螺旋管在小倍线充填中的应用及充填倍线公式修正

工程科学学报，第38卷，第8期：1069-1074,2016年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.8:1069-1074,August 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.08.004:http://journals..ustb.edu.cn 螺旋管在小倍线充填中的应用及充填倍线公式修正 牟宏伟12，吕文生12，杨鹏2，》 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京100083 3)北京联合大学北京市信息服务工程重点实验室，北京100101 ☒通信作者，E-mail:sunluw(@sina.com 摘要为解决小倍线充填管道局部压力过大、管路磨损严重等问题，本文提出用螺旋管增阻调压的结构与实施方案.结合 计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)对增阻调压结构与实施方案进行模拟分析，基于模拟计算的结果提出增加 螺旋管道增阻调压结构后计算充填倍线的修正公式.研究结果表明，在2·s的模拟流速下，螺旋管增阻调压结构所产生的 阻力可达同等高度直管的10.1~16.8倍，在保证料浆连续输送的前提下可以有效的起到增阻降压的作用.结合数值模拟的 充填倍线修正公式能够较为完善地计算增阻降压后的有效充填倍线. 关键词充填：螺旋管：阻力：充填倍线：计算流体力学 分类号TD853.34 Application of a spiral pipe in a low stowing gradient backfilling pipeline and amendment of stowing gradient MU Hong-ei,L0 Wen-sheng,YANG Peng 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of the Ministry of Education of High Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Beijing Key Laboratory of Information Service Engineering,Beijing Union University,Beijing 100101,China Corresponding author,E-mail:sunluw@sina.com ABSTRACT In order to solve the high pressure and serious worn problems at some sections in a low stowing gradient backfilling pipeline,this article introduces a new solution of spiral pipes to regulate the resistance and pressure.The regulator of increasing resist- ance and its implementation plan are analyzed by using the CFD technique.An amended formula for calculating the stowing gradient is presented by adding spiral increasing resistance based on the simulation.It is shown that,when the transportation speed is 2ms, the unit-height resistance of the spiral pipe can be 10.I to 16.8 times that of the straight pipeline.This apparatus can fully guarantee the continuous conveying of slurries,and it can also increase the resistance and reduce the pressure effectively.The amended formula can figure out the effective stowing gradient of the backfilling pipeline with spiral apparatus more accurately. KEY WORDS backfilling:spiral pipes:resistance:stowing gradient:computational fluid dynamics 随着深部采矿在矿山开采中的比例逐步提高，压B,但这些方法均存在管理复杂、需要建造井下 深部开采时充填管道垂直深度增大，导致充填倍线 构筑物、现场布设困难等问题.针对这些问题，本文 变小，局部管道输送压力过大等问题迫切需要得到 提出螺旋管增阻调压的结构与实施方案.即在传统 有效的解决1习，在解决该问题的方法中鲜见有应用 管道布置的基础上，在竖直管的适当位置增设多圈 螺旋管增阻降压的研究，目前应用比较广泛的是通 螺旋管来增阻调压，以此来抵消充填管路的剩余压 过减压池、变径管输送、折返管输送等方法来减 头，减少局部管路的高压冲击与磨损.相比其他方 收稿日期：201509-09

工程科学学报，第 38 卷，第 8 期: 1069--1074，2016 年 8 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 8: 1069--1074，August 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 08． 004; http: / /journals． ustb． edu． cn 螺旋管在小倍线充填中的应用及充填倍线公式修正 牟宏伟1，2) ，吕文生1，2) ，杨 鹏1，2，3) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 3) 北京联合大学北京市信息服务工程重点实验室，北京 100101  通信作者，E-mail: sunluw@ sina． com 摘 要 为解决小倍线充填管道局部压力过大、管路磨损严重等问题，本文提出用螺旋管增阻调压的结构与实施方案． 结合 计算流体力学( computational fluid dynamics，CFD) 对增阻调压结构与实施方案进行模拟分析，基于模拟计算的结果提出增加 螺旋管道增阻调压结构后计算充填倍线的修正公式． 研究结果表明，在2 m·s － 1的模拟流速下，螺旋管增阻调压结构所产生的 阻力可达同等高度直管的 10. 1 ～ 16. 8 倍，在保证料浆连续输送的前提下可以有效的起到增阻降压的作用． 结合数值模拟的 充填倍线修正公式能够较为完善地计算增阻降压后的有效充填倍线． 关键词 充填; 螺旋管; 阻力; 充填倍线; 计算流体力学 分类号 TD853. 34 收稿日期: 2015--09--09 Application of a spiral pipe in a low stowing gradient backfilling pipeline and amendment of stowing gradient MU Hong-wei1，2) ，L Wen-sheng1，2)  ，YANG Peng1，2，3) 1) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Key Laboratory of the Ministry of Education of High Efficient Mining and Safety of Metal Mines，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Beijing Key Laboratory of Information Service Engineering，Beijing Union University，Beijing 100101，China  Corresponding author，E-mail: sunluw@ sina． com ABSTＲACT In order to solve the high pressure and serious worn problems at some sections in a low stowing gradient backfilling pipeline，this article introduces a new solution of spiral pipes to regulate the resistance and pressure． The regulator of increasing resist￾ance and its implementation plan are analyzed by using the CFD technique． An amended formula for calculating the stowing gradient is presented by adding spiral increasing resistance based on the simulation． It is shown that，when the transportation speed is 2 m·s － 1， the unit-height resistance of the spiral pipe can be 10. 1 to 16. 8 times that of the straight pipeline． This apparatus can fully guarantee the continuous conveying of slurries，and it can also increase the resistance and reduce the pressure effectively． The amended formula can figure out the effective stowing gradient of the backfilling pipeline with spiral apparatus more accurately． KEY WOＲDS backfilling; spiral pipes; resistance; stowing gradient; computational fluid dynamics 随着深部采矿在矿山开采中的比例逐步提高， 深部开采时充填管道垂直深度增大，导致充填倍线 变小，局部管道输送压力过大等问题迫切需要得到 有效的解决［1--2］，在解决该问题的方法中鲜见有应用 螺旋管增阻降压的研究，目前应用比较广泛的是通 过减 压 池、变 径 管 输 送、折返管输送等方法来减 压［3--5］，但这些方法均存在管理复杂、需要建造井下 构筑物、现场布设困难等问题． 针对这些问题，本文 提出螺旋管增阻调压的结构与实施方案． 即在传统 管道布置的基础上，在竖直管的适当位置增设多圈 螺旋管来增阻调压，以此来抵消充填管路的剩余压 头，减少局部管路的 高 压 冲 击 与 磨 损． 相 比 其 他 方

·1070· 工程科学学报，第38卷，第8期 法，该装置可以在保证料浆连续输送的基础上起到 增阻降压的目的，且该方案具有结构简单、操作简 便、经济合理等优点. 1一分流闸阀 本文应用数值模拟的方法对料浆在螺旋管中的阻 2一螺旋管道 力特性进行研究6.首先根据矿山情况确定便于井 3一增设螺旋管压力分布 4一L型管路压力分布 下安装的螺旋管尺寸，通过室内试验确定充填料浆的 黏度、密度、骨料体积分数等数据，然后采用流体力学 数值模拟软件对不同尺寸螺旋管沿程阻力损失进行 计算 图1螺旋管增阻减压原理图 由于充填管路的设计中要考虑到充填倍线，所以 Fig.1 Principle diagram of spiral tube resistance increasing and 在增加螺旋管后要计算有效的充填倍线，经查阅国内 pressure reducing 外相关研究，鲜见关于有效充填倍线公式的研究.笔 者经过对充填倍线计算公式的修正，提出添加增阻调 当管路竖直高度过大且充填倍线过小时需启用螺 压设施后的有效充填倍线的计算方法，填补了相关研 旋管路部分，通过螺旋管路来降低料浆到达竖直管路 究的空白 底端时过大的压力，减少弯管处的冲击磨损，并减小出 口处的剩余压头；当因水平管路过长导致充填倍线过 1 螺旋管增阻减压与现有措施对比 大时则不需启用螺旋管路，以避免产生堵管现象 1.1螺旋管增阻减压原理 1.2增阻措施研究现状 如图1所示，螺旋管增阻减压管路安装在竖直管 在国内外深井充填增阻减压技术的应用中，一般 道部分，具体安装的位置根据矿山中管路布置以及压 将增阻减压措施分为管路型、设备型和构筑物型三类. 力分布情况进行调整，螺旋管与主管路之间通过分流 这三类措施在解决局部压力过大、减少剩余压头及在 闸阀连接，将管路分为螺旋管管路和非螺旋管管路。 工程应用中的优缺点见表1 表1部分增阻措施及应用情况 Table 1 Partial resistance increasing measures and application 增阻类型 增阻措施 实施方案 优点 缺点 将高差大的管路改为折返、有利于降低管道的局部最大增加开拓工程量，布置空间条件难以 折返/阶梯布置 阶梯式的布置 压力 实现 不同管径管道接口处磨损严重，在压力 料浆通过变径管处阻力增大，降 管路型 变径管 变换竖直、水平管道管径 过大的系统增阻效果有限，压力变化易 低最大压力，利于实现满管流 出现爆管问题 水平管道高流速部位增设可控制水平管处料浆流速，减轻会有堵管爆管事故，不能解决局部压力 90°弯头 90°弯头 管道磨损 大问题 将阻尼节流孔板装于管道 阻尼孔受到材料耐磨性限制，使用寿 阻尼节流孔板 可降低管道局部压力过大问题 内部 命短 料浆对设备磨损严重，易产生堵管，不易 设备型 减压阀 滚动球阀、比例流控制阀等 可降低管道局部压力过大问题 管理 将缓冲盒装在竖直管与水平可解决弯管处因压力过大所带来缓冲盒磨损严重，只能在弯管处起到缓 缓冲盒 管接头处 的问题 冲作用，达不到降压效果 减压池 竖直管中部建减压池 可降低输送压力 砂浆在减压池沉降、结块问题突出 构筑物型 在减压站内布置搅拌桶、事可有效解决料浆对管壁产出的高 减压站 开拓量大，设备管理复杂，国内尚无应用 故池等设施 压问题 通过对现有增阻减压措施的分类研究发现，它们 备直接受到料浆的冲刷，所以设备磨损严重的问题限 在应用中均存在一定的缺陷，现有的管路型增阻减压 制了其推广与应用：构筑物型增阻减压措施受限于他 易出现堵管爆管现象，且折返/阶梯布置对开拓及布置 的管理复杂，料浆沉降结块问题突出 空间要求较高：设备型增阻减压措施由于阻尼减压设 对照以上三类增阻减压措施，螺旋管增阻减压措

工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 法，该装置可以在保证料浆连续输送的基础上起到 增阻降压 的 目 的，且 该 方 案 具 有 结 构 简 单、操 作 简 便、经济合理等优点． 本文应用数值模拟的方法对料浆在螺旋管中的阻 力特性进行研究［6--8］． 首先根据矿山情况确定便于井 下安装的螺旋管尺寸，通过室内试验确定充填料浆的 黏度、密度、骨料体积分数等数据，然后采用流体力学 数值模拟软件对不同尺寸螺旋管沿程阻力损失进行 计算． 由于充填管路的设计中要考虑到充填倍线，所以 在增加螺旋管后要计算有效的充填倍线，经查阅国内 外相关研究，鲜见关于有效充填倍线公式的研究． 笔 者经过对充填倍线计算公式的修正，提出添加增阻调 压设施后的有效充填倍线的计算方法，填补了相关研 究的空白． 1 螺旋管增阻减压与现有措施对比 1. 1 螺旋管增阻减压原理 如图 1 所示，螺旋管增阻减压管路安装在竖直管 道部分，具体安装的位置根据矿山中管路布置以及压 力分布情况进行调整，螺旋管与主管路之间通过分流 闸阀连接，将管路分为螺旋管管路和非螺旋管管路． 图 1 螺旋管增阻减压原理图 Fig． 1 Principle diagram of spiral tube resistance increasing and pressure reducing 当管路竖直高度过大且充填倍线过小时需启用螺 旋管路部分，通过螺旋管路来降低料浆到达竖直管路 底端时过大的压力，减少弯管处的冲击磨损，并减小出 口处的剩余压头; 当因水平管路过长导致充填倍线过 大时则不需启用螺旋管路，以避免产生堵管现象． 1. 2 增阻措施研究现状 在国内外深井充填增阻减压技术的应用中，一般 将增阻减压措施分为管路型、设备型和构筑物型三类． 这三类措施在解决局部压力过大、减少剩余压头及在 工程应用中的优缺点见表 1． 表 1 部分增阻措施及应用情况 Table 1 Partial resistance increasing measures and application 增阻类型 增阻措施 实施方案 优点 缺点 管路型 折返/阶梯布置 将高差大的管路改为折返、 阶梯式的布置 有利 于 降 低 管 道 的 局 部 最 大 压力 增加开 拓 工 程 量，布置空间条件难以 实现 变径管 变换竖直、水平管道管径 料浆通过变径管处阻力增大，降 低最大压力，利于实现满管流 不同管径管道接口处磨损严重，在压力 过大的系统增阻效果有限，压力变化易 出现爆管问题 90°弯头 水平管道高流速部位 增 设 90°弯头 可控制水平管处料浆流速，减轻 管道磨损 会有堵管爆管事故，不能解决局部压力 大问题 设备型 阻尼节流孔板 将阻尼节流孔板装于 管 道 内部 可降低管道局部压力过大问题 阻尼孔受 到 材 料 耐 磨 性 限 制，使 用 寿 命短 减压阀 滚动球阀、比例流控制阀等 可降低管道局部压力过大问题 料浆对设备磨损严重，易产生堵管，不易 管理 缓冲盒 将缓冲盒装在竖直管与水平 管接头处 可解决弯管处因压力过大所带来 的问题 缓冲盒磨损严重，只能在弯管处起到缓 冲作用，达不到降压效果 构筑物型 减压池 竖直管中部建减压池 可降低输送压力 砂浆在减压池沉降、结块问题突出 减压站 在减压站内布置搅拌桶、事 故池等设施 可有效解决料浆对管壁产出的高 压问题 开拓量大，设备管理复杂，国内尚无应用 通过对现有增阻减压措施的分类研究发现，它们 在应用中均存在一定的缺陷，现有的管路型增阻减压 易出现堵管爆管现象，且折返/阶梯布置对开拓及布置 空间要求较高; 设备型增阻减压措施由于阻尼减压设 备直接受到料浆的冲刷，所以设备磨损严重的问题限 制了其推广与应用; 构筑物型增阻减压措施受限于他 的管理复杂，料浆沉降结块问题突出． 对照以上三类增阻减压措施，螺旋管增阻减压措 · 0701 ·

牟宏伟等：螺旋管在小倍线充填中的应用及充填倍线公式修正 ·1071· 施可划分到管路型增阻减压措施.与其他几种管路型 并建立管道竖直高度为100m,水平长度为300m,弯管 增阻减压措施相比较可以看出，螺旋管增阻调压方案 呈90°，弯径比为3的L型充填管道进行所选模型参数 可以在保证料浆连续输送的情况下达到增阻调压的目 的可行性验证，将该充填管道用“L型”表示.螺旋管 的，由于料浆的压力在螺旋管中得到了连续稳定的释 道和直管的几何模型如图2所示.为了在Fluent处理 放，所以不存在局部压力变化过大的情况，因此也不会 结果中显示螺旋管不同高度处的速度、阻力损失情况 出现因压力释放过快导致的爆管问题，同时该装置具 创建了螺旋管截面，截面创建方式如图2中B型螺 有结构简单，安装方便的优点. 旋管. 2数值模拟方法 由于充填料浆的力学结构及充填系统管网的复杂 性导致目前尚不能精确的求解充填管道输送问题，因 此需要对所建模型进行一定的简化，假设充填料浆在 2000,说明是湍流状态 (1)连续方程： 2.2.3模型及参数可靠性验证 (含an)+(名n)=0 首先将“L型”管道读入Fluent,再将砂浆的物理 (1) 参数带入Fluent求解器，经过迭代在4l5步达到收敛， 式中：a表示第k相的体积分数；P:表示第k相的密 求得入口与出口的压差为473207.03Pa.然后将数值 度，kgm3;v.表示第k相的平均速度，m·s;t表示 模拟结果与理论计算值进行对比 时间，s 通过公式P.=∑P:+∑乃计算砂浆流过管道 (2)动量方程： 的压力损失；沿程损失按达西-魏斯巴赫公式计算， 品（店ap)+(apu)=-a,p+ 4=A日品=3027：局部损失按乌=5号12× V [a(+)]+apg+M+(F)+Sp.(2) 式中p表示压力，Pa;r表示分子动力，N·m2;ri表 2×10=0.24计算.其中，P.为总压力损失，p,为沿程 4 示紊动应力，Nm3:M。表示单位体积相间动量传递， 压力损失，P局部压力损失，h沿程损失，入为沿程阻力 Nm3:(Fm）。表示内在力，Nm3:g为重力加速度， 系数，1为管子的长度，v为管子的有效截面上平均流 ms2:Sn为动量源项，Nm3 速，（为局部阻力系数，g为重力加速度.经理论计算 2.2几何模型建立及参数设定 管路的沿程阻力损失p.=515562Pa.拟合度为0.92， 2.2.1几何模型建立 符合数值模拟的要求3 本文根据矿山实际情况设计A~E共五种尺寸的 3模拟结果与分析 螺旋管，并通过数值模拟求得他们与相同高度直管的 沿程阻力损失的比值，进而求得用于计算有效充填倍 3.1“L型”管内速度场分析 线的比例系数b。·用q代表螺距，D代表螺旋直径，d 为了分析“L型”充填管路弯管处速度变化情况， 代表管道内径，其中d=0.12m,设计矿用螺旋管尺寸 通过数值模拟得到其速度分析结果，弯管处速度云图 D和g值分别为：A型，1m和1m:B型，0.8m和1m;C 如图3所示，管道沿X轴方向速度分布如图4所示 型，0.3m和0.5m;D型，0.6m和1m;E型，1m和2m. 从图3和图4中可以看出，L型管道弯管处速度

牟宏伟等: 螺旋管在小倍线充填中的应用及充填倍线公式修正 施可划分到管路型增阻减压措施． 与其他几种管路型 增阻减压措施相比较可以看出，螺旋管增阻调压方案 可以在保证料浆连续输送的情况下达到增阻调压的目 的，由于料浆的压力在螺旋管中得到了连续稳定的释 放，所以不存在局部压力变化过大的情况，因此也不会 出现因压力释放过快导致的爆管问题，同时该装置具 有结构简单，安装方便的优点． 2 数值模拟方法 由于充填料浆的力学结构及充填系统管网的复杂 性导致目前尚不能精确的求解充填管道输送问题，因 此需要对所建模型进行一定的简化，假设充填料浆在 输送过程中不发生相变且保持均质满管流，模拟过程 中不考虑井下采矿和温度等对料浆输送的影响［9--11］． 2. 1 数学模型和控制方程 2. 1. 1 模型选择 本文选用 Fluent 中的混合物模型对流场内的沿程 阻力损失进行求解，并对料浆的流速和压强的变化规 律进行分析［12］． 2. 1. 2 边界条件 设定 Y 轴负方向为重力加速度方向，大小为 9. 81 m·s － 2 ． 各型号管道边界条件: 速度入口( VELOCITY￾INLET) 和压力出口( PＲESSUＲ-OUTLET) ． 2. 1. 3 控制方程 ( 1) 连续方程:   ( t ∑ n k = 1 αkρk ) + ( Δ ∑ n k = 1 αkρkνk ) = 0． ( 1) 式中: αk 表示第 k 相的体积分数; ρk 表示第 k 相的密 度，kg·m － 3 ; νk 表示第 k 相的平均速度，m·s － 1 ; t 表示 时间，s． ( 2) 动量方程:   ( t ∑ n k = 1 αkρkνk ) + ( Δ ∑ n k = 1 αkρkνk ) = － αk Δ p + Δ ［αk ( τk + τ' k ) ］+ αkρkg + Mk + ( Fint ) k + SD ． ( 2) 式中: p 表示压力，Pa; τk 表示分子动力，N·m － 2 ; τ' k 表 示紊动应力，N·m － 3 ; Mk 表示单位体积相间动量传递， N·m － 3 ; ( Fint ) k 表示内在力，N·m － 3 ; g 为重力加速度， m·s － 2 ; SD为动量源项，N·m － 3 ． 2. 2 几何模型建立及参数设定 2. 2. 1 几何模型建立 本文根据矿山实际情况设计 A ～ E 共五种尺寸的 螺旋管，并通过数值模拟求得他们与相同高度直管的 沿程阻力损失的比值，进而求得用于计算有效充填倍 线的比例系数 bn ． 用 q 代表螺距，D 代表螺旋直径，d 代表管道内径，其中 d = 0. 12 m，设计矿用螺旋管尺寸 D 和 q 值分别为: A 型，1 m 和 1 m; B 型，0. 8 m 和 1 m; C 型，0. 3 m 和 0. 5 m; D 型，0. 6 m 和 1 m; E 型，1 m 和 2 m． 并建立管道竖直高度为 100 m，水平长度为 300 m，弯管 呈90°，弯径比为3 的 L 型充填管道进行所选模型参数 的可行性验证，将该充填管道用“L 型”表示． 螺旋管 道和直管的几何模型如图 2 所示． 为了在 Fluent 处理 结果中显示螺旋管不同高度处的速度、阻力损失情况 创建了螺旋管截面，截面创建方式如图 2 中 B 型螺 旋管． 图 2 螺旋管道的三维几何模型图 Fig． 2 3D geometric model of spiral pipes 2. 2. 2 流体参数确定 本文对新城金矿充填砂浆的流动进行研究，以质 量分数为 70% ，灰砂质量比为 1∶ 10 的分级尾砂充填 料浆进行相关的模拟与计算为例． 采用 Ｒ / S 型软固体 测试仪测得砂浆的黏性系数 μ = 0. 18 Pa·s，砂浆密度 ρ = 1690 kg·m － 3 ． 管内砂浆流速取 2 m·s － 1，经计算管 内雷诺数 Ｒe = 2253 ＞ 2000，说明是湍流状态． 2. 2. 3 模型及参数可靠性验证 首先将“L 型”管道读入 Fluent，再将砂浆的物理 参数带入 Fluent 求解器，经过迭代在 415 步达到收敛， 求得入口与出口的压差为 473207. 03 Pa． 然后将数值 模拟结果与理论计算值进行对比． 通过公式 pw = ∑ pf + ∑ pj 计算砂浆流过管道 的压力损失; 沿程损失按达西–魏斯巴赫公式计算， hf = λ l d ν 2 2g = 30. 27; 局部 损 失 按 hj = ζ ν 2 2g = 1. 2 × 4 2 × 10 = 0. 24 计算． 其中，pw为总压力损失，pf 为沿程 压力损失，pj局部压力损失，hf沿程损失，λ 为沿程阻力 系数，l 为管子的长度，v 为管子的有效截面上平均流 速，ζ 为局部阻力系数，g 为重力加速度． 经理论计算 管路的沿程阻力损失 pw = 515562 Pa． 拟合度为 0. 92， 符合数值模拟的要求［13--14］． 3 模拟结果与分析 3. 1 “L 型”管内速度场分析 为了分析“L 型”充填管路弯管处速度变化情况， 通过数值模拟得到其速度分析结果，弯管处速度云图 如图 3 所示，管道沿 X 轴方向速度分布如图 4 所示． 从图 3 和图 4 中可以看出，L 型管道弯管处速度 · 1701 ·

·1072· 工程科学学报，第38卷，第8期 速度m·s) 压力Pa 5.89x10 5.60x10㎡ 5.30x10 5.01×10 4.71×10 4.42×10 4.12×10 3.83×10 3.53×10 3.24×10 2.94x10 2.65x109 图3L型管路弯管处速度分布云图 2.35×10 Fig.3 Velocity nephogram of the Ltype pipe elbow 2.06x10 1.76x10 1.47x10 3.0 L.17×10 2.5 8.76x103 5.81×103 2.0 2.86x103 15 8.73×10 1.0 图5D型螺旋管压力云图 Fig.5 0.5 Pressure nephogram of the D-ype spiral pipe 2.5 5.07.510.012.515.017.520.0 速度(ms-少 沿轴方向的位置m 4.00 3.84 图4L型管路沿X轴方向速度分布 3.68 Fig.4 Velocity distribution of the L-type pipe in the X axis 3.52 336 变化较大.图4可以直观地看出弯管处速度剧烈的震 3.20 荡现象，弯管处速度的剧烈变化也正是导致弯管处易 3.04 出现爆管现象的主要原因，因此在L型管路中需对弯 2.88 2.72 管处进行保护措施.除此之外，还需要设法降低料浆 2.56 输送至弯管处的压力 2.40 2.24 3.2螺旋管内速度场和压力场分析 2.08 为了比较分析充填料浆在螺旋管和直管内的阻力 1.92 损失情况，通过数值模拟得到各型号螺旋管内压力和 1.76 1.60 速度分布，如图5~图9所示，并求得各型号螺旋管与 1.44 直管在同等高度(2m)下阻力损失的比值，如表2 1.28 1.12 所示 9.60x10- 表2螺旋管与直管内阻力损失及其比例系数 8.00x10 Table 2 Intemal resistance loss of the spiral pipe and straight pipe and 图6D型螺旋管速度云图 their proportional coefficient Fig.6 Velocity nephogram of the D-type spiral pipe 管道型号 进出口压差/Pa 9/D A型：D=1m,q=1m 43283 1.00 16.8 0.18 B型：D=0.8m,q=1m 42286 1.25 16.4 0.12 C型：D=0.3m,q=0.5m 29086 1.67 11.3 0.10 0.08 D型：D=0.6m,q=1m 36863 1.67 16.3 0.06 E型：D=1m,g=2m 26144 2.00 10.1 88 2m竖直管 2577 1 -0.4 0.2 0.2 0.4 0.6 位置m 从图5和图6中可以看出：D型螺旋管进出口压 图7D型螺旋管内压力变化图 差为3.68×10Pa,并且充填料浆在螺旋管外侧速度 Fig.7 Pressure distribution in the D-type spiral pipe

工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 图 3 L 型管路弯管处速度分布云图 Fig． 3 Velocity nephogram of the L-type pipe elbow 图 4 L 型管路沿 X 轴方向速度分布 Fig． 4 Velocity distribution of the L-type pipe in the X axis 变化较大． 图 4 可以直观地看出弯管处速度剧烈的震 荡现象，弯管处速度的剧烈变化也正是导致弯管处易 出现爆管现象的主要原因，因此在 L 型管路中需对弯 管处进行保护措施． 除此之外，还需要设法降低料浆 输送至弯管处的压力． 3. 2 螺旋管内速度场和压力场分析 为了比较分析充填料浆在螺旋管和直管内的阻力 损失情况，通过数值模拟得到各型号螺旋管内压力和 速度分布，如图 5 ～ 图 9 所示，并求得各型号螺旋管与 直管在 同 等 高 度 ( 2 m) 下 阻 力 损 失 的 比 值，如 表 2 所示． 表 2 螺旋管与直管内阻力损失及其比例系数 Table 2 Internal resistance loss of the spiral pipe and straight pipe and their proportional coefficient 管道型号 进出口压差/Pa q /D bn A 型: D = 1 m，q = 1 m 43283 1. 00 16. 8 B 型: D = 0. 8 m，q = 1 m 42286 1. 25 16. 4 C 型: D = 0. 3 m，q = 0. 5 m 29086 1. 67 11. 3 D 型: D = 0. 6 m，q = 1 m 36863 1. 67 16. 3 E 型: D = 1 m，q = 2 m 26144 2. 00 10. 1 2 m 竖直管 2577 — 1 从图 5 和图 6 中可以看出: D 型螺旋管进出口压 差为 3. 68 × 104 Pa，并且充填料浆在螺旋管外侧速度 图 5 D 型螺旋管压力云图 Fig． 5 Pressure nephogram of the D-type spiral pipe 图 6 D 型螺旋管速度云图 Fig． 6 Velocity nephogram of the D-type spiral pipe 图 7 D 型螺旋管内压力变化图 Fig． 7 Pressure distribution in the D-type spiral pipe · 2701 ·

牟宏伟等：螺旋管在小倍线充填中的应用及充填倍线公式修正 ·1073· 0.100 L+(b。-1)m N"= (4) 0.075 H 0.050 0.025 式中，N表示充填倍线，W表示有效充填倍线，H表示 0 充填管道起点和终点的高差，L表示包括弯头、接头等 -0.025 管件的换算长度在内的管路总长度，m表示螺旋管总 -0.075 高度，b表示各种型号螺旋管与同等高度直管阻力损 0.100 0.125 失之比 -0.1582500250.500751001251501.7520225 3.3.2求解比例系数b。 位置m 由于式(4)是基于阻力损失的计算结果提出的， 图8D型螺旋管Y轴方向压力分布 因此该公式仅适用于比例系数b可求的情况.在添加 Fig.8 Pressure distribution of the D-ype spiral pipe in the Y axis 螺旋管增阻时b,表示各种型号螺旋管与同等高度直 40 管阻力损失之比，在其他情况下b表示添加的增阻设 35 施所产生的阻力与1m直管阻力的比值.相关管路和 30 增阻设施的阻力损失大小在条件允许的情况下可以通 30 过工业试验求得，条件不允许的情况下可通过数值模 15 拟的方式求得. 10 4 结论与展望 0 0 46 8 10 (1)提出利用螺旋管进行增阻调压的方案，并通 位置/m 过数值模拟计算求得所设计螺旋管与同等高度直管 图9L型管路沿Y轴方向压力分布 的阻力损失之比.计算结果表明：设计的螺旋管增阻 Fig.9 Pressure distribution of the Lttype pipe in the y axis 调压结构所产生的阻力是同等高度直管的10.1~ 大于内侧导致充填料浆外侧的动压大于内侧.由此可 16.8倍 以得出：充填料浆对螺旋管外侧的冲击磨损较内侧严 (2)基于数值模拟计算结果，提出增设增阻减压 重，在进行螺旋管设计和生产中需要对外侧进行适当 的强化处理.从图7中可以看出螺旋管中的充填料浆 设施后的有效充填倍线计算公式N=+(6。-)·m H 在竖直方向上压力得到了连续稳定的释放 该公式能较准确地计算出增设增阻减压设施后的有效 图8、图9和表2中可以看出：同等高度的螺旋管 充填倍线. 所产生的阻力损失较直管大，用b表示各种型号螺旋 (3)通过与其他增阻调压方案的对比及数值模拟 管与同等高度直管沿程阻力损失之比，在2m·s的料 结果可知：螺旋管增阻调压方案可以在保证料浆连续 浆速度下，则b值在10.1~16.8之间，当料浆流速提 输送的情况下达到增阻调压的目的，料浆的剩余压头 高时b.值会更高.由此可见应用螺旋管可以产生较好 可以在螺旋管中得到连续稳定的释放，说明该方案用 的增阻效果，且能保证螺旋管能够连续稳定地消耗充 于充填管路输送是合理且可行的. 填料浆的剩余压头 参考文献 3.3基于螺旋管模拟的充填倍线修正公式 3.3.1计算充填倍线的修正公式 [Liu X H,Wu A X,Wang H J,et al.Full-flow transport theory and its application in deep mine backfilling.J Unir Sci Technol 充填料浆的输送多采用自流输送，常用充填倍线 Beng,2013,35(9):1113 来表示自流输送所能达到的充填范围，见式(3).由于 (刘晓辉，吴爱祥，王洪江，等。深井矿山充填满管输送理论 充填管路增设螺旋管后管路的沿程阻力损失发生改 及应用.北京科技大学学报，2013,35(9)：1113) 变，充填倍线计算公式无法对增加螺旋管后的充填倍 2] David A M,Alastair D S.The effects of a highly viscous liquid 线进行准确的计算，因此提出增设增阻减压设施后的 phase on vertically upward two-phase flow in a pipe.Int 有效充填倍线的计算方法具有重要意义，相关的计算 Multiphase Flow,2003,29 (9):1523 [B] 分析也将成为管道输送设计和安装的依据.本文基于 Dan Y F.On application of filling pressure relief system in the nonferrous deep shaft mine in China.Nonferrous Met Des,2003. 阻力损失的计算结果提出计算充填倍线的修正公式， 30(1):5 见式(4). (淡永富.充填减压系统在有色深井矿山中的应用探讨.有色 N= (3) 金属设计，2003,30(1)：5) H [4]Wang X M,Pan C J,Xu D S.Determine the maximum safe

牟宏伟等: 螺旋管在小倍线充填中的应用及充填倍线公式修正 图 8 D 型螺旋管 Y 轴方向压力分布 Fig． 8 Pressure distribution of the D-type spiral pipe in the Y axis 图 9 L 型管路沿 Y 轴方向压力分布 Fig． 9 Pressure distribution of the L-type pipe in the Y axis 大于内侧导致充填料浆外侧的动压大于内侧． 由此可 以得出: 充填料浆对螺旋管外侧的冲击磨损较内侧严 重，在进行螺旋管设计和生产中需要对外侧进行适当 的强化处理． 从图 7 中可以看出螺旋管中的充填料浆 在竖直方向上压力得到了连续稳定的释放． 图 8、图 9 和表 2 中可以看出: 同等高度的螺旋管 所产生的阻力损失较直管大，用 bn表示各种型号螺旋 管与同等高度直管沿程阻力损失之比，在 2 m·s － 1的料 浆速度下，则 bn值在 10. 1 ～ 16. 8 之间，当料浆流速提 高时 bn值会更高． 由此可见应用螺旋管可以产生较好 的增阻效果，且能保证螺旋管能够连续稳定地消耗充 填料浆的剩余压头． 3. 3 基于螺旋管模拟的充填倍线修正公式 3. 3. 1 计算充填倍线的修正公式 充填料浆的输送多采用自流输送，常用充填倍线 来表示自流输送所能达到的充填范围，见式( 3) ． 由于 充填管路增设螺旋管后管路的沿程阻力损失发生改 变，充填倍线计算公式无法对增加螺旋管后的充填倍 线进行准确的计算，因此提出增设增阻减压设施后的 有效充填倍线的计算方法具有重要意义，相关的计算 分析也将成为管道输送设计和安装的依据． 本文基于 阻力损失的计算结果提出计算充填倍线的修正公式， 见式( 4) ． N = L H ． ( 3) N' = L + ( bn － 1)·m H ． ( 4) 式中，N 表示充填倍线，N'表示有效充填倍线，H 表示 充填管道起点和终点的高差，L 表示包括弯头、接头等 管件的换算长度在内的管路总长度，m 表示螺旋管总 高度，bn表示各种型号螺旋管与同等高度直管阻力损 失之比． 3. 3. 2 求解比例系数 bn 由于式( 4) 是基于阻力损失的计算结果提出的， 因此该公式仅适用于比例系数 bn可求的情况． 在添加 螺旋管增阻时 bn表示各种型号螺旋管与同等高度直 管阻力损失之比，在其他情况下 bn表示添加的增阻设 施所产生的阻力与 1 m 直管阻力的比值． 相关管路和 增阻设施的阻力损失大小在条件允许的情况下可以通 过工业试验求得，条件不允许的情况下可通过数值模 拟的方式求得． 4 结论与展望 ( 1) 提出利用螺旋管进行增阻调压的方案，并通 过数值模拟计算求得所设计螺旋管与同等高度直管 的阻力损失之比． 计算结果表明: 设计的螺旋管增阻 调压结构 所 产 生 的 阻 力 是 同 等 高 度 直 管 的 10. 1 ～ 16. 8 倍． ( 2) 基于数值模拟计算结果，提出增设增阻减压 设施后的有效充填倍线计算公式 N' = L + ( bn － 1)·m H ， 该公式能较准确地计算出增设增阻减压设施后的有效 充填倍线． ( 3) 通过与其他增阻调压方案的对比及数值模拟 结果可知: 螺旋管增阻调压方案可以在保证料浆连续 输送的情况下达到增阻调压的目的，料浆的剩余压头 可以在螺旋管中得到连续稳定的释放，说明该方案用 于充填管路输送是合理且可行的． 参 考 文 献 ［1］ Liu X H，Wu A X，Wang H J，et al． Full-flow transport theory and its application in deep mine backfilling． J Univ Sci Technol Beijing，2013，35( 9) : 1113 ( 刘晓辉，吴爱祥，王洪江，等． 深井矿山充填满管输送理论 及应用． 北京科技大学学报，2013，35( 9) : 1113) ［2］ David A M，Alastair D S． The effects of a highly viscous liquid phase on vertically upward two-phase flow in a pipe． Int J Multiphase Flow，2003，29( 9) : 1523 ［3］ Dan Y F． On application of filling pressure relief system in the nonferrous deep shaft mine in China． Nonferrous Met Des，2003， 30( 1) : 5 ( 淡永富． 充填减压系统在有色深井矿山中的应用探讨． 有色 金属设计，2003，30( 1) : 5) ［4］ Wang X M，Pan C J，Xu D S． Determine the maximum safe · 3701 ·

·1074· 工程科学学报，第38卷，第8期 height of adjustable vertical /The Collected Papers of the Frontier [10]Wang X M.Ding D O,Wu Y B,et al.Numerical simulation Forum of Metal Mining.Changsha,2006:4 and analysis of paste backfilling with piping transport.China Min (王新民，潘长甲，徐东升.变径满管流系统垂直管道最大安 Mag,2006,15(7):58. 全高度的确定/金属矿采矿科学技术前沿论坛论文集.长 (王新民，丁德强，吴亚斌，等.膏体充填管道输送数值模拟 沙，2006：4) 与分析.中国矿业，2006,15(7)：58) 5]Xu D S.Discussion on pressure reducing technology of filling [11]Wang X L,Cao Y B,Zhang M X,et al.Three-dimensional sim- pipeline transportation system in deep well.Express Inf Min Ind, ulation of solid-iquid two-phase flow in a circular secondary clar- 2007(2):25 ifier.Eng Mech,2009,26(6):243 (徐东升.深井充填管道输送系统减压技术探讨.矿业快报， (王晓玲，曹月波，张明星，等.辐流式沉淀池固液两相流三 2007(2):25) 维数值模拟.工程力学，2009,26(6)：243) 6]Xu L.Yang X J.Shi Z H,et al.Numerical simulation on local 02] Wu D,Cai S J,Yang W,et al.Simulation and experiment of loss in helical pipes.Mach Tool Hydraul,2009.37(10):114 backfilling pipeline transportation of solid-liquid two-phase flow (许立，杨笑瑾，施志辉，等.螺旋管局部损失的数值模拟 based on CFD.Chin J Nonferrous Met,2012,22 (7)2133 机床与液压，2009,37(10)：114) (吴迪，蔡嗣经，杨威，等.基于CFD的充填管道固液两相 ]Jiang ZA,Liu X L,Du C F,et al.Numerical simulation of goaf 流输送模拟及试验.中国有色金属学报，2012,22(7)： sealing and inerting fire-fighting technology for fully mechanized 2133) coal faces.J Univ Sci Technol Beijing,2014.36(6):722 D3] Deng D Q,Gao Y T,Yang Y L,et al.Rheological properties of (蒋仲安，刘样龙，杜翠风，等.综采工作面采空区封闭与惰 full tailings slury in pipeline transportation based on the hydro 化防灭火技术的数值模拟.北京科技大学学报，2014,36 mechanics theory.J Unir Sci Technol Beijing,2009,31(11): (6):722) 1381 [8]Zhu HJ.FLUENT Fluid Analysis and Simulation Practical Tutori- (邓代强，高永涛，杨耀亮，等.基于流体力学理论的全尾砂 al.Beijing:People's Posts and Telecom Press,2010 浆管道输送流变性能.北京科技大学学报，2009,31(11)： (朱红钧.FLUENT流体分析及仿真实用教程.北京：人民邮 1381) 电出版社，2010) [14]Wu A X,Liu X H,Wang H J,et al.Resistance characteristics Liu Y B,Chen J Z,Yang Y R.Numerical simulation of liquid- of structure fluid backfilling slurry in pipeline transport.J Cent solid two-phase flow in slurry pipeline transportation.J Zhejiang South Unin Sci Technol,2014,45(12)4325 Univ Eng Sci,2006,40(5):858 (吴爱样，刘晓辉，王洪江，等.结构流充填料浆管道输送阻 (刘永兵，陈纪忠，阳永荣。管道内液固浆液输送的数值模 力特性.中南大学学报（自然科学版），2014,45(12)： 拟.浙江大学学报（工学版），2006,40(5)：858) 4325)

工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 height of adjustable vertical / / The Collected Papers of the Frontier Forum of Metal Mining． Changsha，2006: 4 ( 王新民，潘长甲，徐东升． 变径满管流系统垂直管道最大安 全高度的确定/ /金属矿采矿科学技术前沿论坛论文集． 长 沙，2006: 4) ［5］ Xu D S． Discussion on pressure reducing technology of filling pipeline transportation system in deep well． Express Inf Min Ind， 2007( 2) : 25 ( 徐东升． 深井充填管道输送系统减压技术探讨． 矿业快报， 2007( 2) : 25) ［6］ Xu L，Yang X J，Shi Z H，et al． Numerical simulation on local loss in helical pipes． Mach Tool Hydraul，2009，37( 10) : 114 ( 许立，杨笑瑾，施志辉，等． 螺旋管局部损失的数值模拟． 机床与液压，2009，37( 10) : 114) ［7］ Jiang Z A，Liu X L，Du C F，et al． Numerical simulation of goaf sealing and inerting fire-fighting technology for fully mechanized coal faces． J Univ Sci Technol Beijing，2014，36( 6) : 722 ( 蒋仲安，刘祥龙，杜翠凤，等． 综采工作面采空区封闭与惰 化防灭火技术的数值模拟． 北 京 科 技 大 学 学 报，2014，36 ( 6) : 722) ［8］ Zhu H J． FLUENT Fluid Analysis and Simulation Practical Tutori￾al． Beijing: People's Posts and Telecom Press，2010 ( 朱红钧． FLUENT 流体分析及仿真实用教程． 北京: 人民邮 电出版社，2010) ［9］ Liu Y B，Chen J Z，Yang Y Ｒ． Numerical simulation of liquid￾solid two-phase flow in slurry pipeline transportation． J Zhejiang Univ Eng Sci，2006，40( 5) : 858 ( 刘永兵，陈纪忠，阳永荣． 管道内液固浆液输送的数值模 拟． 浙江大学学报( 工学版) ，2006，40( 5) : 858) ［10］ Wang X M，Ding D Q，Wu Y B，et al． Numerical simulation and analysis of paste backfilling with piping transport． China Min Mag，2006，15( 7) : 58． ( 王新民，丁德强，吴亚斌，等． 膏体充填管道输送数值模拟 与分析． 中国矿业，2006，15( 7) : 58) ［11］ Wang X L，Cao Y B，Zhang M X，et al． Three-dimensional sim￾ulation of solid-liquid two-phase flow in a circular secondary clar￾ifier． Eng Mech，2009，26( 6) : 243 ( 王晓玲，曹月波，张明星，等． 辐流式沉淀池固液两相流三 维数值模拟． 工程力学，2009，26( 6) : 243) ［12］ Wu D，Cai S J，Yang W，et al． Simulation and experiment of backfilling pipeline transportation of solid-liquid two-phase flow based on CFD． Chin J Nonferrous Met，2012，22( 7) : 2133 ( 吴迪，蔡嗣经，杨威，等． 基于 CFD 的充填管道固液两相 流输送模 拟 及 试 验． 中国有色金属学报，2012，22 ( 7 ) : 2133) ［13］ Deng D Q，Gao Y T，Yang Y L，et al． Ｒheological properties of full tailings slurry in pipeline transportation based on the hydro￾mechanics theory． J Univ Sci Technol Beijing，2009，31 ( 11) : 1381 ( 邓代强，高永涛，杨耀亮，等． 基于流体力学理论的全尾砂 浆管道输送流变性能． 北京科技大学学报，2009，31( 11) : 1381) ［14］ Wu A X，Liu X H，Wang H J，et al． Ｒesistance characteristics of structure fluid backfilling slurry in pipeline transport． J Cent South Univ Sci Technol，2014，45( 12) : 4325 ( 吴爱祥，刘晓辉，王洪江，等． 结构流充填料浆管道输送阻 力特 性． 中 南 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版) ，2014，45 ( 12 ) : 4325) · 4701 ·