0 引 言
随着煤炭开采技术和矿山充填技术的迅速发展，以及国家相继发布关于鼓励煤矸石等有效处理和利用的政策法规，从资源回收和环境保护的角度出发，采用煤矸石充填采煤技术开采“三下”压煤已成为煤矿绿色开采的一个重要方向[1-3]。传统的煤矿低浓度水砂充填(料浆质量分数40%以下)采煤，充填体强度低、整体性差，充填脱水细泥污染井下环境，充填效率低，不适应现代煤矿高效机械化采煤方式。相比之下，高浓度胶结充填技术(如膏体或似膏体充填)，由于具有浓度高不需脱水(或微量脱水)，充填体强度高，整体性好，井下作业环境好，控制顶板下沉效果显著等优势，更适合煤矿机械化高效采煤的技术要求，受到越来越多的关注[4-6]。
长期以来，由于技术经济等各方面因素的制约，在煤矿只有极少数采用水砂充填法采煤。大规模采用胶结充填法处理采空区进行采煤始于最近十几年[7-9]。目前，对于煤矿胶结充填开采的研究主要侧重于充填开采技术和工艺的开发与应用，关于充填材料固体力学特性、充填采场围岩的力学作用机理、覆岩运动规律及围岩控制理论的研究也不断兴起，对于矸石胶结充填料浆流体力学性能及管道输送特征等的研究相对较少[10-14]。但是，高浓度胶结充填(如膏体或似膏体充填)的料浆质量浓度一般达到75%以上，实际充填过程中容易发生输送故障[15-17]。特别是由于管路布置和充填参数不合理，往往造成充填管路不满管流状态，垂直钻孔管上部出现空管段，导致管路输送稳定性变差，甚至发生堵管或破管事故。
基于上述研究现状，从管路系统和充填参数的优化考虑，笔者结合实践研究煤矸石胶结充填管路输送不满管流的产生原因、危害及其防治途径，以提高管路输送的稳定性，改善充填输送工艺效果。
1 泵压充填管路输送模型
对于质量浓度75%以上的矸石高浓度胶结充填，管路输送阻力比较大，通常采用充填泵加压输送，其管路输送模型如图1所示。
1—料浆制备站；2—充填泵；3—地表管路；4—垂直钻孔；5—井下管路；6—管道出口
图1 充填管路输送模型
Fig.1 Backfill pipeline transportation model
在图1中的垂直钻孔管上端B点取Ⅰ-Ⅰ断面，断面上的料浆压力p1，平均流速v1；在井下管道出口D点取Ⅱ-Ⅱ断面，断面上的料浆压力p2，平均流速v2；Z1、Z2分别为Ⅰ及Ⅱ两断面形心对基准面O—O的几何高度；H0为B点到D点的高差；H为垂直钻孔的高度。
在正常工作阶段，可以近似地认为充填料浆的运动属于稳定流，因此，对于Ⅰ、Ⅱ两断面，由伯努利方程可得到[18]：
(1)
式中：hw为断面Ⅰ到断面Ⅱ管路摩擦阻力损失，Pa；ρ为料浆密度，kg/m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2。
在管径相同的条件下，v1= v2；p1、p2以相对压力(相对大气压)表示，则在管道出口D点p2=0；则式(1)简化为
ρgZ1-Z2+p1=hw
(2)
并且Z1-Z2=H0，则式(2)可表达为
p1=hw-ρgH0
(3)
此外，hw由管路B点到D点的沿程阻力损失hy和局部阻力损失hj两部分组成[15]。其中
hy=fLBD
(4)
式中：f为管道摩擦阻力系数，Pa/m；LBD为B点到D点的管道长度，m。
一般hj=(0.05～0.15)hy，这里取hj=0.1hy，则
hw=hy+hj=1.1fLBD=fwLBD
(5)
式中：fw为综合考虑沿程阻力和局部阻力的摩擦阻力系数，fw=1.1f。
则由式(3)和式(5)可以得到
p1=fwLBD-ρgH0
(6)
2 充填料浆不满管流的产生原因及危害
2.1 充填料浆不满管流的产生原因
在矸石充填料浆泵压充填中，一般情况下全管路充满充填料浆，处于满管流输送状态。此时，在垂直钻孔管上端B点，p1≥0。即
p1=fwLBD-ρgH0≥0
(7)
但是，在井下充填作业中，随着采场或工作面位置的变化，井下水平管路长度不断变化。例如，当井下管路长度或太短时，在垂直钻孔管上部出现空管段，管道输送处于不满管流输送状态，如图2a所示。此时，垂直钻孔管上端B点，p′1<0，由式(6)即
p′1=fwLBD-ρgH0<0
(8)
这种条件下，在垂直钻孔管上端B点，
垂直管顶部处于负压状态(相对于大气压)，原连续流将会出现拉断现象，料浆要由连续体变为不连续体，在拉断区产生局部真空。
需要说明的是，B点的负压极限是真空负压，因此，式(8)中的p′1并不表示B点的真实压力，表达的是BD管段的摩擦阻力损失与BD垂高能提供的浆体势能的差值。p′1值越小，说明垂直管上部存在的空管段越长。随着p′1的不断减小，料浆由最初的浆体柱逐渐被拉成一小段、一小段的分段体甚至成小团状、颗粒状，以一定的加速度冲向下部的浆体柱，如图2b所示。
1—地表水平管道；2—垂直钻孔；3—真空区；4—浆体柱；5—团(粒)状浆体；6—气 (汽)泡
图2 垂直管上部非连续流和不满管流示意
Fig.2 Schematic of discontinuous flow and non-full pipeline flow in the upper part of vertical pipe
2.2 充填料浆不满管流的危害
在图2中的充填料浆不满管流输送状态中，空管段处于负压状态，因此会呈现一定的真空度。此时，本是溶解在水中的空气游离出来，而且当真空区负压达到某一临界值后，部分水分会汽化，混杂在松散的料浆小团中，料浆固液两相流转变成固液气(汽)三相流。不满管流输送状态不仅引起浆体状态的变化，更重要的是对管路输送产生明显的影响和危害。
1)“水锤”冲击。当垂直管上部空管段高度较大时，垂直管顶部浆体以一定的加速度高速下落，甚至近似于“自由落体”运动状态，对下部浆体柱产生“水锤”冲击作用。
2)冲蚀磨损。浆体在高速下落过程中，以团状或段状形态，对空管段的管道内壁产生连续的射流冲击和冲蚀磨损。
3)管道振动。当料浆从垂直管顶部浆体经空管段下落到下部浆液面时，夹有气(汽)泡的团状料浆冲入浆液中，此时的浆体中夹杂有气(汽)泡。浆体中存在的这些具有弹性的气(汽)泡，在不同的管道位置，具有相当于此处有效压头的压力，在流动过程中，压力和体积均是连续变化的，从而引起流动的不稳定。当混有弹性气(汽)泡的浆体从充填管道出口喷出时，剩余压力还会使空气膨胀，产生出料的脉动和轰鸣声，引起水平管道的振动，并很容易造成出口处管道的破坏。
4)管道淤堵。由于空管段的存在，充填泵对于空管段及其后的管道浆体近似于失压状态，充填泵无法有效发挥泵压作业，极易造成矸石浆体的垂直钻孔管底部发生淤积堵塞。
5)损害充填泵。空管段气(汽)泡的弹性特征，将导致充填泵工作状态的频繁波动，对充填泵的性能造成损害。
因此，为了避免不满管流状态对充填管道输送的危害，充填作业要确保满管流输送。
3 不满管流输送状态的防治方法分析
3.1 影响管道输送状态的因素
式(7)和式(8)表明，影响充填料浆输送状态的主要参量：LBE、H0、ρ、fw，其中的fw为考虑沿程阻力和局部阻力的摩擦阻力系数，fw=1.1f。
高浓度充填料浆的流型接近于宾汉塑性体，在管道输送中，其管路摩擦阻力系数可由下式计算[19-20]。
(9)
代入公式(9)得到：
(10)
式中：R为管道内径，m；u为浆体在管道内平均流速，m/s ；Q为充填流量，m3/s；τ0为浆体屈服应力，Pa；η为浆体塑性黏度，Pa·s。
上式表明，影响f的参量包括：充填流量Q、管道内径R和料浆流变参数τ0、η。
综上分析，影响充填料浆输送状态的因素：①充填流量Q；②管道参量：LBE、H0、R；③料浆特性参量：τB、η、ρ。
3.2 避免不满管流输送状态的方法
3.2.1 充填管路建设要合理确定垂直钻孔位置
由满管流输送状态判别式(7)可以得到：
(11)
在图1中， LBD=H+LCD，则式(11)可变为
(12)
从式(12)可以看出，在图1中，当钻孔高度H一定，在充填泵出口和井下管路出口位置保持不变的情况下，即当LAB+H+LCD不变情况下，垂直钻孔靠近充填泵，即减小地面管道长度：LAB′=LAB-s，增大井下管道长度：LC′D=LCD+s，则更能有利于式(12)成立，即更能保证充填输送满管流状态。由图1输送模型优化得到的输送模型如图3所示。
图3 充填管路输送优化模型
Fig.3 Optimization model of filling pipeline transportation
反之，若垂直钻孔远离充填泵，即地面管路LAB较长，井下管路LCD较小，则容易造成不满管流现象的发生。
3.2.2 适当调整料浆浓度和管道内径
在管道长度一定的情况下，由式(7)可以看出，提高fw也就是提高摩擦阻力系数 f值有利于实现满管流状态。式(10)表明，影响f的参量包括：充填流量Q、管道内径R和料浆流变参量τ0、η。对于已建成运行的充填系统，料浆制备和泵送设备等决定了充填流量Q不宜改变。但可以适当调整料浆参数和管径来提高f。
1)提高料浆质量浓度。从式(10)可以看出，f随着τ0和η的增大而增大。τ0和η是充填料浆的流变参数，反映充填料浆流动性，主要与充填材料特性、充填料配比和料浆浓度相关。一般地，充填材料特性、充填料配比基本不变，τ0和η随着料浆浓度的提高而增大。因此，在可能发生不满管流输送状态下，可以适当提高料浆浓度以增大τ0和η，从而增大摩擦阻力系数f值来实现满管流输送状态。
2)减小非主干管道的内径。式(10)表明，f随着管径的减小而增大。现场实践中，包括垂直钻孔在内的主干管道的内径R不宜变动，但可以适当减小非主干管道的内径(如：工作面充填管道的内径)以增大f，尽可能实现满管流输送状态。
4 工程应用
某矿采用矸石粉煤灰似膏体泵送充填技术开采公路下压煤，充填流量Q=90 m3/h，管道内径R=170 mm，其管路布置如图4所示。随着充填工作面的变动，管路长度最长2 318 m，最短1 185 m，充填系统管段长度见表1。
图4 充填管路布置示意
Fig.4 Schematic of filling pipeline layout
表1 充填管段参数
Table 1 Backfill pipe section parameters
管段最远充填点最近充填点长度/m垂高/m长度/m垂高/mAB600600BC433433433433CD1 825166925合计2 3184491 185438
料浆质量分数选用78%和79%。试验测试得到的料浆流变参数、密度及由式(10)计算得到的摩擦阻力系数f，见表2，并且如前所述fw=1.1f。
表2 似膏体充填料浆的特征参数值
Table 2 Characteristic parameter values of paste-likebackfill slurry
项 目不同料浆质量分数下的特征参数值78%79%屈服应力τ0/Pa78.4112.7塑性黏度η/(Pa·s)2.762.93料浆密度ρ/(kg·m-3)1 9001 930摩擦阻力系数f/(103Pa·m-1)5.83 7.11 fw/(103Pa·m-1)6.41 7.82
1)远距离充填方案。对于远距离充填，特别是最远充填点，LBD=2 558 m，H0=449 m。料浆质量分数选用78%，相应的特征参数见表2。则由式(6)可以得到
p1=fwLBD-ρgH0=6.32×103 Pa
因此，在垂直管顶部，p1>0，表明管路系统处于满管流输送状态。
2)近距离充填方案。当井下充填管线比较短时，特别是在最近充填点时，LBD=1 125 m，H0=438 m。由式(6)可以计算得
此时，p′1<0，说明垂直管上部会出现空管，管道输送处于不满管流状态。
为了避免不满管流状态的发生，料浆质量分数由78%提高到79%，相应的特征参数见表2。则由式(6)可以得到
p1>0，因此，当井下充填管线比较短时，料浆质量分数由78%提高到79%，整个充填管路仍保持满管流输送状态。
5 结 论
1)影响充填料浆输送状态的参量包括：充填流量Q，管道参量LBE、H0、R，料浆特性参量τ0、η、ρ；充填料浆及输送参量匹配不合理将导致管道输送不满管流状态及垂直管上部空管段的发生。
2)不满管流输送状态恶化了充填管路输送的稳定性，会对管路输送产生明显的影响和危害：“水锤”冲击作用、对管壁的冲蚀磨损、水平管道振动、料浆发生淤积堵塞、损害充填泵。
3)实际充填过程中，应避免不满管流输送状态的发生，主要的防治途径包括：充填管路建设要合理确定垂直钻孔位置；在可能发生不满管流输送状态下，可以通过适当提高料浆浓度，从而增大管道摩擦阻力来实现满管流输送状态；适当减小非主干管道的内径(如：工作面充填管道的内径)以增大管道摩擦阻力，尽可能实现满管流输送状态。
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