.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)