深井矿山充填满管输送理论及应用

D0L:10.13374.issn1001-053x.2013.09.021 第35卷第9期 北京科技大学学报 Vol.35 No.9 2013年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep.2013 深井矿山充填满管输送理论及应用 刘晓辉)，吴爱祥)，王洪江)凶，焦华)，李辉)，严庆文) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 2)云南驰宏锌锗股份有限公司，曲靖655011 ☒通信作者，E-mail:wanghj1988@126.com 摘要为了提高深井矿山充填管道的满管状态，提出以满管率作为系统满管状态定量描述指标，基于水力学输送理论 推导了满管率的数学模型，并对其影响因素作了理论分析，明确减小管道直径及增大系统流量是提高满管率的最佳途 径.基于管道两相流理论，建立了管径、流速以及满管率关系的数学表达式，为系统最佳输送参数的选取提供了理论依 据.对某深井矿山充填系统进行的局部改造结果显示：将系统原Φ150mm水平管道替换为中85mm管道，同时增大流 量至803h-1,系统满管率为原来的6倍，有效减轻了管道磨损. 关键词深井刊矿山：膏体充填：管道：输送：磨损 分类号TD853 Full-flow transport theory and its application in deep mine backfilling LIU Xiao-hui),WU Ai-riang),WANG Hong-jiang),JIAO Hua-zhe),LI Hui),YAN Qing-wen2) 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Yunnan Chihong Zn Ge Co.Ltd.,Qujing 655011,China Corresponding author,E-mail:wanghj1988@126.com ABSTRACT In order to improve the full-flow state of backfilling pipelines in deep mines,full-flow ratio was put forward to regard as a quantitative index to describe the full-flow state of the filling system.At the same time a mathematical model of full-flow ratio was deduced based on the hydraulic transmission theory and its influence factors were also analysed in theory by using the mathematical model.It is found that reducing the pipe diameter or increasing the slurry flow velocity is the best way to increase the full-flow ratio.On the basis of the pipe two-phase flow theory,a mathematical expression about the relationship of the pipe diameter,velocity,and full-flow ratio was also established, which provides a theoretical basis of selecting the best conveying parameters for the filling system.A local reform, replacing 150 mm pipes with 85 mm pipes and increasing the flux to 80 m3.h-simultaneously,was carried out in a deep mine filling system.The results show that the full-flow ratio of such system is able to be improved by 6 times and the pipe wearing can be reduced effectively. KEY WORDS deep mines;paste backfilling;pipelines;transportation;wear 音体充填是近年来矿山充填技术的发展方向，流充填系统中，充填倍线较大，系统自然压头较小， 其浆体浓度大，黏度高，管道输送时呈结构流，沿 常采用大直径管道以降低沿程阻力：而对于深部开 程阻力较大，一般采用泵压输送，充填倍线满足要采矿山，由于充填倍线较小，系统自然压头大于沿 求时亦可自流输送四.与泵压输送技术相比，膏体程阻力损失从而产生剩余压头，由此导致严重的钻 管道自流输送技术具有环保、节能和经济的优点， 孔与管道磨损问题阁.因此，在深井矿山的自流输 是最理想的充填输送形式冈.在浅井矿山的膏体自 送系统中，究竟应该采用大直径管道还是小直径管 收稿日期：2012-07-01 基金项目：“十二五”因家科技支撑计划资助项目(2012BAB08B02):国家自然科学基金资助项目(50934002,51104011,51074013)

第 35 卷 第 9 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 9 2013 年 9 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep. 2013 深井矿山充填满管输送理论及应用 刘晓辉 1)，吴爱祥 1)，王洪江 1) , 焦华喆 1)，李 辉 1)，严庆文 2) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 云南驰宏锌锗股份有限公司，曲靖 655011 通信作者，E-mail: wanghj1988@126.com 摘 要 为了提高深井矿山充填管道的满管状态，提出以满管率作为系统满管状态定量描述指标，基于水力学输送理论 推导了满管率的数学模型，并对其影响因素作了理论分析，明确减小管道直径及增大系统流量是提高满管率的最佳途 径. 基于管道两相流理论，建立了管径、流速以及满管率关系的数学表达式，为系统最佳输送参数的选取提供了理论依 据. 对某深井矿山充填系统进行的局部改造结果显示：将系统原 φ150 mm 水平管道替换为 φ85 mm 管道，同时增大流 量至 80 m3 ·h −1，系统满管率为原来的 6 倍，有效减轻了管道磨损. 关键词 深井矿山；膏体充填；管道；输送；磨损 分类号 TD853 Full-flow transport theory and its application in deep mine backfilling LIU Xiao-hui 1), WU Ai-xiang 1), WANG Hong-jiang 1) , JIAO Hua-zhe 1), LI Hui 1), YAN Qing-wen 2) 1) School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Yunnan Chihong Zn & Ge Co. Ltd., Qujing 655011, China Corresponding author, E-mail: wanghj1988@126.com ABSTRACT In order to improve the full-flow state of backfilling pipelines in deep mines, full-flow ratio was put forward to regard as a quantitative index to describe the full-flow state of the filling system. At the same time a mathematical model of full-flow ratio was deduced based on the hydraulic transmission theory and its influence factors were also analysed in theory by using the mathematical model. It is found that reducing the pipe diameter or increasing the slurry flow velocity is the best way to increase the full-flow ratio. On the basis of the pipe two-phase flow theory, a mathematical expression about the relationship of the pipe diameter, velocity, and full-flow ratio was also established, which provides a theoretical basis of selecting the best conveying parameters for the filling system. A local reform, replacing φ150 mm pipes with φ85 mm pipes and increasing the flux to 80 m3 ·h −1 simultaneously, was carried out in a deep mine filling system. The results show that the full-flow ratio of such system is able to be improved by 6 times and the pipe wearing can be reduced effectively. KEY WORDS deep mines; paste backfilling; pipelines; transportation; wear 膏体充填是近年来矿山充填技术的发展方向， 其浆体浓度大，黏度高，管道输送时呈结构流，沿 程阻力较大，一般采用泵压输送，充填倍线满足要 求时亦可自流输送 [1] . 与泵压输送技术相比，膏体 管道自流输送技术具有环保、节能和经济的优点， 是最理想的充填输送形式 [2] . 在浅井矿山的膏体自 流充填系统中，充填倍线较大，系统自然压头较小， 常采用大直径管道以降低沿程阻力；而对于深部开 采矿山，由于充填倍线较小，系统自然压头大于沿 程阻力损失从而产生剩余压头，由此导致严重的钻 孔与管道磨损问题 [3] . 因此，在深井矿山的自流输 送系统中，究竟应该采用大直径管道还是小直径管 收稿日期：2012-07-01 基金项目：“十二五” 国家科技支撑计划资助项目 (2012BAB08B02)；国家自然科学基金资助项目 (50934002, 51104011, 51074013) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.09.021

.1114 北京科技大学学报 第35卷 道，料浆输送处于低速层流还是高速紊流，值得理 流速(ms-1)、压强(Pa)和相对高度(m):m为料 论探讨与实际检验 浆密度，tm-3:Hw为两断面间浆体的能量损失；g 为重力加速度，ms-2.系统正常工作时，可认为料 1深井充填输送中的不满流 浆的运动属于稳定流，则有1=2，式(1)可简化 在自流输送系统中，料浆的流动动力由料浆在 为 垂直管内的自然压头提供，其物理模型如图1(a)所 △P 示，从断面1-1至2-2列出伯努利方程为： =Hw-(Z1-Z2). (2) Ym 么++-（++》 +Hw. (1) Ym Ym 2g/ 式中，△P为截面1-1与截面2-2上的压强差，有 式中，1、2、乃、P、Z1和Z2分别为面1-1、2-2的 △P=P-P2,Pa。 1 地表 地表 77777777 浆体自由下落区 P,) 浆体与空气接触面 (a) (b) 图1真空不满流的产生.(a)满管流：(b)不满流 Fig.1 Vacuum slack flow in the backfilling of a deep mine:(a)full-flow;(b)slack-flow 随着开采深度增大，充填线路不断向矿体深部 2深井充填满管输送理论 延伸.当系统高差较大，而水平长度较小时，则系统 前述研究表明，满管状态是衡量充填管道系统 的自然压头（△Z=Z1一Z2)大于管道沿程阻力Hw 是否合理的重要标志，如何对满管状态进行定量描 损失，此时△P<0,垂直管内出现负压状态，当负 述，探明其影响因素及作用机制，成为矿山充填需 压大于某临界值时，料浆汽化，浆体中溶解的空气 要解决的问题 自然溢出，管内出现空气柱，浆体在空气柱内自由 2.1满管率的定义 下落，流速不断增大，产生真空不满流，如图1(b) 设垂直管道中料浆高度为H1,垂直管道总长 大量研究表明：真空不满流是造成管道破坏的主要 为H,如图1(b)所示，令 原因，高速流动的料浆向管壁迁移冲刷导致磨损加 剧，同时在空气-料浆交界面因碰撞产生巨大的冲 H1=F。·H, (3) 击压力，可造成爆管、气蚀等破坏现象-d.Zhang 则称系数F。为充填输送系统的满管率，其表示垂 等可根据浆体的动量特性，研究了不满流对管道 直管道中料浆高度H1占总长度H的百分比.F。 的磨损机理，认为垂直管道中空气柱长度越大，料 越大，表明管道中空气柱长度越短，不满流对管道 浆在与空气交界面的流速就越大，对管壁的冲蚀越 的磨损及冲蚀作用越小.当F,=100%时，系统处 严重.韩文亮和张志平⑨对长距离输送管道中的不 于满管输送，料浆对管壁整体均匀磨损，管道使用 满流进行了研究，发现除了加剧管道磨蚀，不满流 寿命较长.根据能量守恒定律可得： 还有可能引起局部管道发生弥合水击，产生管道振 动及爆管等问题.张德明等例研究了不满流及满管 m·H1·g=(iv…H1+iL·L)3. (4) 流输送条件下管道的磨损形式，发现在不满流情况 式中：L为水平管道长度，m:红为系统水平管道 下管道断面被冲刷成不规则的沟槽破损形状，而对 水力梯度，MPa-km-l；iv为系统垂直管道水力梯 于满管流，充填料浆流速均匀，管道局部冲击磨损 度，MPa-km-1:3为阻力系数，一般取1.1~1.3. 率较低，大大延长了管道使用寿命.综上所述，提 一般将充填管网系统的总长度与垂高的比值 高系统满管状态是减轻磨损，延长管道使用寿命的 称之为充填倍线N, 有效途径 N=H+L (5) L

· 1114 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 道，料浆输送处于低速层流还是高速紊流，值得理 论探讨与实际检验. 1 深井充填输送中的不满流 在自流输送系统中，料浆的流动动力由料浆在 垂直管内的自然压头提供，其物理模型如图 1(a) 所 示，从断面 1-1 至 2-2 列出伯努利方程为： Z1 + P1 γm + v 2 1 2g = µ Z2 + P2 γm + v 2 2 2g ¶ + Hw. (1) 式中，v1、v2、P1、P2、Z1 和 Z2 分别为面 1-1、2-2 的 流速 (m·s −1 )、压强 (Pa) 和相对高度 (m)；γm 为料 浆密度，t·m−3；Hw 为两断面间浆体的能量损失；g 为重力加速度，m·s −2 . 系统正常工作时，可认为料 浆的运动属于稳定流，则有 v1 = v2，式 (1) 可简化 为 ∆P γm = Hw − (Z1 − Z2). (2) 式中，∆P 为截面 1-1 与截面 2-2 上的压强差，有 ∆P = P1 − P2，Pa。 图 1 真空不满流的产生. (a) 满管流; (b) 不满流 Fig.1 Vacuum slack flow in the backfilling of a deep mine: (a) full-flow; (b) slack-flow 随着开采深度增大，充填线路不断向矿体深部 延伸. 当系统高差较大，而水平长度较小时，则系统 的自然压头 (∆Z = Z1 − Z2) 大于管道沿程阻力 Hw 损失，此时 ∆P < 0，垂直管内出现负压状态，当负 压大于某临界值时，料浆汽化，浆体中溶解的空气 自然溢出，管内出现空气柱，浆体在空气柱内自由 下落，流速不断增大，产生真空不满流，如图 1(b). 大量研究表明：真空不满流是造成管道破坏的主要 原因，高速流动的料浆向管壁迁移冲刷导致磨损加 剧，同时在空气–料浆交界面因碰撞产生巨大的冲 击压力，可造成爆管、气蚀等破坏现象 [4−6]. Zhang 等 [7] 根据浆体的动量特性，研究了不满流对管道 的磨损机理，认为垂直管道中空气柱长度越大，料 浆在与空气交界面的流速就越大，对管壁的冲蚀越 严重. 韩文亮和张志平 [8] 对长距离输送管道中的不 满流进行了研究，发现除了加剧管道磨蚀，不满流 还有可能引起局部管道发生弥合水击，产生管道振 动及爆管等问题. 张德明等 [9] 研究了不满流及满管 流输送条件下管道的磨损形式，发现在不满流情况 下管道断面被冲刷成不规则的沟槽破损形状，而对 于满管流，充填料浆流速均匀，管道局部冲击磨损 率较低，大大延长了管道使用寿命. 综上所述，提 高系统满管状态是减轻磨损，延长管道使用寿命的 有效途径. 2 深井充填满管输送理论 前述研究表明，满管状态是衡量充填管道系统 是否合理的重要标志，如何对满管状态进行定量描 述，探明其影响因素及作用机制，成为矿山充填需 要解决的问题. 2.1 满管率的定义 设垂直管道中料浆高度为 H1，垂直管道总长 为 H，如图 1(b) 所示，令 H1 = Fφ · H, (3) 则称系数 Fφ 为充填输送系统的满管率，其表示垂 直管道中料浆高度 H1 占总长度 H 的百分比. Fφ 越大，表明管道中空气柱长度越短，不满流对管道 的磨损及冲蚀作用越小. 当 Fφ = 100% 时，系统处 于满管输送，料浆对管壁整体均匀磨损，管道使用 寿命较长. 根据能量守恒定律可得： γm · H1 · g = (iV · H1 + iL · L) · β. (4) 式中: L 为水平管道长度，m；iL 为系统水平管道 水力梯度，MPa·km−1；iV 为系统垂直管道水力梯 度，MPa·km−1；β 为阻力系数，一般取 1.1∼1.3. 一般将充填管网系统的总长度与垂高的比值 称之为充填倍线 N， N = H + L L . (5)

第9期 刘晓辉等：深井矿山充填满管输送理论及应用 1115· 由式(3)~（⑤）推导满管率F。的数学表达式， (vv,dy) B.证 F。= ·N-1) Ym·g-B.iv (6) 由式可知，满管率F。与浆体水力梯度i及充填倍 线N密切相关，增大i和N均可有效提高系统满 (h,d) 管率. 发235A2N 2.2充填倍线与满管率的关系 L 由式(6)可知，对于一定流速一定浓度的充填 图2满管流输送模型 料浆，满管率F。与充填倍线N呈线性正相关，增 Fig.2 Full-flow conveying model 大系统充填倍线，可有效提高满管率.在深井矿山 根据圆管两相流理论，阻力损失与充填料浆的 充填中，开采深度不断加大，充填倍线持续减小，从 流速之间存在二次函数关系B,1山，设其数学模型为 而导致满管率降低.为此，可通过管道折返式布置 对系统进行优化，延长水平管道长度，使系统沿程 i=av2+bv, (9) 阻力损失与垂直管段所能提供的压力平衡，实现满 将式（⑧）代入其中，分别得到垂直及水平管道相应 管输送模式.下式为系统满管输送，即F。=100% 的阻力损失v和L, 时，水平管道长度L与垂直管道长度H的合理比 iw=a…v+b.v, 值： (10) i=ak2.+b.k·w. i≈m‘9-6:y. (7 基于能量守恒定律，将式(10)代入式(4)中， B.iL 同时根据充填倍线的定义，推导出流速v、管径比 在充填管道的实际布置过程中，延长管道必然 k、充填倍线N以及满管率F。之间的匹配关系，如 会增加矿山成本，同时由于井下空间限制，采用增 下式： 加管道长度提高满管率的适用性不大.因此，在即 Ba·H.[Fo+k2.(N-1)]·+.b.H. 有管道系统条件下，增加浆体水力梯度成为提高满 [F+k·(N-1)·w=Ym·g·(F·H).(11) 管率最经济实用的手段 2.3管径、流速与满管率的匹配关系 令m=B.a·[F+k2.(N-1)],n=B.b. 充填料浆浓度对其水力梯度的影响十分敏感， [F+k·(N-1)],将式(11)简化为 料浆浓度的增加，一方面使得颗粒间相互作用的程 m·+n·v=Fo·m·g. (12) 度加大，另一方面使得水流支持颗粒悬浮的能量加 大，由此导致管输过程中水力梯度增加o.因此， 一般情况下，充填管道为标准件，其管径为既 提高充填料浆浓度，能够有效改善深井充填系统的 定值，则在充填倍线一定的情况下，可根据式(12) 满管状态.但是，充填料浆受尾砂自身物理化学性 对不同管径条件下，料浆流速与满管率的关系进行 质及浓密技术的限制，增大程度有限，且对技术及 探讨，进而确定最佳输送参数 设备的要求较高，因此通过增大系统充填料浆浓度 2.4满管输送模式压力分布 来提高满管率的普适性不强.研究表明：在料浆浓 根据垂直及水平管道管径的大小关系，可将充 度一定的条件下，减小充填管直径d及增加料浆流 填系统分为低压满管流及高压满管流输送模式.当 速v可有效增加管道水力梯度，是提高系统满管率 k1 加大料浆流速会使管道磨损加剧.因此，探明管径、时，水平管径较小，消耗的系统压头较多，称为高 流速以及满管率之间的匹配关系，获取最佳的管道 压满管流输送模式②.但是，两种输送模式下系统 输送参数，成为需要研究的问题. 的最大压力Pmax均出现在垂直管道底部，其值为 设垂直及水平管道管径关系为dv=k·d,如 水平管段消耗的压力损失，如式(13)，在充填过程 图2所示，则在系统流量不变的情况下有 中，常常通过在垂直管道底部安装压力表来监测系 统实际满管状态，将式(13)代入式(6)，得到系统 vL k2.vv. (8) 最大压强值与满管率之间的关系，如式(14).相对

第 9 期 刘晓辉等：深井矿山充填满管输送理论及应用 1115 ·· 由式 (3)∼(5) 推导满管率 Fφ 的数学表达式， Fφ = β · iL γm · g − β · iV · (N − 1). (6) 由式可知，满管率 Fφ 与浆体水力梯度 i 及充填倍 线 N 密切相关，增大 i 和 N 均可有效提高系统满 管率. 2.2 充填倍线与满管率的关系 由式 (6) 可知，对于一定流速一定浓度的充填 料浆，满管率 Fφ 与充填倍线 N 呈线性正相关，增 大系统充填倍线，可有效提高满管率. 在深井矿山 充填中，开采深度不断加大，充填倍线持续减小，从 而导致满管率降低. 为此，可通过管道折返式布置 对系统进行优化，延长水平管道长度，使系统沿程 阻力损失与垂直管段所能提供的压力平衡，实现满 管输送模式. 下式为系统满管输送，即 Fφ = 100% 时，水平管道长度 L 与垂直管道长度 H 的合理比 值： L H = γm · g − β · iV β · iL . (7) 在充填管道的实际布置过程中，延长管道必然 会增加矿山成本，同时由于井下空间限制，采用增 加管道长度提高满管率的适用性不大. 因此，在即 有管道系统条件下，增加浆体水力梯度成为提高满 管率最经济实用的手段. 2.3 管径、流速与满管率的匹配关系 充填料浆浓度对其水力梯度的影响十分敏感， 料浆浓度的增加，一方面使得颗粒间相互作用的程 度加大，另一方面使得水流支持颗粒悬浮的能量加 大，由此导致管输过程中水力梯度增加 [10] . 因此， 提高充填料浆浓度，能够有效改善深井充填系统的 满管状态. 但是，充填料浆受尾砂自身物理化学性 质及浓密技术的限制，增大程度有限，且对技术及 设备的要求较高，因此通过增大系统充填料浆浓度 来提高满管率的普适性不强. 研究表明：在料浆浓 度一定的条件下，减小充填管直径 d 及增加料浆流 速 v 可有效增加管道水力梯度，是提高系统满管率 的最佳途径。但是，流速与管道磨损率成正相关， 加大料浆流速会使管道磨损加剧. 因此，探明管径、 流速以及满管率之间的匹配关系，获取最佳的管道 输送参数，成为需要研究的问题. 设垂直及水平管道管径关系为 dV = k · dL，如 图 2 所示，则在系统流量不变的情况下有 vL = k 2 · vV. (8) 图 2 满管流输送模型 Fig.2 Full-flow conveying model 根据圆管两相流理论，阻力损失与充填料浆的 流速之间存在二次函数关系 [3,11]，设其数学模型为 i = av2 + bv, (9) 将式 (8) 代入其中，分别得到垂直及水平管道相应 的阻力损失 iV 和 iL， ( iV = a · v 2 V + b · vV, iL = a · k 2 · v 2 V + b · k · vV. (10) 基于能量守恒定律，将式 (10) 代入式 (4) 中， 同时根据充填倍线的定义，推导出流速 v、管径比 k、充填倍线 N 以及满管率 Fφ 之间的匹配关系，如 下式： β · a · H · £ Fφ + k 2 · (N − 1)¤ · v 2 V + β · b · H· £ Fφ + k · (N − 1)¤ · vV = γm · g · (Fφ · H). (11) 令 m = β · a · £ Fφ + k 2 · (N − 1)¤ ，n = β · b · £ Fφ + k · (N − 1)¤ ，将式 (11) 简化为 m · v 2 V + n · vV = Fφ · γm · g. (12) 一般情况下，充填管道为标准件，其管径为既 定值，则在充填倍线一定的情况下，可根据式 (12) 对不同管径条件下，料浆流速与满管率的关系进行 探讨，进而确定最佳输送参数. 2.4 满管输送模式压力分布 根据垂直及水平管道管径的大小关系，可将充 填系统分为低压满管流及高压满管流输送模式. 当 k 1 时，水平管径较小，消耗的系统压头较多，称为高 压满管流输送模式 [12] . 但是，两种输送模式下系统 的最大压力 Pmax 均出现在垂直管道底部，其值为 水平管段消耗的压力损失，如式 (13)，在充填过程 中，常常通过在垂直管道底部安装压力表来监测系 统实际满管状态，将式 (13) 代入式 (6)，得到系统 最大压强值与满管率之间的关系，如式 (14). 相对

.1116 北京科技大学学报 第35卷 而言，高压满管流系统的充填效率高，且垂直钻孔 速下的水力梯度.根据式(9)对数据进行拟合，得 磨损率较低，是较为合理的输送模式 到水力梯度关于速度的表达式，如式(16)，即参数 Pmax=B.iL·L, (13) a=1.49,b=0.144.由表1可知，管道流量为4060 m3.h-1,水力梯度均值为1.09MPa-km-1,平均流 Pmax F(mg-Biv) (14) 速0.8ms-1,则根据式(6)计算充填井内管道的 满管率，均值为9.43%，即管道内料浆高度为29.23 m.在管径及输送参数不变的情况下，根据式(7)计 3工程应用 算可知，要实现满管输送，需将原水平管道延长至 某铅锌矿地面标高2538m,井下已开拓至1200 4600m以上，由于井下空间限制，这在实际应用过 m,采用音体充填技术处理空区，输送料浆中固相 程中显然是难以实现的. 质量分数为76%~80%，系统流量为4060m3.h-1, 额定流量80m3.h-1,充填管径为150mm,料浆密 P1-P2 (15) 度2.08tm-3.由于采用自流充填模式，且系统充 L 填倍线较小，局部地段仅为2.9，在充填过程中垂直 i=1.49u2+0.144w. (16) 管道内产生真空不满流，高速流动的砂浆对管壁的 迁移冲刷导致管路磨损加剧，据统计，局部地段每 充填1万m3料浆，管道即磨损1mm,漏浆，爆管 等事故频发，严重影响充填工作的正常进行，如图 3和图4所示. 2007/01/25 图4管壁磨穿 Fig.4 Wearing through at the pipe wall 3.2高压满管流输送方案 采用高压满管流模式对系统进行优化是提高 满管率的最佳途径，即垂直管道不变，水平管段替 图3充填管局部磨损严重 换为小管径管道.根据式(8)~(12)建立不同标准 Fig.3 Severely wearing at local pipelines 管道条件下，垂直管道流速w与满管率F,之间的 3.1试验地点 数学模型，并绘制其关系曲线，如图6所示.在垂直 根据前述研究，考虑对充填系统局部地段进行 管道流速一定的情况下，即流量恒定，水平管径越 优化，提高满管率，减轻管道磨损.系统1571~1261 小，满管率F。越高.若系统满管输送，即F=100%, m管道段垂高310m,水平管道长度589m,经计 求得系统垂直及水平管道对应的料浆流速及对应的 算充填倍线仅为2.9，如图5所示，充填料浆经3 系统流量，如表2所示.根据南非矿山充填系统的 号充填井进入1261m水平，沿水平巷道进入采场.经验，水平管段工作流速不宜超过4m·s-1,否则 为监测管道内流速、压力等输送参数，在水平管段管道磨损率会大大提高，且管径过小将增加堵管的 安装流量计及压力传感器，料浆水力梯度红可由 危险.同时考虑系统额定流量80m3.h-1,综合 式(15)求得，其中P、P分别为压力传感器1、2 分析后表明：采用管径为85mm的水平充填管道， 监测数据，L为其间管道长度，即589m,当管径 同时系统流量增大至80m3.h-1，可有效提高系统 不变时红等于v.表1为系统正常充填时相应流满管率

· 1116 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 而言，高压满管流系统的充填效率高，且垂直钻孔 磨损率较低，是较为合理的输送模式. Pmax = β · iL · L, (13) Fφ = Pmax (γm · g − β · iV) · H . (14) 3 工程应用 某铅锌矿地面标高 2538 m，井下已开拓至 1200 m，采用膏体充填技术处理空区，输送料浆中固相 质量分数为 76%∼80%，系统流量为 40∼60 m3 ·h −1， 额定流量 80 m3 ·h −1，充填管径为 150 mm，料浆密 度 2.08 t·m−3 . 由于采用自流充填模式，且系统充 填倍线较小，局部地段仅为 2.9，在充填过程中垂直 管道内产生真空不满流，高速流动的砂浆对管壁的 迁移冲刷导致管路磨损加剧，据统计，局部地段每 充填 1 万 m3 料浆，管道即磨损 1 mm，漏浆，爆管 等事故频发，严重影响充填工作的正常进行，如图 3 和图 4 所示. 图 3 充填管局部磨损严重 Fig.3 Severely wearing at local pipelines 3.1 试验地点 根据前述研究，考虑对充填系统局部地段进行 优化，提高满管率，减轻管道磨损. 系统 1571∼1261 m 管道段垂高 310 m，水平管道长度 589 m，经计 算充填倍线仅为 2.9，如图 5 所示，充填料浆经 3 号充填井进入 1261 m 水平，沿水平巷道进入采场. 为监测管道内流速、压力等输送参数，在水平管段 安装流量计及压力传感器，料浆水力梯度 iL 可由 式 (15) 求得，其中 P1、P2 分别为压力传感器 1、2 监测数据，L 为其间管道长度，即 589 m，当管径 不变时 iL 等于 iV. 表 1 为系统正常充填时相应流 速下的水力梯度. 根据式 (9) 对数据进行拟合，得 到水力梯度关于速度的表达式，如式 (16)，即参数 a=1.49，b=0.144. 由表 1 可知，管道流量为 40∼60 m3 ·h −1，水力梯度均值为 1.09 MPa·km−1，平均流 速 0.8 m·s −1，则根据式 (6) 计算充填井内管道的 满管率，均值为 9.43%，即管道内料浆高度为 29.23 m. 在管径及输送参数不变的情况下，根据式 (7) 计 算可知，要实现满管输送，需将原水平管道延长至 4600 m 以上，由于井下空间限制，这在实际应用过 程中显然是难以实现的. iL = P1 − P2 L , (15) i = 1.49v 2 + 0.144v. (16) 图 4 管壁磨穿 Fig.4 Wearing through at the pipe wall 3.2 高压满管流输送方案 采用高压满管流模式对系统进行优化是提高 满管率的最佳途径，即垂直管道不变，水平管段替 换为小管径管道.根据式(8)∼(12) 建立不同标准 管道条件下，垂直管道流速 vV 与满管率 Fφ 之间的 数学模型，并绘制其关系曲线，如图 6 所示. 在垂直 管道流速一定的情况下，即流量恒定，水平管径越 小，满管率 Fφ 越高. 若系统满管输送，即 Fφ=100%， 求得系统垂直及水平管道对应的料浆流速及对应的 系统流量，如表 2 所示. 根据南非矿山充填系统的 经验，水平管段工作流速不宜超过 4 m·s −1 ，否则 管道磨损率会大大提高，且管径过小将增加堵管的 危险 [13] . 同时考虑系统额定流量 80 m3 ·h −1，综合 分析后表明：采用管径为 85 mm 的水平充填管道， 同时系统流量增大至 80 m3 ·h −1，可有效提高系统 满管率

第9期 刘晓辉等：深井矿山充填满管输送理论及应用 .1117. 571m水平 3#充填井 料浆与空气交界面 流量计 o150mm充填管 东G清1261m水平 压力传感器1 压力传感器2中 589m 图51571~1261m充填管道段 Fig.5 Pipelines from the 1571 m level to 1261 m level 表1水力梯度与速度关系 Table 1 Relation between hydraulic gradient and slurry velocity 序号 流量/(m3,h-1) 流速/(ms-1) 水力梯度/MPa-km-1) 满管率/% 垂直管中料柱高度/m 1 43.24 0.68 0.76 7.92 24.56 2 45.78 0.72 0.95 8.41 26.07 3 55.32 0.87 1.14 10.26 31.80 4 59.77 0.94 1.52 11.13 34.50 均值 51.03 0.80 1.09 9.43 29.23 表2不同水平管径条件下系统满管输送相关参量 Table 2 Related parameters at various horizontal diameters in the full-flow distribution system 水平管径/mmk垂直管流速v与系统满管率F。之间的关系v/(ms-1),/(ms-1)系统流量/(m3,h-1) 150 1.00(1.79F0+3.4)v+(0.17F0+0.33)w=20.38F0 1.93 1.93 123.04 100 1.50(1.79.F+5.1)+(0.17F+0.49)v=20.38F0 1.67 3.76 106.39 85 1.76(1.79F0+5.98)v+(0.17F0+0.58)v=20.38F 1.57 4.37 99.98 75 2.00(1.79F+6.79)+(0.17F+0.66)v=20.38F 1.49 5.97 94.97 50 3.00(1.79F。+10.19)+(0.17F◆+0.98)v=20.38F0 1.26 11.31 79.93 100 90 —中150mm 水平巷道内589m管道全部替换为中85mm的小 80 ---0100mm 管径管道，系统流量Q增大至80m3h-1,大小管 ..φ85mm 70 --075mm 间采用变径管连接，如图7所示.同时安设压力传 60 -中50mm 感器对管道内压力变化进行监测，各仪表安装位置 部50 与图5一致，结果见表3，由式(15)求得改造后水 平管道的水力梯度为4.74 MPa-km-1,是改造前的 0空2 30 w.e 20 4.3倍，增阻效果明显.由式(6)推算系统满管率为 1 0.0 0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 垂直管道流速/(ms) 图6不同水平管径下垂直管流速与满管率F对应关系 Fig.6 Corresponding relations of flow velocity in vertical pipeline and Foat different horizontal pipe diameters 3.3工业试验及增阻效果 根据前述理论分析结果，采用高压满管输送模 图7变径管连接 式对1571~1261m段充填管道进行优化.将1261m Fig.7 Connecting with the reducing pipe

第 9 期 刘晓辉等：深井矿山充填满管输送理论及应用 1117 ·· 图 5 1571∼1261 m 充填管道段 Fig.5 Pipelines from the 1571 m level to 1261 m level 表 1 水力梯度与速度关系 Table 1 Relation between hydraulic gradient and slurry velocity 序号 流量/(m3 ·h−1 ) 流速/(m·s−1 ) 水力梯度/(MPa·km−1 ) 满管率/% 垂直管中料柱高度/m 1 43.24 0.68 0.76 7.92 24.56 2 45.78 0.72 0.95 8.41 26.07 3 55.32 0.87 1.14 10.26 31.80 4 59.77 0.94 1.52 11.13 34.50 均值 51.03 0.80 1.09 9.43 29.23 表 2 不同水平管径条件下系统满管输送相关参量 Table 2 Related parameters at various horizontal diameters in the full-flow distribution system 水平管径/mm k 垂直管流速 vV 与系统满管率 Fφ 之间的关系 vV/ (m·s−1 ) vL/(m·s−1 ) 系统流量 /(m3 ·h−1 ) 150 1.00 (1.79Fφ + 3.4)v 2 V + (0.17Fφ + 0.33)vV = 20.38Fφ 1.93 1.93 123.04 100 1.50 (1.79 · Fφ + 5.1)v 2 V + (0.17Fφ + 0.49)vV = 20.38Fφ 1.67 3.76 106.39 85 1.76 (1.79Fφ + 5.98)v 2 V + (0.17Fφ + 0.58)vV = 20.38Fφ 1.57 4.37 99.98 75 2.00 (1.79Fφ + 6.79)v 2 V + (0.17Fφ + 0.66)vV = 20.38Fφ 1.49 5.97 94.97 50 3.00 (1.79Fφ + 10.19)v 2 V + (0.17Fφ + 0.98)vV = 20.38Fφ 1.26 11.31 79.93 图 6 不同水平管径下垂直管流速与满管率 Fϕ 对应关系 Fig.6 Corresponding relations of flow velocity in vertical pipeline and Fϕat different horizontal pipe diameters 3.3 工业试验及增阻效果 根据前述理论分析结果，采用高压满管输送模 式对 1571∼1261 m 段充填管道进行优化. 将 1261 m 水平巷道内 589 m 管道全部替换为 φ85 mm 的小 管径管道，系统流量 Q 增大至 80 m3 ·h −1，大小管 间采用变径管连接，如图 7 所示. 同时安设压力传 感器对管道内压力变化进行监测，各仪表安装位置 与图 5 一致，结果见表3，由式(15)求得改造后水 平管道的水力梯度为4.74 MPa·km−1，是改造前的 4.3 倍，增阻效果明显.由式 (6)推算系统满管率为 图 7 变径管连接 Fig.7 Connecting with the reducing pipe

.1118· 北京科技大学学报 第35卷 表3监测数据及相关参量计算结果 Table 3 Monitoring data and computing results of related parameters Q/(m3.h-1)vv/(m.s-1)vL/(m.s-1)Pi/MPa P2/MPa iL/(MPa-km-1)iv/(MPa-km-1)F/% 80 1.26 3.91 3.62 0.83 4.74 2.55 62.4 62.4%,提高至原来的6倍，有效降低了磨损. 19(6:65 (宫数，严大凡.大落差管道下坡段不满流流动特性分析.石 4结论 油大学学报：自然科学版，1995,19(6)：65) (1)提出以满管率作为系统满管状态定量描述 [6]Huang Y C,Mao X L,Shi X Y.Primary research on 的指标，通过水力学推导，得到满管率的数学模型， phase transformation and tiny jet stream of paste-like in 明确充填倍线N和管道水力梯度讠是其主要影响 the pipeline transportation.China Min Mag,2005,14(5): 因素，增大N及均可有效提高满管率，但通过增 63 (黄玉诚，毛信理，史晓勇.似膏体管路输送过程中的相变 大充填倍线提高满管率的方法成本高，适用性差. 及微射流效应初探.中国矿业，2005,14(5)：63) (②)减小充填管径和提高充填流量可有效增加 [7]Zhang Q I,Cui J Q,Zheng J J.Wear mechanism and 阻力损失，基于圆管两相流输送理论，建立了高压 serious wear position of casing pipe in vertical backfill 满管流输送模式下水平管径、垂直流速及满管率F drill-hole.Trans Nonferrous Met Soc China,2011,21(11): 匹配关系的数学模型，为充填过程中选取最佳输送 2503 参数提供了理论依据. [8]Han W L,Zhang Z P.Vacuum-unfull flow in the long- (3)针对某深井矿山充填系统中的管道磨损问 distance transportation pipe line and its prevention.Met 题，采用高压满管流输送模式进行管道改造实践. Mine,1994(11):48 通过对五种管径条件下流速与满管率关系的探讨， (韩文亮，张志平.长距离输送管道中的真空不满流及其预 防.金属矿山，1994(11)：48) 明确将水平管段管径减小为中85mm、系统流量加 [9]Zhang D M,Wang X M,Zheng J J,et al.Wear mecha- 大至80m3h-1为最优方案，改造后水平水力梯度 nism and causes of backfilling drill-holes pipelines in deep 是原来的4倍左右，满管率为改造前的6倍，减磨 mine.J Wuhan Univ Technol,2010,32(13):100 效果明显 (张德明，王新民，郑晶品，等.深井充填钻孔内管道磨损机 理及成因分析.武汉理工大学学报，2010,32(13)：100) 参考文献 [10]Zhou H.Research on Paste Parameter of Unclassified Tailings-Granulated Blast Furnace Slag Dissertation] [1]Zhou A M,Gu DS.Mine-filling model based on industrial Hengyang:University of South China,2007 ecology.J Cent South Univ Nat Sci,2004,35(3):468 (邹辉.全尾砂-水淬渣膏体性能研究[学位论文].衡阳：南 (周爱民，古德生.基于工业生态学的矿山充填模式.中南 华大学，2007) 大学学报：自然科学版，2004,35(3)：468) [11]Cooke R.Design procedure for hydraulic backfill distribu- [2]Wang X M,Xiao W G,Zhang Q L.Deep Mining Backfill tion systems.J S Afr Inst Min Metall,2001,101(2):97 Theory and Technology.Changsha:Central South Uni- [12]Wang H J,Wu A X,Yao Z G.Study on low pressure full versity Press,2005 pipe flow transportation technology in deep mine backfill- [3]Cooke R,Lazarus J H.Hydraulic transport systems for ing//The 8th International Filling Mining Conference the backfilling of deep mines.J S Afr Inst Min Metall. Symposium.Beijing,2004:229 1993,93(2):25 (王洪江，吴爱祥，姚振巩.深井充填低压满管流输送技术 [4]Wang X M,Zhao J W,Xue J H,et al.Features of pipe 研究/第八届国际充填采矿会议论文集.北京，2004：229) transportation of paste-like backfilling in deep mine.J [13]Verkerk C G.Hydraulic transportation as applied to back- Cent South Univ Technol,2011,18(5):1413 filling in the south African mining industry /The 9th [5]Gong J,Yan D F.Analysis of flow characteristics for slack International Conference on the Hydraulic Transport of line flow in along slope pipeline.J Univ Pet China,1995, Solids in Pipes.Rome,1984:281

· 1118 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 表 3 监测数据及相关参量计算结果 Table 3 Monitoring data and computing results of related parameters Q/ (m3 ·h−1 ) vv/ (m·s−1 ) vL/(m·s−1 ) P1/MPa P2/MPa iL/(MPa·km−1 ) iv/(MPa·km−1 ) Fφ/% 80 1.26 3.91 3.62 0.83 4.74 2.55 62.4 62.4%，提高至原来的 6 倍，有效降低了磨损. 4 结论 (1) 提出以满管率作为系统满管状态定量描述 的指标，通过水力学推导，得到满管率的数学模型， 明确充填倍线 N 和管道水力梯度 i 是其主要影响 因素，增大 N 及 iL 均可有效提高满管率，但通过增 大充填倍线提高满管率的方法成本高，适用性差. (2) 减小充填管径和提高充填流量可有效增加 阻力损失，基于圆管两相流输送理论，建立了高压 满管流输送模式下水平管径、垂直流速及满管率 Fφ 匹配关系的数学模型，为充填过程中选取最佳输送 参数提供了理论依据. (3) 针对某深井矿山充填系统中的管道磨损问 题，采用高压满管流输送模式进行管道改造实践. 通过对五种管径条件下流速与满管率关系的探讨， 明确将水平管段管径减小为 φ85 mm、系统流量加 大至 80 m3 ·h −1 为最优方案，改造后水平水力梯度 是原来的 4 倍左右，满管率为改造前的 6 倍，减磨 效果明显. 参 考 文 献 [1] Zhou A M, Gu D S. Mine-filling model based on industrial ecology. J Cent South Univ Nat Sci, 2004, 35(3): 468 (周爱民, 古德生. 基于工业生态学的矿山充填模式. 中南 大学学报: 自然科学版, 2004, 35(3)：468) [2] Wang X M, Xiao W G, Zhang Q L. Deep Mining Backfill Theory and Technology. Changsha: Central South Uni￾versity Press, 2005 [3] Cooke R, Lazarus J H. Hydraulic transport systems for the backfilling of deep mines. J S Afr Inst Min Metall, 1993, 93(2): 25 [4] Wang X M, Zhao J W, Xue J H, et al. Features of pipe transportation of paste-like backfilling in deep mine. J Cent South Univ Technol, 2011, 18(5): 1413 [5] Gong J, Yan D F. Analysis of flow characteristics for slack line flow in along slope pipeline. J Univ Pet China, 1995, 19(6): 65 (宫敬, 严大凡. 大落差管道下坡段不满流流动特性分析. 石 油大学学报: 自然科学版, 1995, 19(6): 65) [6] Huang Y C, Mao X L, Shi X Y. Primary research on phase transformation and tiny jet stream of paste-like in the pipeline transportation. China Min Mag, 2005, 14(5): 63 (黄玉诚, 毛信理, 史晓勇. 似膏体管路输送过程中的相变 及微射流效应初探. 中国矿业, 2005, 14(5): 63) [7] Zhang Q I, Cui J Q, Zheng J J. Wear mechanism and serious wear position of casing pipe in vertical backfill drill-hole. Trans Nonferrous Met Soc China, 2011, 21(11): 2503 [8] Han W L, Zhang Z P. Vacuum-unfull flow in the long￾distance transportation pipe line and its prevention. Met Mine, 1994(11): 48 (韩文亮, 张志平. 长距离输送管道中的真空不满流及其预 防. 金属矿山, 1994(11): 48) [9] Zhang D M, Wang X M, Zheng J J, et al. Wear mecha￾nism and causes of backfilling drill-holes pipelines in deep mine. J Wuhan Univ Technol, 2010, 32(13): 100 (张德明, 王新民, 郑晶晶, 等. 深井充填钻孔内管道磨损机 理及成因分析. 武汉理工大学学报, 2010, 32(13):100) [10] Zhou H. Research on Paste Parameter of Unclassified Tailings-Granulated Blast Furnace Slag [Dissertation]. Hengyang: University of South China, 2007 (邹辉. 全尾砂–水淬渣膏体性能研究 [学位论文]. 衡阳: 南 华大学, 2007) [11] Cooke R. Design procedure for hydraulic backfill distribu￾tion systems. J S Afr Inst Min Metall, 2001, 101(2): 97 [12] Wang H J, Wu A X, Yao Z G. Study on low pressure full pipe flow transportation technology in deep mine backfill￾ing // The 8th International Filling Mining Conference Symposium. Beijing, 2004: 229 (王洪江, 吴爱祥, 姚振巩. 深井充填低压满管流输送技术 研究// 第八届国际充填采矿会议论文集. 北京, 2004: 229) [13] Verkerk C G. Hydraulic transportation as applied to back- filling in the south African mining industry // The 9th International Conference on the Hydraulic Transport of Solids in Pipes. Rome, 1984: 281