先采集测点的数据，计算出充填管道阻力损失，分别开展现场流变试验和仿真试验，建立充填料浆管道输送阻力损失误差模型，根据充填料浆流变参数约束模型建立流变参数修正系数约束模型，定义误差判定条件，计算充填管道仿真模型流变参数修正系数，再根据获取的流变参数修正系数，对充填管道仿真模型进行修正和优化，从而提高仿真模型的可靠性，增加充填管道仿真模拟的可应用性。

其中现阶段充填浆体流变特性的测试手段和方法主要有流变仪、L管试验和环管试验三种方法，均为现有技术，考虑试验的可操作性和便利性，本技术方案中采用流变仪。

三种试验的具体方法可参考文献：

[1]陈健中.用旋转叶片式流变仪测定新拌混凝土的流变性能[J].上海建材学院学报,1992(03):164-173；

[2]杜加法,刘晓光,王京生,侯晨,朱兆文.基于L管实验的全尾砂膏体流变特性研究[J].金属矿山,2020(08):20-24.DOI:10.19614/j.cnki.jsks.202008004；

[3]郑伯坤,姚维,黄腾龙,张凌云,尹旭岩.基于环管试验的改性全尾砂充填料浆输送性能[J].中国有色金属学报,2021,31(02):520-529。

其中仿真模型可采用现有的bingham流变模型，bingham流变模型的参考文献如下：

[4]周杨.基于宾汉姆模型用L-箱测试与反演自密实混凝土流变参数.《南华大学》，2014。

作为进一步的方案，所述步骤S1中的充填管道阻力损失的获得具体步骤如下：

S11：在充填管道布置若干测点，记录测点坐标(x

S12：记录充填管道若干测点处的管道压力P

S13：测算相邻两个测点充填管道阻力损失I

计算出来的是平均充填管道阻力损失，平均值可以相对减少误差。

作为进一步的方案，所述步骤S2具体包括以下子步骤：

S21：以充填料浆质量浓度和灰砂比为影响因子，设计试验方案，开展流变试验，获得充填料浆密度ρ、屈服应力τ

S22：建立充填料浆屈服应力回归模型

S23：建立充填料浆粘度回归模型μ＝f

S24：建立充填料浆流变参数约束模型μ＝g(τ

S25：计算现场工况充填料浆的屈服应力τ

其中C为充填料浆质量浓度，C0为测点的充填料浆质量浓度，ρ为充填料浆的密度，ρ

作为一种优选的方案，步骤S3中还包括根据平均浓度

记录各个测点处的充填料浆质量浓度C

根据平均浓度

作为进一步的方案，所述步骤S3具体包括以下子步骤：

S31：建立充填管道仿真模型，确定充填管道长度L

S32：根据仿真模型的屈服应力与现场工况充填料浆的屈服应力之比定义充填料浆屈服应力修正系数

S33：以屈服应力修正系数

S34：建立阻力损失模型

现场流变试验和仿真流变试验双方面进行，但现场流变试验是仿真试验的基础。

作为进一步的方案，所述充填管道长度L

作为进一步的方案，所述步骤S4具体包括以下子步骤：

S41：建立充填料浆管道输送阻力损失误差模型

S42：基于充填料浆流变参数约束模型μ＝g(τ

S43：建立误差判定条件|E|≤E

S44：基于阻力损失误差模型和误差判定条件，计算得K

S45：生成粘度修正系数K

S46：求解得粘度修正系数

作为一种优选的方案，所述随机数是基于rand函数生成的，所述rand函数为：K

本发明所实现的有益效果：

本发明通过建立流变参数修正系数，提高充填料浆流变模型的可靠性，增加充填管道仿真模拟的可应用性；本发明技术方案中，研究手段以数值模拟结合室内小型试验为主，大幅度降低工业试验开展的需求，降低了充填料浆管道输送研究的成本和时间，并提高了研究效率和质量。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2是本发明的现场数据采集与计算流程图；

图3是本发明的流变试验流程图；

图4是本发明的仿真试验流程图；

图5是本发明的流变参数计算方法流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

在本实施例中，某矿山充填系统能力为80m

本实施例中，如图1所示的是一种充填管道仿真模型的流变参数修正系数的获得方法流程图，首先在充填管道布置若干测点，记录测点坐标，充填管道压力，充填料浆质量浓度、密度和流量；根据测点坐标计算相邻测点充填管道的长度，根据充填管道压力计算出相邻测点充填管道的压差，计算所述压差和所述长度的比值得到充填管道阻力损失；然后开展充填料浆流变试验，获得充填料浆质量浓度、密度、屈服应力和粘度，分别建立屈服应力的回归模型、粘度的回归模型、充填料浆流变参数约束模型，根据测点的充填料浆质量浓度、密度及屈服应力和粘度的回归模型计算出现场工况充填料浆流变系数，根据现场工况充填料浆流变系数确定现场工况充填料浆流变模型；接着根据测点的充填料浆质量浓度、密度、流量、压力定义出充填料浆屈服应力修正系数和粘度修正系数，根据充填料浆屈服应力修正系数和粘度修正系数建立充填管道输送仿真模型，开展充填料浆管道输送仿真模拟试验，建立充填料浆阻力损失模型；最后建立充填料浆管道输送阻力损失误差模型，根据充填料浆流变参数约束模型建立流变参数修正系数约束模型，定义误差判定条件，计算充填管道仿真模型流变参数修正系数。

如图2所示的是现场数据采集与计算流程图，在充填管道布置若干测点，记录测点坐标，充填管道压力，充填料浆质量浓度、密度和流量，并根据测点坐标计算相邻测点充填管道的长度，根据充填管道压力计算出相邻测点充填管道的压差，计算所述压差和所述长度的比值得到充填管道阻力损失，充填管道阻力损失的获得具体步骤是先在充填管道布置若干测点，记录测点坐标(x

图3所示的是流变试验流程图，首先以充填料浆质量浓度和灰砂比为影响因子，设计试验方案，开展流变试验，获得充填料浆密度ρ、屈服应力τ

现阶段充填浆体流变特性的测试手段和方法主要有流变仪、L管试验和环管试验三种方法，均为现有技术，三种试验的具体方法可参考文献：

[1]陈健中.用旋转叶片式流变仪测定新拌混凝土的流变性能[J].上海建材学院学报,1992(03):164-173；

[2]杜加法,刘晓光,王京生,侯晨,朱兆文.基于L管实验的全尾砂膏体流变特性研究[J].金属矿山,2020(08):20-24.DOI:10.19614/j.cnki.jsks.202008004；

[3]郑伯坤,姚维,黄腾龙,张凌云,尹旭岩.基于环管试验的改性全尾砂充填料浆输送性能[J].中国有色金属学报,2021,31(02):520-529。

考虑试验的可操作性和便利性，本实施例采用流变仪。

如图4所示的是仿真试验流程图，包括的具体过程是先建立充填管道仿真模型，确定充填管道长度L

图5所示的是流变参数计算方法流程图，流变参数计算方法是基于前面步骤的基础上，先建立充填料浆管道输送阻力损失误差模型

下面具体描述本发明的一种充填管道仿真模型的流变参数修正系数的获得方法的具体实施例，如图1～5，包括以下步骤：

1：在充填管道布置6个测点，记录测点坐标，充填管道直径和压力，充填料浆属性浓度、密度和流量，并计算其平均值，测量结果如表1所示。

表1测量结果表

平均压力计算：

平均质量浓度计算：

平均密度计算：

平均流量计算：

相邻测点充填管道长度计算：

相邻测点充填管道压差计算：

ΔP

ΔP

ΔP

ΔP

ΔP

充填管道阻力损失计算：

I

I

I

I

I

计算结果统计如表2所示：

表2计算结果表

2：开展充填料浆流变试验，获得充填料浆密度、屈服应力和粘度，建立屈服应力和粘度的回归模型；

(1)以充填料浆质量浓度和灰砂比为影响因子，开展流变试验，获得充填料浆密度、屈服应力和粘度，试验结果见表3：

表3流变实验结果

(2)应用matlab数学软件，输入浓度、密度和屈服应力的试验结果，建立充填料浆屈服应力回归模型τ

具体命令如下：

C＝[74 74 74 74 76 76 76 76 78 78 78 78 80 80 80 80]'；

ρ＝[1.919 1.914 1.911 1.909 1.968 1.962 1.959 1.957 2.02 2.013 2.012.008 2.074 2.067 2.0632.061]'；

τ

X＝[ones(size(τ

[b,bint,r,rint,stats]＝regress(τ

b(1:5)。

(3)应用matlab数学软件，输入浓度、密度和粘度的试验结果，建立充填料浆粘度回归模型μ＝9.763ρ-0.1519C-7.271；

具体命令如下：

C＝[74 74 74 74 76 76 76 76 78 78 78 78 80 80 80 80]'；

ρ＝[1.919 1.914 1.911 1.909 1.968 1.962 1.959 1.957 2.02 2.013 2.012.008 2.074 2.067 2.0632.061]'；

μ＝[0.213 0.198 0.218 0.196 0.321 0.313 0.289 0.297 0.513 0.439 0.4640.417 0.894 0.806 0.7970.714]'；

X＝[ones(size(μ)),C.^2,ρ.^2,C,ρ,C.*ρ]；

[b,bint,r,rint,stats]＝regress(μ,X)；

b(1:5)。

(4)应用matlab数学软件，输入屈服应力和粘度的试验结果，建立充填料浆流变参数约束模型μ＝0.0037τ

具体命令如下：

τ

μ＝[0.213 0.198 0.218 0.196 0.321 0.313 0.289 0.297 0.513 0.439 0.4640.417 0.894 0.806 0.797 0.714]’；

p＝polyfit(μ,τ

poly2str(p,'μ')。

(5)将现场实测获得的充填料浆平均密度

将现场实测获得的充填料浆平均密度

进一步确定现场工况充填料浆的流变模型为

3：开展充填料浆管道输送仿真，建立充填料浆阻力损失模型：

(1)建立充填管道输送仿真模型，确定充填管道长度为

(2)定义充填料浆屈服应力修正系数为

(3)以

表4仿真结果

(4)应用matlab数学软件，输入仿真结果，建立阻力损失模型

具体命令如下：

K

I

[b,bint,r,rint,stats]＝regress(I

b(1:5)。

4：确定充填管道仿真模型的流变参数修正系数：

(1)建立充填料浆管道输送阻力损失误差模型

(2)联立充填料浆流变参数约束模型μ＝0.0037τ

(3)建立误差判定条件|E|≤10％，并联立

(4)基于rand函数生成K

具体命令如下：

K

(5)解得

本实施例提出屈服应力修正系数

最后需要说明的是，上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。