深井充填管道磨损机理及可靠性评价体系研究.pdf

中南大学 博士学位论文 深井充填管道磨损机理及可靠性评价体系研究 姓名张德明 申请学位级别博士 专业采矿工程 指导教师王新民 201206 中南大学博士学位论文摘要 摘要 随着我国浅部资源的日益消耗，矿产资源趋于向深部开发，在这种趋势下将 使胶结充填采矿法在深井开采的矿山中所占有的比例明显增加。然而，胶结充填 采矿法用于深井开采不周于浅井开采，其在充填体系方面必须要重点解决的技术 问题是固液两相流管道输送特性、管道磨损机理和充填系统可靠性三个方面。 结合国内外深井矿山实践经验，深井胶结充填采矿法多采用充填料浆管道自流输 送技术，且在充填系统方面遇到的主要技术难题之一就是充填管道磨损问题，特 别是垂直钻孔内的管道是整个充填系统的咽喉要道，一经破坏，轻则堵塞钻孔， 重则使整条钻孔报废，严重影响矿山的正常生产，并且会发生严重的安全事故。 目前，国内外对石油、天然气等输送管道磨损问题研究得较多，但其破坏形式与 充填管道的磨损有本质的区别，前者主要是腐蚀破坏，而后者主要是极为复杂的 冲击磨损破坏。国内外相关学者对深并充填钻孔内管道磨损问题还仅处于经验摸 索阶段，严重缺乏理论基础。因此，对深并开采管道磨损机理的研究应是深井充 填系统建设和设计亟需解决的重大问题。 本文通过分析目前常用的充填材料对深井开采的适用性及充填料浆配比选 择确定了深井开采可选择的充填材料类型，并通过对深井充填管道输送性能的研 究，提出了几种适合深井开采的充填系统输送工艺，同时在研究两相流自流输送 性能后确定了自流输送系统是深井开采的最佳选择，针对管道自流输送状态下充 填料浆的运动形式分析确定了深井充填管道磨损的主要研究方向，即充填钻孔内 竖直管道的磨损机理研究。 针对深井管道自流输送的特点，结合我国率先进行深井开采的金川矿区实际 充填工艺情况，通过现场调研的方式了解了充填钻孔内竖直管道磨损的基本形式 和位置，利用动量与能量的原理解释了管道磨损的机理，并通过动量与能量的原 理对管径、粒级组成、体积浓度和充填倍线等影响因素与管道磨损程度进行了定 量分析。 基于管道磨损的机理，阐述总结并提出了深井降低管道磨损的具体措施，为 将来我国大规模深井开采提供了可靠的技术研究方向。 利用事故树分析原则和失效概率原则对深井充填管道系统的可靠性进行了 中南大学博士学位论文 摘要 综合评价体系研究。研究中发现充填系统出现事故的主要因素包括管道磨损、 突发故障的损坏和制浆的质量差；另外不合理负坡段、充填倍线和操作管理人员 的疏忽，也是导致系统发生故障的重要原因。 通常情况，深井充填管道系统可靠性随着事故因素的水平等级和可接受的失 效概率的提高而提高。求得的各等级权重矩阵中对应的隶属函数值，就是该系统 的可接受失效概率，并通过矿山长期生产积累的事故统计参数计算出事故发生的 概率与可接受失效概率对比确定深井充填管道系统的可靠性。 本文的内容基本概括了深井充填中可能遇到的主要技术问题，并提出了解决 这些问题的技术途径和有待迸一步深入研究的课题。 关键词深井开采，自流输送，管道磨损，可靠性 I I 堕查堂堡主兰垡笙茎 些曼里坠里 - _ ’_ - _ _ - _ ●_ - ●_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ’_ _ ●- - h _ - 一一 一 A B S T R A C T W i t hC h i n a sv o w i n gc o n s u m p t i o no fs h a l l o wr e s o u r c e s ，m i n e r a lr e s o u r c e st e n d t od e v e l o pd e e p ．I nt h i st r e n d ，t h er a t eo fc e m e n t e df i l lm e t h o di n d e e pm i n i n gW a S s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d ．H o w e v e r , t h ec e m e n tf i Um e t h o df o rd e e pm i n i n gi sd i f f e r e n t f r o mt h es h a l l o wm i n i n g ，t h et e c h n i c a lp r o b l e mo f f i l l i n gs y s t e m ，w h i c hi sn e e d e dt o f o c u so nr e s o l v i n gi s t h e s o l i d l i q u i dt w o - p h a s ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so fp i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o n ，p i p e l i n e sa n df i l l i n gs y s t e mr e l i a b i l i t yw e a rm e c h a n i s m ．A sd o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a lm i n i n ge x p e r i e n c e ，d e e p6 1 1m i n i n gm e t h o dm o s tt ou s e dg r a v i t y c o n v e y o rt e c h n o l o g y , a n di nt h ef i l l i n gs y s t e me n c o u n t e r e dm a j o rt e c h n i c a lp r o b l e mi s w e a l “ a n dt e a ro np i p e st oa f f e c to np r o d u c t i o na n ds a f e t y ，e s p e c i a l l yw i t h i nt h e p i p ei n v e r t i c a ld r i l l s ．A tp r e s e n t , t h es t u d yo f p i p e l i n e ’Sw e a ri sm o r ei no i la n dn a t u r a lg a s ， b u ti t sd a m a g ei nt h ef o r mi se s s e n t i a ld i f f e r e n t ，t h ed a m a g eo ff o r m e ri sm a i n l y c o r r o s i o n d a m a g e ，w h i l et h e l a t t e ri sah i g h l y c o m p l e xm a j o ri m p a c tw e a r d a m a g e ．D o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r ss t u d i e do nt h i sk i n do fw e a rp r o b l e mh a do n l y i nt h ee x p e r i e n c ee x p l o r a t o r ys t a g e ，a n ds e r i o u sl a c ko ft h e o r e t i c a lb a s i s ．T h e r e f o r e ， t h er e s e a r c ho nw e a rm e c h a n i s mo fd e e pm i n i n gp i p e l i n es h o u l db et h e m a j o r p r o b l e m sn e e d e dt os o l v ei nd e e pf i l l i n gs y s t e mc o n s t r u c t i o na n dd e s i g n ． T h i sp a p e ra n a l y z e st h ea p p l i c a b i l i t yo f f i l l i n gd e e pf o rt h em o s tc o m m o n l yu s e d f i l l i n gm a t e r i a la n dt h er a t i oo ft h e s em a t e r i a l ．I tc o u l dc o n f i r mt h et y p eo ff i l l i n g m a t e r i a lt os e l e c ti n d e e pm i n i n g ．A n df r o mr e s e a r c h i n g o n p i p e ’St r a n s p o r t p e r f o r m a n c e ，i tc o u l dm a d es e v e r a lf i l l i n gs y s t e m s ．A tt h es a m et i m e ，i tc o n f m a e dt h e b e s tc h o i c ef o rd e e pm i n i n gi sg r a v i t yd e l i v e r ys y s t e mb ys t u d yo ft r a n s p o r tp r o p e r t i e s o ft w o - p h a s e ．A tl a s ti tc o n f i m e dt h em a i nr e s e a r c ho np i p e l i n ef i l l i n gi nd e e pm i n e w a st h ew e a rm e c h a n i s mo f t h ev e r t i c a lp i p e ． W i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r a v i t yf l o wt r a n s p o r t a t i o na n dc o m b i n et h ea c t u a l f i l l i n gp r o c e s sc o n d i t i o n si nJ i n c h u a nm i n ei t c a l lb ek n o w nt h eb a s i cf o r ma n d p o s i t i o no ft h ev e r t i c a lp i p e sb yt h ef i e l dr e s e a r c h ．A n du s i n gt h ep r i n c i p l e so f m o m e n t u ma n de n e r g yt oe x p l a i nt h em e c h a n i s mo fw e a ro ft h ep i p e l i n e ．A tt h es a m e t i m e ，i tW a Sq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s dt h eI m p a c td e g r e ew i t hd i a m e t e r , g r a i ns i z e c o m p o s i t i o n ，v o l u m ed e n s i t ya n df i l l i n gf a c t o rt i m e s ． B a s e do nt h em e c h a n i s mo fw e a ra n dt e a ri np i p e s ，m a d ead e e ps e ts u m m a r i z e d a n ds p e c i f i cm e a s u r e st or e d u c ep i p ew e a ra n dt e a rf o rt h ef u t u r eo fC h i n a ’S ⅡI 中南大学博士学位论文 A B S T R A C T l a r g e - s c a l ed e e pm i n i n gt e c h n o l o g y a n dp r o v i d e dar e l i a b l ed i r e c t i o n ．o f r e s e a r c h ． U s i n g f a u l tt r e ea n a l y s i sp r i n c i p l e sa n dt h ep r i n c i p l e so fp r o b a b i l i t yo ff a i l u r et o s t u d yt h er e l i a b i l i t y o fd e e pm i n ef i l l e dp i p e l i n es y s t e ma n dc o n d u c t e da c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ns y s t e m ．S t u d yf o u n dt h a ts u d d e nf a i l u r eo fp i p e l i n ew e a r a n dd a m a g e ，l e a d i n gt of i l l i n gt h ep u l pq u a l i t yw a so n eo ft h em a j o rf a c t o ri ns y s t e m f a i l u r e ，a n dt h es y s t e m ’St i m e st h ef i l l i n gl i n e ，u n r e a s o n a b l en e g a t i v es l o p es e g m e n t a n do p e r a t i o n sm a n a g e m e n to v e r s i g h t ，w e r ea l s ot h ei m p o r t a n tr e a s o nt ol e a dt ot h e s y s t e mf a i l l i n g ． I ng e n e r a l ，t h eh i g h e rt h el e v e lo fa c c i d e n tf a c t o r s ，t h eh i g h e rt h e s y s t e m r e l i a b i l i t y ．T h es y s t e mc o u l dc a l c u l a t et h ea c c e p t a b l ef a i l u r ep r o b a b i l i t ya f t e rt h e t r a n s f o r m a t i o nb yo b t a i n e dt h ew e i g h to fe a c hg r a d eo fm e m b e r s h i pf u n c t i o nm a t r i x c o r r e s p o n d i n gv a l u e ．A n dt h r o u g hc a l c u l a t e dt h ep r o b a b i l i t yo fa c c i d e n tb yt h em i n e a c c i d e n t ss t a t i s t i c a lp a r a m e t e r sw h i c hW a sa c c u m u l e do fl o n g - t e r mp r o d u c t i o n ．A tl a s t i tc o u l dd e t e r m i n et h er e l i a b i l i t yo fd e e pf i l l i n gp i p i n gs y s t e mB y c o m p a r i n g ． T h i sa r t i c l es u m m a r i z e dt h em a j o rt e c h n i c a lp r o b l e m si nd e e pf i l l i n g ，a n d p r o p o s e dt h et e c h n i c a la p p r o a c ht os o l v et h e s ep r o b l e m sa n dn e e d sf u r t h e rs t u d y a s p e c t s ． K e yw o r d s d e e pm i n i n g ，g r a v i t yc o n v e y o r , w e a ro f p i p e l i n e s ，r e l i a b i l i t y Ⅳ 中南大学博士学位论文 第一章综述 第一章综述 1 ．1 研究背景和目的、意义 随着我国浅部资源的日益消耗，矿产资源趋于向深部开发，在这种趋势下将 使胶结充填采矿法在深井开采的矿山中所占有的比例明显增加【l 2 】。深井充填相 对于浅井充填的主要特点为例 1 浅井中片帮和顶板岩石剥落等是其地压显现的主要特征，发生岩爆的 可能性很小。而深井开采，原岩应力很高，聚集了很高的应变能，如瞬间发生释 放，其破坏性非常剧烈，并可能发生地震活动。为了消除或减轻能量的瞬间释放， 这就对采场内的充填体强度与质量提出了更高的要求。故对深井充填体的承载机 理、充填材料的特性及矿山的充填工艺等研究非常必要，目前这部分研究工作国 内外学者已开展了多年，并取得了较好的理论效果。 2 浅井开采中，充填料浆管道自流输送系统应用最广，浅井开采时充填 倍线一般是4 ～8 1 4 J ，因此充填料浆自流输送的质量浓度被很大程度地限制了，一 般只在6 5 ～7 2 ％之间，这会导致采场滤水量大、水泥的离析现象非常严重、充填 料固结较慢、充填体强度偏低等主要缺点。而在深井充填时，虽说在一定程度上 克服了这些缺点，但其充填倍线小，高差大导致的充填料浆对管道的压力与流速 增大是其主要缺点，需要广大采矿界的学者进行重点研究。 3 深井管道自流输送系统中，充填倍线小、流速大和压力大等问题，是 影响其可靠性的重要因素。另外，这些问题导致的管道磨损甚至磨破现象也将是 其技术上遇到的难题，如何解决这些问题，提高系统的可靠性具有非常重要的工 程与现实意义。 综上所述，采用胶结充填法进行深井开采的矿山在充填体系方面必须要重点 解决的技术问题是固液两相流管道输送特性、管道磨损机理和充填系统可靠性 三个方面。结合国内外深井矿山实践经验，深井胶结充填采矿法多采用充填料浆 管道自流输送技术，且在充填系统方面遇到的主要技术难题就是管道磨损对矿山 正常生产工作及安全带来的严重影响，特别是垂直钻孔内的管道是整个充填系统 的咽喉要道，一经破坏，轻则堵塞钻孔，重则使整条钻孔报废，严重影响矿山的 正常生产，并且会发生严重的安全事故。然而，目前国内外对石油、天然气等输 中南大学博士学位论文 第一章综述 送管道磨损问题研究得较多【5 ，6 1 ，但其破坏形式与充填管道的磨损有本质的区别， 前者主要是腐蚀破坏，而后者主要是极为复杂的冲击磨损破坏。现阶段，国内外 相关学者对深井充填钻孔内管道磨损问题还仅处于经验摸索阶段，严重缺乏理论 基础。因此，对深井开采管道磨损机理的研究应是深井充填系统建设和设计亟需 解决的重大问题。 本文所研究的内容主要目的是探寻深井充填钻孔内管道磨损的理论机理，并 以此建立其可靠评价体系。论文研究结果可以很好地对我国深井矿山充填系统建 设提供有益的理论补充，并且通过建立可靠评价体系技术研究，对将来我国深井 矿山的充填系统建设起到很好的参照作用。因此，本研究内容具有很强的现实理 论意义和工程实践意义，并且具有对我国矿山深井开采理论基础进行添砖加瓦的 促进意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．I 充填系统发展现状 近年来，国内外学者在浆体管道输送方面的研究成果很多，高浓度的管道自 流输送工艺新技术的研究也取得了进步与发展，已在部分充填法深井矿山广为使 用【2 4 】。尽管不同矿山根据自身情况所使用的充填骨料并不一致，但由于水力管 道输送系统具有生产能力大、自动化程度高、运行成本低等优点，充填料的输送 大多采用管道水力输送技术，目前充填法矿山采用的充填系统主要包括普通两 相流管道自流输送系统、膏体泵送充填系统和正在开发完善之中的膏体自流充填 系统。 1 普通两相流管道自流输送充填系统 该系统的主要工艺是将地面充填站制备好的充填料浆利用地面与井下的自 然高差，通过竖直钻孔的管道及井下管道网络输送至各充填采场，国内外大部分 使用充填法采矿的矿山均采用这种充填工艺。 2 膏体泵送充填系统 德国的B a dG m d 铅锌矿最早使用了膏体泵送充填技术之后在美国和南非 等许多国家得到应用。我国则是曾经在金川矿区和铜录山矿有过应用。 2 中南大学博士学位论文 第一章综述 送管道磨损问题研究得较多【5 ，6 1 ，但其破坏形式与充填管道的磨损有本质的区别， 前者主要是腐蚀破坏，而后者主要是极为复杂的冲击磨损破坏。现阶段，国内外 相关学者对深井充填钻孔内管道磨损问题还仅处于经验摸索阶段，严重缺乏理论 基础。因此，对深井开采管道磨损机理的研究应是深井充填系统建设和设计亟需 解决的重大问题。 本文所研究的内容主要目的是探寻深井充填钻孔内管道磨损的理论机理，并 以此建立其可靠评价体系。论文研究结果可以很好地对我国深井矿山充填系统建 设提供有益的理论补充，并且通过建立可靠评价体系技术研究，对将来我国深井 矿山的充填系统建设起到很好的参照作用。因此，本研究内容具有很强的现实理 论意义和工程实践意义，并且具有对我国矿山深井开采理论基础进行添砖加瓦的 促进意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．I 充填系统发展现状 近年来，国内外学者在浆体管道输送方面的研究成果很多，高浓度的管道自 流输送工艺新技术的研究也取得了进步与发展，已在部分充填法深井矿山广为使 用【2 4 】。尽管不同矿山根据自身情况所使用的充填骨料并不一致，但由于水力管 道输送系统具有生产能力大、自动化程度高、运行成本低等优点，充填料的输送 大多采用管道水力输送技术，目前充填法矿山采用的充填系统主要包括普通两 相流管道自流输送系统、膏体泵送充填系统和正在开发完善之中的膏体自流充填 系统。 1 普通两相流管道自流输送充填系统 该系统的主要工艺是将地面充填站制备好的充填料浆利用地面与井下的自 然高差，通过竖直钻孔的管道及井下管道网络输送至各充填采场，国内外大部分 使用充填法采矿的矿山均采用这种充填工艺。 2 膏体泵送充填系统 德国的B a dG m d 铅锌矿最早使用了膏体泵送充填技术之后在美国和南非 等许多国家得到应用。我国则是曾经在金川矿区和铜录山矿有过应用。 2 中南大学博士学位论文 第一章综述 3 霄体自流充填系统 膏体自流输送结合了普通两相流管道输送系统和膏体泵送充填系统各自的 优势，具有输送浓度高、不容易离析、成本低等优点，金川矿区目前正在使用该 充填工艺。 4 块石胶结充填系统 9 0 年代初，由中南大学和新桥硫铁矿合作进行了新桥硫铁矿框架式大跨 度矿房采后块石充填新技术试验研究项目，取得了很好效果。 1 ．2 ．2 胶结充填技术的应用现状 胶结充填采矿法在有色、黄金等矿山应用越来越广泛【7 ’9 】，其优点是在确保 安全的情况下兼具环境保护和提高矿石回收率的双重功效。随着矿产品市场的好 转，煤矿和黑色金属矿，也开始使用胶结充填工艺【1 0 - 1 2 】。随着我国浅部矿体开采 深度逐年增大，我国即将进入全面深井开采阶段。目前，世界上最深的矿井已达 5 0 0 0 m 1 1 3 , 1 4 ] ，金 l l - 矿的开采深度也已经超过1 0 0 0 m 。由于深井开采具有高应力、 高地温的特点，使得充填胶结采矿法成为各深井矿山主要的采矿方法。国内外相 关学者围绕着充填材料选择、料浆制备、工艺参数、充填体力学性能以及其承载 特性和作用机理、等方面进行了大量的研究，取得了很多研究成果【1 5 ．1 8 1 。 1 水泥替代品的研究 较高的充填成本是胶结充填采矿技术的主要缺点，其成本里水泥的费用约占 6 0 ～8 0 ％，因此如何降低水泥用量是目前的主要研究方向。国内外的部分研究和 应用的实践表明，水淬炉渣、粉煤灰、赤泥等材料都是水泥良好的替代品。 粉煤灰是一种很好的水泥替代品，它不但可以可替代部分的水泥，还可以提 高料浆的悬浮性能和改善料浆的流动性。中南大学和许多的矿山企业进行的粉煤 灰性能试验研究的成果表明添加粉煤灰后的充填料浆输送至采场内后，充填体 固水性能显著提高，泌水率仅为3 ％左右，与不使用粉煤灰的充填相比，降低了 6 0 ％左右。 2 新型充填技术的研究 1 高水速凝胶结充填新工艺 在国内部分金矿企业进行的全尾砂高水速凝胶结充填新工艺试验研究取得 中南大学博士学位论文 第一章综述 了很好的效果添加了这种新型固结材料后可以制成质量浓度在3 0 。7 0 ％之间的 充填料浆，利用管道输送至待充填的采场后，8 个小时后即可上设备作业，基本 不需要进行脱水。尽管其还存在许多的不足 成本高、配比控制严格等 ，但其 基本解决了全尾砂德分级脱泥、井下滤水和采场接顶等技术难题。 2 块石胶结充填新工艺 目前有部分矿山已试验了块石胶结充填的新工艺，混凝土的充填相比，其充 填效率提高了很大，工艺也比较简单，工人的劳动强度也很低。 3 全尾砂胶结充填工艺 当前，分级尾砂的管道输送工艺技术已比较完善。但尾砂的分级工艺非常复 杂，这是一直困扰许多矿山的技术难题。因此，许多矿山与学者尝试使用了全尾 砂胶结充填技术，其中中南大学和水口山矿务局合作采用化学方法在立式砂仓内 直接快速浓缩全尾砂试验获得成功，现已在水口山矿务局成功应用多年。最近， 国内的个别矿山开始引进和试验了泵压全尾砂胶结膏体充填工艺，使得全尾砂的 胶结充填的技术得到了发展。 3 充填体的承载机理研究 对于充填体的承载机理，布雷迪和布朗提出了3 种作用方式表面的支护； 局部的支护；总体的支护。 北京科技大学的于学馥教授也提出了充填体的三种作用机理应力转移与吸 收；应力隔离机理；系统的共同作用。 H ．A ．D ．K i r s t e n 和T ．R ．S t a c e y 在南非开采的深井黄金矿山中研究指出充填体 的作用机理是多种形式的，主要有维持顶板围岩的完整性；减轻地震波的危害； 作为节理与裂隙中的填充物。 4 深井充填技术新进展 国外，特别是南非的研究人员曾提出了利用能量的释放速率以评价深井充填 体的作用机理的思路。在其他国家深井充填的矿山也己对深井充填的材料选择、 管道的减压技术措施、充填料的冷却技术相关方面取得了研究成果。 1 ．2 ．3 基本水力输送参数研究现状 浆体管道水力输送所涉及参数主要有浆体的流型、临界流速和水力坡度等。 中南大学博士学位论文 一 整二童壁垄 _ ，一一一 目前国内外研究人员进行了大量研究。 在国际上，最有影响力的是以下几方面 1 E u l e r 【1 9 1 利用场观点推导出了固液两相流的连续、能量和运动方程； 2 A s k u r e [ 2 明利用数值算法计算了水平管道内浆体的浓度和速度分布； 3 M o n j i [ 2 1 1 应用E u l e r ．L a g r a n g e 的数学模型计算了固体颗粒对流速和压力 等方面的影响程度； 4 S c h w a r z e r [ 2 2 1 利用数值计算总结了层流下料浆的N ．S 方程，发现了体积 分数与固体颗粒沉降速度的变化的规律。 在国内中，最有影响力的是以下几方面 1 孟令杰[ 2 3 1 建立了煤水的混合物在管道内的流动模型； 2 胡志伟和徐自立[ 2 4 ，2 5 1 分析了充填管道的弯管处浆体的流动情况； 3 刘天宝【2 6 1 用数值计算推导了两相流的浓度与速度在扩散管内的分布； 4 魏家进口7 1 采用数值方法对竖直管道中的密相固液两相流进行了计算； 5 费祥俊研究了固液的混合物的流变特性、管道输送的理论和沉降的特 性。 1 浆体流态、流型 两相流与结构流的流变特性研究已经较多，目前通常认为，矿山充填使用的 料浆是属于非牛顿流体的，对宾汉姆的塑性体模型较为适用，流变方程是 f 2 f 6 r l d v l 引 1 1 式中f 为剪切应力； 『6 为屈服应力； 玎为刚度系数； d v ／d y 为切变率。 管道输送中固液两相流的流型研究国内外均无统一结论。但也有部分学者在 研究中做出了贡献，主要有N e w i t t 将两相流分为了均质流、推移层的流动、非 均质流与沉积层的流动四大类[ 2 8 1 ；T u r i a n 定义流型的准数，总结了相似流型的分 布【2 9 】；W a s p 则提出了C ／C 一 O ．8 时，料浆属于均质流，C I ／o o ．1 时，料浆属于非 均质流口o 】费祥俊在前人研究的基础上，定义了C ／C 彳 O ．1 ～0 ．8 流型为均质一非 均质的复合流【3 1 】。 堡型苎堡塑苎丝些一 蔓二童堡堕 一一一 72 PW 、 C 2 临界的流速 目前关于临界流速的计算公式仍以经验公式为主，许多学者也做过相关的研 究，但都没有达成共识。其中包括T h o m a s 提出临界流速其实是固体颗粒于管 道的底部不动或者刚刚开始发生滑动时的瞬间流速【3 2 】；D u r a n d 提出的理论是临 界流速为固体的颗粒于管道的底部开始淤积时的瞬间流速D 3 】；O r a l 提出了临界 流速是固体颗粒在悬浮的状态下沉淀并形成了固定的底床时充填浆体流速‘3 4 】； 还有的研究者把临界流速定义为压力的损失最小的时候的流速；我国的学者一般 是把临界流速定义为固体颗粒出现并开始沉淀时浆体的流速 3 5 1 。 3 水力坡度 水力坡度目前的研究现状和临界流速相类似，国际上著名的学者的D u r a n ， N e w i t t ，J u f m 和W a s p 等都对其进行了相关研究并提出了经验公式，在国内许多 研究单位和科研院校也通过利用环管试验和模拟试验等方法进行了试验研究，提 出了一些有关水平管道的水力坡度计算经验公式。但国际上一般会采用W a s p 所 提出的复合系统计算公式[ 3 6 , 3 7 ] 。 器≯C v | 景 警矿南 m 2 ， 在国内除了金川公式外，费祥俊综合比较了国内外现阶段已有的经验公式， 提出了一种考虑颗粒的效应的计算新经验公式【3 1 】 t 面a L V 2 旦P o n 以G } - 景 警肚 m 3 ， 式 1 ．2 ～ 1 ．3 中扎f 0 ．一浆体与清水的水力坡度； 厶、而一浆体与水阻力系数； 1 ，一浆体的平均速度，m s 一； C 厂浆体的体积浓度，％； D 一管道的直径，m ； 峪一粘滞的系数； C 卜颗粒沉降的阻力系数； 跏风、p o _ 一分别为浆体、骨料、液体比重； 广一颗粒的沉降速度，1 1 1 ．s 一。 6 中南大学博士学位论文 第一章综述 1 ．2 ．4 管道磨损的研究现状 南非等国家对深井充填管道利用情况的研究表明，发生冲击破坏的事件【3 8 ，3 9 】 主要发生在竖直管道内，这里为自由下落区，其料浆对管道壁的冲击力非常大。 如果偏斜较大时，局部的磨损也较为严重。当竖直管段的管壁被磨穿后，就会发 生岩壁坍塌，甚至导致整个竖直管道报废，其对事故的统计结果见图1 ．1 。从图 上可知管道磨损事故发生最频繁的位置在1 0 0 ～4 0 0 m 之间，实际中此部位正处 于充填料浆的自由下落区，自由降落区管壁磨损情况截面图见图1 ．2 。分析为充 填料浆在空气一砂浆交界面处发生碰撞产生了巨大的冲量，导致了管壁的最终破 裂，见．图1 ．3 。 图卜1 南非竖直管道破损事件统计图 图1 2 砂浆自由下落区磨损示意图 图1 - 3 空哥砂浆界面处破坏示意图 塑奎堂堡圭堂堡垒苎 一． 第一章综述 一一一 在管道磨损试验方面最为有成效的是威华塔斯兰得金矿在英美的研究实验 室内使用滚筒机试验了管道磨损的情况。该试验得到了不同管道材料及充填料浆 类型与管道磨损率之间的关系。 1 ．2 ．5 管道磨损降低技术的研究现状 如何降低管道磨损一直是采矿界许多学者共同关注的研究课题，在实际生产 中，不同的矿山已根据自身的经验，总结出了不少管道磨损降低的相关措施和技 术[ 4 0 ，4 1 1 主要包括 1 降低充填料浆对管道的磨蚀作用； 2 降低竖直管道中料浆对管壁的冲击力，采用满管流输送系统 3 降低充填料浆对管壁的压力，采用降压输送系统； 4 提高充填钻孔施工质量和竖直管道的安装质量； 5 降低料浆的输送速度，减小对管道的磨损； 6 在弯管处采取技术措施避免磨蚀； 7 提高管道衬里的质量； 8 使用中性水进行充填料浆的制备和冲洗管道。 1 ．2 ．6 系统可靠性评价研究现状 系统可靠性评价属于安全评价的范畴，许多关于这方面的研究其原理和评估 的方法相差不大，既有各自的体系，又有相互的交叉。但每种方法都会有各自的 评估内容、因素指标体系、评价过程和评价的方法准则【4 2 制】。 可靠性评价的内容是运用其适合的理论方法并通过各种条件的假设，统计分 析故障发生的概率的一种可靠度计算分析方法。其目的是计算某一系统相对于其 各个影响因素的可靠性指标，研究系统发生故障率的一种变化规律和这些基本因 素对整个系统可靠性的影响。 在实际工程应用中，也有对充填管道输送系统进行可靠性评价的范例，但大 多时关于输油管道和长距离管道的浆体输送方面。国际上，对这种系统进行评价 所提出的指标很多，其中故障率、可靠度、可用度和准备系数等都较为常用。以 故障率作为指标评价管道输送系统主要是根据单个事件或设备元件等的故障率 中南大学博士学位论文 第一章综述 通过他们之间的逻辑关系进行计算而得到的，而单个事件或设备元件的故障率则 是在平时的生产使用中统计历史资料而得来的。还有许多学者是研究系统的失效 概率问题，多是以H o n gSY 得到的关于管道泄漏的失效率与爆破的失效率为基 础【4 9 】。在我国，聂国华等采用断裂力