林海等：短壁连采连充式胶结充填采煤技术应用研究 .7 Gangue Mine water ement silo Fly ash silo Shovel loader Secondary Screw crushing feeder ≥15mm ≤15mm Primary crushing Vibrating screen Primary mixing Secondary mixing Pipeline transportation+ 图8矸石破碎与料浆制备系统 Fig.8 Gangue crushing and slurry preparation system 通过皮带进入一级搅拌机，干料充分混合搅拌后， 式中：8为管道壁厚，mm:P为管道最大工作压力， 进入二级搅拌机，加入水进行细搅拌，当搅拌作业 MPa;D为管道最小内径，mm;K为管道材料的腐 完成后，浆体通过垂直管道送入井下充填工作面. 蚀磨蚀量，mm:[d为管道材料的最大抗拉许用应 3.2管道输送系统 力，MPa 结合工作面埋深和管道输送距离，可以选择 33管道压力与充填体稳定性监测系统 自流输送或者加压泵送方式将料浆送入井下采空 管道压力和充填体稳定性监测能够为充填开 区，当充填倍线在1.5~5之间时，可以采用自流输 采安全生产提供实时预警和预报，如图9所示，充 送方式，当充填倍线大于5，适宜采用泵送方式2-3) 填监测系统分为井上和井下两部分，井下部分通 如果采用自流输送方式，需要对沿程输送阻力进 过在管道输送沿程和工作面布置多功能监测分 行计算，沿程阻力损失可分为直管段和弯头段，实 站，监测分站通过接线盒与各传感器连接，监测数 践表明，采用整体估算法计算局部阻力损失相比 据主要包括管道压力、充填体压力、充填体变形 传统估算法更为精确，弯头段由于流动规律复杂， 量和充填体温度 阻力损失采用整体估算法4，则整个管道内的沿 管道压力是反映料浆输送系统运行状态的重 程阻力损失可由以下公式获得： 要参数，由于井下条件复杂，一般非介入式测量法 16..32 16 32u PgH=P吃+3D+nL+3Do+n Lb 容易受到外界干扰，因此采用介入压力检测与与 (1) 卸料阀实施监控料浆堵管位置并提前预警.选用 式中：p为料浆密度，kgm3;g为重力加速度，9.8ms2； 带有压力监测功能的卸料阀，将其连接在充填主 H为工作面埋深，m;D为管道内径，m;v为管道出 管道上，卸料阀内的活塞杆可根据监测压力大小 口料浆流速，ms；o为屈服应力，Pa;n为料浆塑 上下移动，当管道压力值达到预警水平后，可自动 性黏度，Pas;u为料浆流速，msl.Ls为直管段长 打开卸料阀卸料预防堵管.采用硅压阻压力传感 度，m;Lb为弯头段长度，m;Lb=r2,n为弯头个 器测量管道压力，可以监测到频响范围为5Hz的 数，r为弯头半径，m;k为弯头段沿程阻力系数 脉冲，通过多功能分站定时采集数据，最终通过井 根据矿山对充填能力和料浆的工作临界流速， 下动态监侧将数据上传至地面：充填位置主要选 可以确定管道最小直径B阿： 择在立管底部、弯头段和管道变径点，水平段仅需 布置个别监测点 40 D=V3600m (2) 而充填体整体稳定性能够为选择采充方式、 式中：Q为设计充填能力，m3h 设备选型以及顶板控制提供根本的科学依据，由 根据管道工作压力和磨蚀腐蚀量，可以确定 于胶结充填体具有高温和高湿特点，采用特制顶 管道壁厚)： 底板变形仪和压力传感器监测充填体受力变形状 PD 态，同时为了掌握料浆的水化温度，采用数字温度 6= 2©*K (3) 传感器监测充填体温度通过皮带进入一级搅拌机，干料充分混合搅拌后， 进入二级搅拌机，加入水进行细搅拌，当搅拌作业 完成后，浆体通过垂直管道送入井下充填工作面. 3.2    管道输送系统 结合工作面埋深和管道输送距离，可以选择 自流输送或者加压泵送方式将料浆送入井下采空 区，当充填倍线在 1.5～5 之间时，可以采用自流输 送方式，当充填倍线大于 5，适宜采用泵送方式[32–33] . 如果采用自流输送方式，需要对沿程输送阻力进 行计算，沿程阻力损失可分为直管段和弯头段，实 践表明，采用整体估算法计算局部阻力损失相比 传统估算法更为精确，弯头段由于流动规律复杂， 阻力损失采用整体估算法[34] ，则整个管道内的沿 程阻力损失可由以下公式获得： ρgH = ρ v 2 2 + ( 16 3D τ0 +η 32u D2 ) Ls +k ( 16 3D τ0 +η 32u D2 ) Lb （1） 式中：ρ 为料浆密度，kg·m–3 ；g 为重力加速度，9.8 m·s–2 ； H 为工作面埋深，m；D 为管道内径，m；v 为管道出 口料浆流速，m·s–1 ；τ0 为屈服应力，Pa；η 为料浆塑 性黏度，Pa·s；u 为料浆流速，m·s–1 . Ls 为直管段长 度，m；Lb 为弯头段长度，m；Lb = nπr/2，n 为弯头个 数，r 为弯头半径，m；k 为弯头段沿程阻力系数. 根据矿山对充填能力和料浆的工作临界流速， 可以确定管道最小直径[35] ： D = √ 4Q 3600πu （2） 式中：Q 为设计充填能力，m 3 ·h–1 . 根据管道工作压力和磨蚀腐蚀量，可以确定 管道壁厚[35] ： δ = PD 2[δ] +K （3） [δ] 式中：δ 为管道壁厚，mm；P 为管道最大工作压力， MPa；D 为管道最小内径，mm；K 为管道材料的腐 蚀磨蚀量，mm； 为管道材料的最大抗拉许用应 力，MPa. 3.3    管道压力与充填体稳定性监测系统 管道压力和充填体稳定性监测能够为充填开 采安全生产提供实时预警和预报，如图 9 所示，充 填监测系统分为井上和井下两部分，井下部分通 过在管道输送沿程和工作面布置多功能监测分 站，监测分站通过接线盒与各传感器连接，监测数 据主要包括管道压力、充填体压力、充填体变形 量和充填体温度. 管道压力是反映料浆输送系统运行状态的重 要参数，由于井下条件复杂，一般非介入式测量法 容易受到外界干扰，因此采用介入压力检测与与 卸料阀实施监控料浆堵管位置并提前预警. 选用 带有压力监测功能的卸料阀，将其连接在充填主 管道上，卸料阀内的活塞杆可根据监测压力大小 上下移动，当管道压力值达到预警水平后，可自动 打开卸料阀卸料预防堵管. 采用硅压阻压力传感 器测量管道压力，可以监测到频响范围为 5 Hz 的 脉冲，通过多功能分站定时采集数据，最终通过井 下动态监测将数据上传至地面；充填位置主要选 择在立管底部、弯头段和管道变径点，水平段仅需 布置个别监测点. 而充填体整体稳定性能够为选择采充方式、 设备选型以及顶板控制提供根本的科学依据，由 于胶结充填体具有高温和高湿特点，采用特制顶 底板变形仪和压力传感器监测充填体受力变形状 态，同时为了掌握料浆的水化温度，采用数字温度 传感器监测充填体温度. Secondary mixing Cement silo Fly ash silo Screw feeder Mine water Shovel loader Gangue Vibrating screen Primary mixing Pipeline transportation Primary crushing Secondary crushing ≥15 mm ≤15 mm 图 8    矸石破碎与料浆制备系统 Fig.8    Gangue crushing and slurry preparation system 林    海等： 短壁连采连充式胶结充填采煤技术应用研究 · 7 ·