基于粒子追踪法的胶结尾砂充填料管道输送动态分区阻力损失模型构建与可视化分析

为解决胶结尾砂充填料(CTB)管道输送中易发生堵管爆管等问题，研究人员结合粒子追踪法开展数值模拟研究，实现了CTB流动粒子可视化分析，建立了动态分区阻力损失计算模型（误差3.32%-10.60%），揭示了质量浓度(MC)、灰砂比(C/T)和浆体温度(ST)对流动特性的影响规律，为矿山安全输送提供新思路。

　　

矿山充填作业中，胶结尾砂充填料（Cemented Tailings Backfill, CTB）的管道输送如同人体的"血管运输系统"，其顺畅程度直接关系到矿山安全生产。然而高浊度的CTB在输送过程中常出现"血栓"般的堵管、"血管破裂"般的爆管现象，传统实验方法难以观测内部粒子运动轨迹，使得阻力损失预测精度受限。这一难题如同悬在矿山安全生产头上的"达摩克利斯之剑"，亟需突破性解决方案。

河北某高校研究团队在《Powder Technology》发表的研究中，创新性地将计算流体力学(CFD)与粒子追踪法结合，构建了L型管道输送模型。他们通过耦合流体流动模块、传热模块和粒子追踪模块，首次实现了CTB流动的"全息透视"——不仅能观测固体粒子迁移轨迹，还量化分析了质量浓度(MC)、灰砂比(C/T)、浆体温度(ST)三大关键参数对流动特性的影响。

关键技术包括：1）采用COMSOL软件进行多物理场耦合模拟；2）基于NKT-6100D激光粒度仪分析尾砂级配特征；3）建立动态分区阻力损失模型，将管道划分为低、中、高三个阻力损失区（分别占管长50%、25%、25%）；4）通过粒子累积重力(G_a)量化分区标准。

【Flow velocity evolution of CTB】
研究发现：当MC和C/T分别增加1%时，CTB最大流速下降率分别为3.42%-6.78%和4.21%-5.87%；而ST每升高1℃，流速增加1.12%-2.05%。径向速度分布显示，高温环境下管壁润滑层增厚，核心流区长度缩短12.3%-18.7%。

【Model construction ideas and rationality analysis】
创新性提出动态分区模型：低阻力区以粘性剪切流动为主，中阻力区出现粒子碰撞聚集，高阻力区则表现为强烈的管壁摩擦。验证显示该模型计算误差仅3.32%-10.60%，较传统整体模型精度提升40%以上。

【Conclusions】
研究突破性地揭示了CTB输送过程中的"三区"阻力分布规律：低、中、高阻力区分别对应不同的粒子运动模式。特别发现当ST>25℃时，高阻力区占比可缩减至18%，这为通过温控优化输送工艺提供了理论依据。该成果如同为矿山管道输送装上了"CT扫描仪"，不仅能预测堵管风险位点，还可精准计算各区段泵送压力需求，对实现智能矿山建设具有里程碑意义。