周治元 沈传波 王志毅

（义煤集团新义矿业有限公司）

新义矿业面临的建（构）筑物压煤问题十分严峻，如果全部采用留设煤柱的方法，矿井将面临无煤可采的境地。因此，开展不迁村采煤技术研究是解决新义煤矿压煤困难的重要举措。覆岩离层输浆充填减沉开采技术是一种针对建（构）筑物下压煤不迁村开采的有效途径［1-3］，输浆管路是该技术的关键环节之一。在工程实践中时常发现输浆管路发生缩径现象，使阻力增大，流量降低，甚至钻孔堵塞。由于覆岩离层空间是一个由小→大→小→闭合的过程，若不能及时充填，则离层空间会逐渐闭合，导致输浆过程失败［4］。因此，研究覆岩离层输浆管路的缩径机理及防控措施具有重要意义。

在管路缩径问题方面，很多学者开展了相关研究，主要包括浆液悬浮物粒径、流动速度和浆液浓度等［5］。本研究主要通过对新义矿输浆管路的缩径类型进行实地观测，通过理论与实际相结合分析揭示了不同缩径类型的形成机理，发现不同输浆材料（黄土、石粉、飞灰）中影响输浆管路缩径的主要因素，据此提出针对性的防控措施。

为确保输浆减沉工程顺利开展，新义矿业对地面输浆管道进行了监测，并采取了一些预防措施，但仍然发现个别区段输浆管路出现问题导致管路缩径，最终造成爆管。根据工程实践，对输浆管路内截面的形状进行分析可知，管路缩径主要包含以下3种。

（1）附着型缩径。输浆管路内浆液骨料紧密地、均匀地的附着于管壁上，总体呈环状附着。环状附着体的厚度h1为缩径前后有效流动半径之差（图1（a））。

（2）沉积型缩径。输浆管路内浆液骨料沉积于管底内壁，总体呈不足半圆形，其厚度h2为沉积物底部到顶部的距离（图1（b））。

（2）综合型缩径。综合性缩径是前两种缩径的组合，既有附着型，又有沉积型，且不分先后，厚度为h1、h2之和（图1（c））。

通过新义矿业覆岩离层输浆管路缩径实物的分析，发现主要缩径类型为附着型缩径，附着物厚度为5～25 mm，平均厚度约12 mm，兼具有轻微综合型缩径特征，沉积型缩径特征不明显。通过分析发现附着型缩径主要特点为：①环状附着体总体较厚，且紧紧地附着在管壁上，呈层状分布；
②环状附着物的厚度并不均匀，在不同的地点厚度有所差异，在管路平整处，附着物较薄，在临近管路接口法兰处，附着物较厚；
③随着输浆管路与输浆泵站的距离不同，管路上附着物的厚度也有所不同，一般距输浆泵站越近，附着物厚度越大。沉积型缩径主要特征是在贴近管路底部管内附着的物厚度明显大于管路上部，且附着物形状呈现半圆形。

本研究根据输浆管路缩径后附着物的横截面积和输浆管路的总横截面积之比来定义缩径率η，用于计算输浆管路的堵塞程度。计算公式为

式中，η为缩径率，%；
Sd为缩径所减少的管路横截面积，m2；
S为输浆管路的横截面积，m2；

根据上式，通过测量附着物厚度h1、h2以及圆管半径R，即可计算出管路的缩径率。

新义矿业覆岩离层输浆输浆管路缩径类型主要为附着型缩径，本研究重点对该类型缩径机理进行分析。

2.1 附着型缩径机理

本研究从输浆材料特性入手分析附着型缩径机理。不同的输浆材料的黏度、水化反应时间及速率也有所不同，在管路缩径因素中所起的作用也有所不同。新义矿业输浆材料主要为飞灰，在飞灰供应不足的情况下，采用黄土+石粉（脱硫石膏）混合浆进行补充。

（1）飞灰。飞灰主要是煤炭燃烧过程中产生的附着在烟气中的烟灰，颜色为灰色—灰白色。组成成分主要包括SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3、FeO 等，飞灰根据含钙量不同可分为低钙飞灰和高钙飞灰。飞灰遇水后有很强的反应能力，其中的CaO会发生化学反应形成Ca（OH）2，SiO2与Ca（OH）2反应形成水化硅酸钙，SiO2与Al2O3反应形成水化铝酸钙。这两种物质均具有胶凝效果，通常为没有固定形态的胶体；
飞灰遇水后其中的Fe2O3、FeO 等金属氧化物在一定条件下形成水硬型凝胶化合物。由流体力学理论可知，附着在管壁最近的流体由于摩擦力和万有引力的作用会与管壁保持相对静止。相对静止的环境更有利于水硬凝胶的形成，当凝胶形成后会不断捕捉浆液中的悬浮颗粒，产生首层附着物，如此交替进行，附着物的厚度不断增加，形成环状成层分布的固体，造成输浆管路缩径，从而呈现附着型缩径状态。

（2）黄土+石粉。新义矿业地处洛阳西部，进入山区黄土资源丰富，黄土主要为黏土，主要成分为硅酸盐和金属氧化物等，同时含有石英、长石、云母及硫酸盐、碳酸盐等矿物。石粉即脱硫石膏，脱硫石膏又称排烟脱硫石膏、硫石膏或FGD 石膏，主要成分为二水硫酸钙CaSO4·2H2O，含量≥93%，具有凝结特性。当黄土中的氧化物或石粉遇水后，发生水化反应，形成固体凝胶，附着于输浆管路内壁，附着过程类似于飞灰缩径过程。综合以上分析，飞灰中CaO 是造成附着型缩径的主要因素，在输浆管路缩径中起主导作用；
黄土+石粉中石粉含量影响次之，黄土影响较小。

2.2 沉积型缩径机理

飞灰浆液在输送过程中属于宾汉流体，根据雷诺数判断其在高压管路内为紊流状态，则浆液中固形物受到向上的冲击力而悬浮。当固形物受到的冲击力和自身浮力之和小于重力时，固形物会发生沉积，造成沉积型缩径。

根据流体力学原理，紊流状态的固形物所受冲击力和流速有关，当流速大于临界值时冲击力的方向向上，小于临界值时方向向下，即产生沉淀。浮力与比表面积呈正相关，比表面积越大即颗粒粒度越小所受浮力越大。新义矿业覆岩离层输浆管路在运行过程中多次出现爆管，爆管后管内浆液输送压力减弱，浆液流速降低，导致浆液中固体颗粒沉积。

由以上分析可知，减少沉积型缩径的主要方法为提高流速和减小颗粒细度。管路在转折位置时对浆液会产生阻力，容易造成较大颗粒的沉积，再加上化学反应，利用黄土+石粉时容易造成沉积型缩径。

2.3 综合型堵塞机理

综合型缩径属于附着型缩径与沉积型缩径的结合，是在两种缩径机理共同作用下产生的一种缩径类型；
当附着型缩径起主导作用时，呈现附着物厚度较大、沉积物厚度较薄的特征；
当沉积型缩径占据主导作用时，呈现附着物厚度较薄、沉积物厚度较大的特征。

结合新义矿输浆管路实际缩径情况的分析，缩径主要原因为飞灰附着型缩径，次要原因为黄土+石粉沉积型缩径。

3.1 输浆管路缩颈预防措施

通过以上对输浆管路的缩径机理研究，本研究针对导致输浆管路缩径的主要因素提出的控措施为：①提高管路的光滑程度，避免使用废旧管路；
为防止生锈，尽量将钢管改为内壁光滑不易变形的胶管。②在采购输浆材料飞灰上，尽量用含钙量较低的低钙飞灰，以及细度较细、含沙量较低的飞灰，减少因水化反应产生水化物的含量及速率。③在输浆时适当提高输浆压力，使得浆体在输浆管路内部有较高的流速，减少沉积物产生。④在输浆时要保证输浆的连续性，防止浆液流速忽高忽低，使得管路内部浆液一直以稳定高速的状态运动，减少沉积物的产生。⑤定期冲洗管路，在输浆管路使用一定的时间后，换用清水进行一定量的冲洗，可有效减少固体凝胶水化物在管壁的附着。

3.2 输浆管路附着物软化与疏通

通过采取预防措施可减少管路堵塞现象，但不能完全杜绝，因此要采取相应的措施对附着物进行软化和疏通。新义煤矿沉积型管路淤堵主要发生在平巷、上坡巷道以及拐弯处，特别是在输浆升压流速变慢后容易淤堵。本研究采用化学溶剂对管路进行浸泡和冲洗，以达到疏通管路的目的。

（1）溶剂选择。针对淤堵管路进行疏通的溶剂主要特点是价格便宜、能够强力软化或侵蚀黄土沉积。根据以往经验，选择了酸、碱和氧化剂作为试验试剂，包括盐酸、醋酸、氨基磺酸、氢氧化钠、双氧水，并利用水作为对比。

（2）试验方法。首先通过试验确定溶解能力和溶解速度。本研究制作了多个土样，并投入盛放溶剂的烧杯中，每隔10 min 观察土样的崩解速度和程度。

（3）试验结果。通过试验可知：强氧化溶剂和酸性溶剂对土样的崩解作用最严重，碱性溶液中等，作为对比的水则完全没有发生土样崩解。为了进一步确定酸性溶液浓度对土样崩解的影响，又开展了不同浓度酸性溶液的崩解试验，酸性溶液选择醋酸和氨基磺酸，结果如图2所示。由图2可知：按照崩解效果和成本最优原则，可以选择以0.1 mol/L的氨基磺酸溶液或0.25 mol/L的醋酸溶液作为黏土软化试剂。

（4）工程应用效果。针对井下容易发生沉积型缩径的地点，在拆开管路后，配置0.25 mol/L 的醋酸溶液，利用水沟和风泵对淤堵的管路进行浸泡和冲洗，使管路能够快速疏通，就地处理，节约时间和成本，效果良好。

（1）由于输浆工作的复杂性和输送浆液的限制，输浆管路经常会发生淤堵缩径，主要为附着型缩径、沉积型缩径和综合性缩径。

（2）新义煤矿覆岩离层输浆管路缩径的主要原因为附着型，其次为沉积型。可通过提高管路光滑程度、改良飞灰成分、提高输浆压力、连续输浆并定期冲洗管路来减少附着型缩径，对沉积型也有一定的作用。此外，采用0.25 mol/L 的醋酸溶液作为溶剂清洗和疏通输浆管路，效果良好。

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