新義礦業(yè)覆巖離層輸漿管路縮徑機(jī)理及防控

周治元 沈傳波 王志毅

（義煤集團(tuán)新義礦業(yè)有限公司）

新義礦業(yè)面臨的建（構(gòu)）筑物壓煤?jiǎn)栴}十分嚴(yán)峻，如果全部采用留設(shè)煤柱的方法，礦井將面臨無(wú)煤可采的境地。因此，開(kāi)展不遷村采煤技術(shù)研究是解決新義煤礦壓煤困難的重要舉措。覆巖離層輸漿充填減沉開(kāi)采技術(shù)是一種針對(duì)建（構(gòu)）筑物下壓煤不遷村開(kāi)采的有效途徑［1-3］，輸漿管路是該技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在工程實(shí)踐中時(shí)常發(fā)現(xiàn)輸漿管路發(fā)生縮徑現(xiàn)象，使阻力增大，流量降低，甚至鉆孔堵塞。由于覆巖離層空間是一個(gè)由小→大→小→閉合的過(guò)程，若不能及時(shí)充填，則離層空間會(huì)逐漸閉合，導(dǎo)致輸漿過(guò)程失?。?］。因此，研究覆巖離層輸漿管路的縮徑機(jī)理及防控措施具有重要意義。

在管路縮徑問(wèn)題方面，很多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，主要包括漿液懸浮物粒徑、流動(dòng)速度和漿液濃度等［5］。本研究主要通過(guò)對(duì)新義礦輸漿管路的縮徑類型進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)，通過(guò)理論與實(shí)際相結(jié)合分析揭示了不同縮徑類型的形成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)不同輸漿材料（黃土、石粉、飛灰）中影響輸漿管路縮徑的主要因素，據(jù)此提出針對(duì)性的防控措施。

1 輸漿管路縮徑類型劃分

為確保輸漿減沉工程順利開(kāi)展，新義礦業(yè)對(duì)地面輸漿管道進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并采取了一些預(yù)防措施，但仍然發(fā)現(xiàn)個(gè)別區(qū)段輸漿管路出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致管路縮徑，最終造成爆管。根據(jù)工程實(shí)踐，對(duì)輸漿管路內(nèi)截面的形狀進(jìn)行分析可知，管路縮徑主要包含以下3種。

（1）附著型縮徑。輸漿管路內(nèi)漿液骨料緊密地、均勻地的附著于管壁上，總體呈環(huán)狀附著。環(huán)狀附著體的厚度h1為縮徑前后有效流動(dòng)半徑之差（圖1（a））。

（2）沉積型縮徑。輸漿管路內(nèi)漿液骨料沉積于管底內(nèi)壁，總體呈不足半圓形，其厚度h2為沉積物底部到頂部的距離（圖1（b））。

（2）綜合型縮徑。綜合性縮徑是前兩種縮徑的組合，既有附著型，又有沉積型，且不分先后，厚度為h1、h2之和（圖1（c））。

通過(guò)新義礦業(yè)覆巖離層輸漿管路縮徑實(shí)物的分析，發(fā)現(xiàn)主要縮徑類型為附著型縮徑，附著物厚度為5～25 mm，平均厚度約12 mm，兼具有輕微綜合型縮徑特征，沉積型縮徑特征不明顯。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)附著型縮徑主要特點(diǎn)為：①環(huán)狀附著體總體較厚，且緊緊地附著在管壁上，呈層狀分布；②環(huán)狀附著物的厚度并不均勻，在不同的地點(diǎn)厚度有所差異，在管路平整處，附著物較薄，在臨近管路接口法蘭處，附著物較厚；③隨著輸漿管路與輸漿泵站的距離不同，管路上附著物的厚度也有所不同，一般距輸漿泵站越近，附著物厚度越大。沉積型縮徑主要特征是在貼近管路底部管內(nèi)附著的物厚度明顯大于管路上部，且附著物形狀呈現(xiàn)半圓形。

本研究根據(jù)輸漿管路縮徑后附著物的橫截面積和輸漿管路的總橫截面積之比來(lái)定義縮徑率η，用于計(jì)算輸漿管路的堵塞程度。計(jì)算公式為

式中，η為縮徑率，%；Sd為縮徑所減少的管路橫截面積，m2；S為輸漿管路的橫截面積，m2；

根據(jù)上式，通過(guò)測(cè)量附著物厚度h1、h2以及圓管半徑R，即可計(jì)算出管路的縮徑率。

2 輸漿管路縮徑機(jī)理研究

新義礦業(yè)覆巖離層輸漿輸漿管路縮徑類型主要為附著型縮徑，本研究重點(diǎn)對(duì)該類型縮徑機(jī)理進(jìn)行分析。

2.1 附著型縮徑機(jī)理

本研究從輸漿材料特性入手分析附著型縮徑機(jī)理。不同的輸漿材料的黏度、水化反應(yīng)時(shí)間及速率也有所不同，在管路縮徑因素中所起的作用也有所不同。新義礦業(yè)輸漿材料主要為飛灰，在飛灰供應(yīng)不足的情況下，采用黃土+石粉（脫硫石膏）混合漿進(jìn)行補(bǔ)充。

（1）飛灰。飛灰主要是煤炭燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的附著在煙氣中的煙灰，顏色為灰色—灰白色。組成成分主要包括SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3、FeO 等，飛灰根據(jù)含鈣量不同可分為低鈣飛灰和高鈣飛灰。飛灰遇水后有很強(qiáng)的反應(yīng)能力，其中的CaO會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成Ca（OH）2，SiO2與Ca（OH）2反應(yīng)形成水化硅酸鈣，SiO2與Al2O3反應(yīng)形成水化鋁酸鈣。這兩種物質(zhì)均具有膠凝效果，通常為沒(méi)有固定形態(tài)的膠體；飛灰遇水后其中的Fe2O3、FeO 等金屬氧化物在一定條件下形成水硬型凝膠化合物。由流體力學(xué)理論可知，附著在管壁最近的流體由于摩擦力和萬(wàn)有引力的作用會(huì)與管壁保持相對(duì)靜止。相對(duì)靜止的環(huán)境更有利于水硬凝膠的形成，當(dāng)凝膠形成后會(huì)不斷捕捉漿液中的懸浮顆粒，產(chǎn)生首層附著物，如此交替進(jìn)行，附著物的厚度不斷增加，形成環(huán)狀成層分布的固體，造成輸漿管路縮徑，從而呈現(xiàn)附著型縮徑狀態(tài)。

（2）黃土+石粉。新義礦業(yè)地處洛陽(yáng)西部，進(jìn)入山區(qū)黃土資源豐富，黃土主要為黏土，主要成分為硅酸鹽和金屬氧化物等，同時(shí)含有石英、長(zhǎng)石、云母及硫酸鹽、碳酸鹽等礦物。石粉即脫硫石膏，脫硫石膏又稱排煙脫硫石膏、硫石膏或FGD 石膏，主要成分為二水硫酸鈣CaSO4·2H2O，含量≥93%，具有凝結(jié)特性。當(dāng)黃土中的氧化物或石粉遇水后，發(fā)生水化反應(yīng)，形成固體凝膠，附著于輸漿管路內(nèi)壁，附著過(guò)程類似于飛灰縮徑過(guò)程。綜合以上分析，飛灰中CaO 是造成附著型縮徑的主要因素，在輸漿管路縮徑中起主導(dǎo)作用；黃土+石粉中石粉含量影響次之，黃土影響較小。

2.2 沉積型縮徑機(jī)理

飛灰漿液在輸送過(guò)程中屬于賓漢流體，根據(jù)雷諾數(shù)判斷其在高壓管路內(nèi)為紊流狀態(tài)，則漿液中固形物受到向上的沖擊力而懸浮。當(dāng)固形物受到的沖擊力和自身浮力之和小于重力時(shí)，固形物會(huì)發(fā)生沉積，造成沉積型縮徑。

根據(jù)流體力學(xué)原理，紊流狀態(tài)的固形物所受沖擊力和流速有關(guān)，當(dāng)流速大于臨界值時(shí)沖擊力的方向向上，小于臨界值時(shí)方向向下，即產(chǎn)生沉淀。浮力與比表面積呈正相關(guān)，比表面積越大即顆粒粒度越小所受浮力越大。新義礦業(yè)覆巖離層輸漿管路在運(yùn)行過(guò)程中多次出現(xiàn)爆管，爆管后管內(nèi)漿液輸送壓力減弱，漿液流速降低，導(dǎo)致漿液中固體顆粒沉積。

由以上分析可知，減少沉積型縮徑的主要方法為提高流速和減小顆粒細(xì)度。管路在轉(zhuǎn)折位置時(shí)對(duì)漿液會(huì)產(chǎn)生阻力，容易造成較大顆粒的沉積，再加上化學(xué)反應(yīng)，利用黃土+石粉時(shí)容易造成沉積型縮徑。

2.3 綜合型堵塞機(jī)理

綜合型縮徑屬于附著型縮徑與沉積型縮徑的結(jié)合，是在兩種縮徑機(jī)理共同作用下產(chǎn)生的一種縮徑類型；當(dāng)附著型縮徑起主導(dǎo)作用時(shí)，呈現(xiàn)附著物厚度較大、沉積物厚度較薄的特征；當(dāng)沉積型縮徑占據(jù)主導(dǎo)作用時(shí)，呈現(xiàn)附著物厚度較薄、沉積物厚度較大的特征。

結(jié)合新義礦輸漿管路實(shí)際縮徑情況的分析，縮徑主要原因?yàn)轱w灰附著型縮徑，次要原因?yàn)辄S土+石粉沉積型縮徑。

3 輸漿管路縮徑解決方案

3.1 輸漿管路縮頸預(yù)防措施

通過(guò)以上對(duì)輸漿管路的縮徑機(jī)理研究，本研究針對(duì)導(dǎo)致輸漿管路縮徑的主要因素提出的控措施為：①提高管路的光滑程度，避免使用廢舊管路；為防止生銹，盡量將鋼管改為內(nèi)壁光滑不易變形的膠管。②在采購(gòu)輸漿材料飛灰上，盡量用含鈣量較低的低鈣飛灰，以及細(xì)度較細(xì)、含沙量較低的飛灰，減少因水化反應(yīng)產(chǎn)生水化物的含量及速率。③在輸漿時(shí)適當(dāng)提高輸漿壓力，使得漿體在輸漿管路內(nèi)部有較高的流速，減少沉積物產(chǎn)生。④在輸漿時(shí)要保證輸漿的連續(xù)性，防止?jié){液流速忽高忽低，使得管路內(nèi)部漿液一直以穩(wěn)定高速的狀態(tài)運(yùn)動(dòng)，減少沉積物的產(chǎn)生。⑤定期沖洗管路，在輸漿管路使用一定的時(shí)間后，換用清水進(jìn)行一定量的沖洗，可有效減少固體凝膠水化物在管壁的附著。

3.2 輸漿管路附著物軟化與疏通

通過(guò)采取預(yù)防措施可減少管路堵塞現(xiàn)象，但不能完全杜絕，因此要采取相應(yīng)的措施對(duì)附著物進(jìn)行軟化和疏通。新義煤礦沉積型管路淤堵主要發(fā)生在平巷、上坡巷道以及拐彎處，特別是在輸漿升壓流速變慢后容易淤堵。本研究采用化學(xué)溶劑對(duì)管路進(jìn)行浸泡和沖洗，以達(dá)到疏通管路的目的。

（1）溶劑選擇。針對(duì)淤堵管路進(jìn)行疏通的溶劑主要特點(diǎn)是價(jià)格便宜、能夠強(qiáng)力軟化或侵蝕黃土沉積。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，選擇了酸、堿和氧化劑作為試驗(yàn)試劑，包括鹽酸、醋酸、氨基磺酸、氫氧化鈉、雙氧水，并利用水作為對(duì)比。

（2）試驗(yàn)方法。首先通過(guò)試驗(yàn)確定溶解能力和溶解速度。本研究制作了多個(gè)土樣，并投入盛放溶劑的燒杯中，每隔10 min 觀察土樣的崩解速度和程度。

（3）試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)試驗(yàn)可知：強(qiáng)氧化溶劑和酸性溶劑對(duì)土樣的崩解作用最嚴(yán)重，堿性溶液中等，作為對(duì)比的水則完全沒(méi)有發(fā)生土樣崩解。為了進(jìn)一步確定酸性溶液濃度對(duì)土樣崩解的影響，又開(kāi)展了不同濃度酸性溶液的崩解試驗(yàn)，酸性溶液選擇醋酸和氨基磺酸，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：按照崩解效果和成本最優(yōu)原則，可以選擇以0.1 mol/L的氨基磺酸溶液或0.25 mol/L的醋酸溶液作為黏土軟化試劑。

（4）工程應(yīng)用效果。針對(duì)井下容易發(fā)生沉積型縮徑的地點(diǎn)，在拆開(kāi)管路后，配置0.25 mol/L 的醋酸溶液，利用水溝和風(fēng)泵對(duì)淤堵的管路進(jìn)行浸泡和沖洗，使管路能夠快速疏通，就地處理，節(jié)約時(shí)間和成本，效果良好。

4 結(jié)論

（1）由于輸漿工作的復(fù)雜性和輸送漿液的限制，輸漿管路經(jīng)常會(huì)發(fā)生淤堵縮徑，主要為附著型縮徑、沉積型縮徑和綜合性縮徑。

（2）新義煤礦覆巖離層輸漿管路縮徑的主要原因?yàn)楦街?，其次為沉積型?？赏ㄟ^(guò)提高管路光滑程度、改良飛灰成分、提高輸漿壓力、連續(xù)輸漿并定期沖洗管路來(lái)減少附著型縮徑，對(duì)沉積型也有一定的作用。此外，采用0.25 mol/L 的醋酸溶液作為溶劑清洗和疏通輸漿管路，效果良好。