介質(zhì)置換管道防凍方法在多分支注漿工程中 的應(yīng)用①

李健 馬曉濤 聶新明 代曉光 胡中國

1 中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，北京 100101 2 陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000 3 中化地質(zhì)礦山總局河北地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050031

在中國廣大北方地區(qū)，露天管網(wǎng)在不使用的狀態(tài)下，管道內(nèi)的介質(zhì)處于靜止?fàn)顟B(tài)[1]，為了保證管網(wǎng)在冬季正常運(yùn)行，須對管道進(jìn)行防凍處理。目前露天管道防凍的主要方法包括管外加裝保溫層、絕熱電熱器件伴暖、壓縮空氣吹空管路[2]、充填防凍液、混合防凍法等，不同的情況應(yīng)采用不同的方法。針對東龐煤礦區(qū)西龐井地面區(qū)域治理工程中定向多分支孔注漿的特殊情況，筆者所在團(tuán)隊(duì)采用低冰點(diǎn)介質(zhì)（鹽水）置換管道內(nèi)高冰點(diǎn)介質(zhì)（淡水）方法，在煤田防止水注漿工程中首次應(yīng)用，成功地解決了嚴(yán)寒氣候條件下管道的防凍問題，取得了良好的效果，對解決類似情況下管道的防凍問題有重要的借鑒意義。

1 注漿站管路概況

注漿站管路一般是由供水管路和注漿管路兩大管路構(gòu)成，供水管路又細(xì)分為外供和內(nèi)供管路，注漿站管路基本上都是露天管路。

本次研究注2 注漿站管網(wǎng)鋪設(shè)情況如下：DN100 鋼管外供水管路一條，法蘭連接，長280m，整根管線共有9 個(gè)直角彎；DN80 鋼管注漿管路一條，K 型接頭連接，長240m，整根管線共有8個(gè)直角彎；DN50 鋼管注漿備用管路一條，K 型接頭連接，長240m，整根管線共有8 個(gè)直角彎；主電纜（型號為3*300mm2+1*150mm2）長280m與以上三條管路并行在不足0.8m 的狹窄路肩和地埂上，其中有6m 并行從直徑400mm 過路預(yù)埋水泥管中穿過。內(nèi)供水管路DN100 一條，法蘭連接，長35m，其中用20m 露天鋪設(shè)，15m 在注漿站單層彩鋼棚內(nèi)。

2 管路運(yùn)行環(huán)境

2.1 自然地理及氣候特點(diǎn)

東龐井田位于太行山東麓中段，傾斜的山前沖洪積平原之中。地勢西高東低，西部山區(qū)山脈走向北北東，最高點(diǎn)位于皇寺鎮(zhèn)西南，東部為廣袤平原，地勢平坦，西南白馬河北岸可見魚脊?fàn)钋鹆?。?jù)邢臺及內(nèi)丘1984～2002 年歷年氣象資料記載，礦區(qū)內(nèi)年平均氣溫14°C，最高氣溫40.7°C（1993 年6 月26 日邢臺氣象站），一般出現(xiàn)在七月份；最低氣溫-21°C（1987 年1 月、2021 年1 月6 日邢臺氣象站），出現(xiàn)在12 月或翌年1 月份。凍結(jié)期從11 月～翌年2 月，凍土深度約0.44m，氣溫全年最多風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，最大風(fēng)速為16.7m/s。

2.2 注漿管路系統(tǒng)間歇時(shí)間

鉆井隊(duì)和注漿站相互間歇接力施工。每鉆進(jìn)100～150m 為一個(gè)注漿段，進(jìn)行一次注漿。經(jīng)統(tǒng)計(jì)鉆井隊(duì)每施工一個(gè)注漿段約需要7～10 個(gè)工作日，與此同時(shí)注漿站需要停歇7～10 個(gè)工作日。根據(jù)傳熱學(xué)原理[3]，在低溫氣候條件下管內(nèi)存水停留一定時(shí)間就會(huì)發(fā)生凍結(jié)，為了防止水注漿工程冬季施工能夠順利進(jìn)行，在注漿間歇期間注漿管路必須做防凍處理。

2.3 管道輸送的介質(zhì)

注漿站管路在注漿工作期間，注漿管路輸送的是水泥漿液，供水管路是從機(jī)井內(nèi)抽出的清水。當(dāng)一個(gè)漏失點(diǎn)或一個(gè)注漿段注漿結(jié)束，壓水清洗注漿管路系統(tǒng)后，供水管路停止供水，這時(shí)注漿站所有管路內(nèi)均殘存有清水。

3 注漿站管路防凍

注漿管路是煤田防止水注漿工程中的安全生產(chǎn)保障，而在寒冷的冬季，沒有防凍措施的注漿管路會(huì)被凍結(jié)，導(dǎo)致管路無法及時(shí)使用，不但影響注漿工程的順利實(shí)施，而且會(huì)影響礦井的安全生產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)注漿管路冬季防凍，使其保持在正常工作范圍內(nèi)，介質(zhì)置換管道防凍方法在多分支注漿工程被提出并應(yīng)用。其原理為在注漿結(jié)束后，將配置適合的鹽水溶液注入到改制后的注漿管路中，用鹽水置換注漿管路中的清水，以達(dá)到防止管路內(nèi)的清水被凍結(jié)而發(fā)生阻塞的目的。本防凍技術(shù)方法的特點(diǎn)是節(jié)能經(jīng)濟(jì)、安全可靠、維護(hù)方便、無環(huán)境污染。

3.1 系列管道保溫防凍方案研究

3.1.1 管道保溫方案

注漿站管路如何保證冬季正常施工，筆者所在團(tuán)隊(duì)首先提出對管道進(jìn)行保溫，于是有關(guān)人員從2020 年8 月份開始翻閱管路保溫的相關(guān)資料[4-6]，并請來多家管道保溫的專業(yè)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)探討。

（1）管道包扎

該方法原理是采用保溫材料對管路、閥門、泵體、貯罐等器件進(jìn)行包扎，防止管道內(nèi)部與外部產(chǎn)生熱交換，減少內(nèi)部熱量損失。

（2）絕熱電熱器件伴暖

其原理是將自控溫發(fā)熱電纜貼附在管道外側(cè)通電發(fā)熱，將熱量傳導(dǎo)給管道內(nèi)液體，配合管道外保溫層，補(bǔ)償并保持管道內(nèi)液體溫度到達(dá)設(shè)計(jì)溫度水平。

由于注2 注漿站管路鋪設(shè)的空間受限，供水管、注漿管、注漿備用管及動(dòng)力主電纜大部分同時(shí)并行于不足1m 的路肩或田埂上，且直角彎太多，做管外保溫費(fèi)用巨高；注漿管路定期需要拆開清理，不適合做管外保溫；此外，管外保溫作用大多是減少能量損失，主要目的在于節(jié)能，一般情況下，管路內(nèi)的介質(zhì)是不允許被破壞或污染的。為了保障注漿站管路冬季正常施工，重點(diǎn)應(yīng)是防凍而不是保溫，中心目的是管內(nèi)介質(zhì)不被凍結(jié)，綜合分析認(rèn)為注漿站管路保溫方案不適宜。

3.1.2 管道防凍方案

露天管網(wǎng)在不使用狀況下，在冬季由于溫度過低，管道內(nèi)的水會(huì)結(jié)冰，導(dǎo)致管道漲裂[7]。筆者查閱了大量的管路防凍資料[8-14]發(fā)現(xiàn)，關(guān)于管路防凍多數(shù)企業(yè)采取的是管外保溫或加熱的方法，原因是管內(nèi)介質(zhì)不容置換。注2 注漿站管路在不使用的情況下，管內(nèi)殘留的介質(zhì)是清水且沒有實(shí)際價(jià)值，而這些清水是管路防凍結(jié)的根本所在。為保障管路處于未凍狀態(tài)，最有效的方法是降低管內(nèi)介質(zhì)的冰點(diǎn)或清空管路，因此，高壓空氣吹空管路[15]和充填防凍液的防凍方案被項(xiàng)目部提出。

（1）高壓空氣吹空管路

該方法原理是使用高壓空氣設(shè)備吹掃管路，清空管路內(nèi)部液體，達(dá)到防凍效果。由于注漿站有多根管路、管路較長、管徑較粗、彎頭太多、空間狹窄，使用空壓機(jī)吹管實(shí)施有一定難度且成本較高，因此高壓空氣吹空管路防凍作為備用方案被暫時(shí)擱置。

（2）充填防凍液

其原理是將防凍液注入到管道清水中，保障管道內(nèi)液體的冰點(diǎn)低于管道外環(huán)境溫度，從而達(dá)到防凍目的。該方法成本較低，可操作性強(qiáng)，難點(diǎn)在于如何保證防凍液無毒，不具備助燃性、可燃性、腐蝕性，因此防凍液的配置成為該方法防凍的關(guān)鍵。

3.2 介質(zhì)置換防凍方案提出

筆者結(jié)合管路布置情況和充填防凍液防凍方法提出了介質(zhì)置換防凍方案，其原理與充填防凍液防凍原理相同，不同之處在于將管路中的液體完全置換。

關(guān)于防凍液的配置筆者使用了永凍層鉆探施工沖洗液配方[16]，主要為NaCl、Na2CO3，成功克服了防凍液的難點(diǎn)。此外，注2 注漿站施工現(xiàn)場備有水泥漿添加劑工業(yè)用鹽NaCl，適合配置防凍液，大大降低了成本。

綜上分析，初步確定用工業(yè)用鹽水置換注漿管路內(nèi)的清水為本工程管路防凍的最佳方案。

3.3 用鹽水置換管內(nèi)清水方案的實(shí)施

3.3.1 鹽水溶液濃度選取

為了配置出合適的防凍鹽液，需了解氯化鈉水溶液的濃度與冰點(diǎn)變化關(guān)系，筆者查閱相關(guān)資料獲得了氯化鈉水溶液的冰點(diǎn)[17]（表1），并繪制了氯化鈉水溶液的濃度與冰點(diǎn)的變化關(guān)系圖（圖1）。

從表1、圖1 可以看出，氯化鈉水溶液濃度區(qū)間為0～23.3%時(shí)，氯化鈉水溶液冰點(diǎn)隨著濃度的增加而降低，冰點(diǎn)極值為-21.13℃；氯化鈉水溶液濃度大于23.3%時(shí)，氯化鈉水溶液冰點(diǎn)隨著濃度的增加而升高。綜上，當(dāng)氯化鈉水溶液濃度選取23%時(shí)，對應(yīng)冰點(diǎn)為-20.68℃，理論上能夠滿足防凍需求。

表1 氯化鈉水溶液冰點(diǎn)表 Table 1 Freezing point table of sodium chloride aqueous solution

圖1 氯化鈉水溶液的濃度與冰點(diǎn)變化關(guān)系圖 Fig.1 Relationship between concentration and freezing point of sodium chloride aqueous solution

3.3.2 鹽水溶液防凍試驗(yàn)

筆者依據(jù)氯化鈉水溶液濃度與冰點(diǎn)的關(guān)系對注漿站工業(yè)用鹽隨機(jī)抽樣，使用冰箱冷凍室進(jìn)行調(diào)溫實(shí)驗(yàn)，得到鹽度與溫度實(shí)際對應(yīng)關(guān)系（表2）。

表2 鹽度與溫度對應(yīng)關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) Table 2 Experimental data on the correspondence relationship between salinity and temperature

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在同一溫度下，鹽度高不易被凍結(jié)；過飽和鹽液在-20°C 時(shí)，雖然部分鹽液未凍結(jié)，但過飽和析出的鹽分易結(jié)成鹽冰，因此，管路防凍既要防止鹽液凍結(jié)又要防止形成鹽冰。綜上所述，在滿足防凍需要的情況下應(yīng)盡可能降低鹽度，根據(jù)氣候氣象數(shù)據(jù)和上表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬選用鹽度為23%鹽液作為防凍液。

3.3.3 鹽水溶液配置量的確定

鹽水溶液配置量（V）由管路系統(tǒng)的容積（V1）和制漿機(jī)殘留鹽液的體積（V2）確定：

其中，經(jīng)驗(yàn)盈余系數(shù)K 取1.1～1.15。

3.3.4 鹽水置換管路系統(tǒng)內(nèi)的清水實(shí)操流程

（1）管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改制

為了實(shí)現(xiàn)鹽液對注漿管路系統(tǒng)（圖2）內(nèi)清水的成功置換，在注漿管與注漿孔口裝置間加裝了一個(gè)自由球高壓止回閥門。該止回閥與注漿管通過快速接頭相連接，使得注漿管能夠隨時(shí)快速拆裝，在供水管出井口處加裝了一個(gè)供水閥門和一個(gè)注鹽液用閥門，注鹽液用閥門開口端加裝有快速接頭可實(shí)現(xiàn)與注漿管快速連接和拆卸（圖3）。

圖2 管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改制前示意圖 Fig.2 Schematic diagram before the restructuring of the pipeline system structure

圖3 管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改制后示意圖 Fig.3 Schematic diagram after the restructuring of the pipeline system structure

（2）鹽水溶液置換清水實(shí)操

當(dāng)注漿結(jié)束達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行壓水清洗制漿設(shè)備、注漿設(shè)備及注漿管路，壓水結(jié)束后，注漿泵暫停工作，這時(shí)自由球高壓止回閥門將自動(dòng)關(guān)閉，打開泄壓閥門，對注漿管路泄壓，而后從止回閥上卸下注漿管，再把注漿管與注鹽液用閥門的快速接頭相聯(lián)接，打開注鹽閥門，關(guān)閉供水閥門，管路系統(tǒng)連接完成。注漿泵暫停工作的同時(shí)，用制漿機(jī)配置23%的鹽水溶液，將配置好的鹽液，通過注漿泵注入注漿管路，再由注漿管路進(jìn)入供水管路，由供水管路流入清水池，直至鹽溶液從供水管路出口處流出，至出口處鹽液與制漿機(jī)配至的鹽液比重(現(xiàn)場用同一支波美度計(jì)測量[18])相等時(shí)為止，完成鹽水溶液對注漿管路和供水管路內(nèi)殘留清水的置換。

由于內(nèi)供水管路較短，僅有35m，所以在管路最低處加裝了一個(gè)泄水閥門，通過放空的方法解決內(nèi)供水管路防凍問題。待下一注漿段鉆孔施工完畢，注漿施工前，用注漿泵注入清水對管路內(nèi)的鹽水進(jìn)行置換后，打開供水閥門，關(guān)閉注鹽閥門，從與注鹽閥門相連的快速接頭卸下注漿管，重新把注漿管與注漿止回閥門相連的快速接頭相聯(lián)接，關(guān)閉內(nèi)供水泄水閥門。完成注漿管路系統(tǒng)回復(fù)，可以進(jìn)行注漿施工。

4 管路防凍效果

在冀中能源股份有限公司東龐礦西龐井地面區(qū)域治理二期工程中，注2 注漿站管路選用工業(yè)用鹽水置換清水的方法取得了良好的防凍效果，在剛剛過去的2020～2021 年冬季沒有因注漿管路系統(tǒng)凍結(jié)而影響到正常注漿工程施工，經(jīng)受住了2021 年1 月5～7 日極端天氣（溫度分別降至-19°C、-21°C、-19°C）的考驗(yàn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

（1）首次提出介質(zhì)置換進(jìn)行注漿管路防凍。

（2）管道防凍方案應(yīng)跟據(jù)實(shí)際工程的具體情況來確定。重點(diǎn)應(yīng)考慮氣候特點(diǎn)、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、管道材質(zhì)、使用維護(hù)特點(diǎn)、防凍材料采購的難易程度等多方面因素。

（3）用介質(zhì)置換法對注漿管路系統(tǒng)做防凍處理，需要根據(jù)供水、注漿孔及注漿站相對位置合理安排各閥門的位置，對管網(wǎng)進(jìn)行改制。

（4）介質(zhì)置換法可以根據(jù)不同的氣候條件選用不同的置換介質(zhì)。

（5）鹽水置換法在地面定向多分支孔煤田防治水注漿工程冬季施工中已獲成功應(yīng)用，在類似工程領(lǐng)域有巨大的推廣空間。