一句话回答： 本文针对神木大柳塔煤矿矸石覆岩隔离注浆充填工程，系统阐述了浆体宾汉塑性流体剪切阻力（\tau = \tau_0 + \eta_p \cdot \dot{\gamma}）预测计算方法，设计了地面大流量连续制浆与千米深孔安全输送管网系统，并给出了包含堵管、跑浆在内的全工况应急预案及总工安全自查自评指南。
适用读者： 煤矿矿长、总工程师、充填站站长、机电科长、防治水副总工程师
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜国家重点实验室充填力学课题组
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一、 神木大柳塔煤矿覆岩隔离注浆充填背景与痛点
大柳塔煤矿作为国家级现代化示范矿井，开采规模巨大。然而，随着主采煤层的持续推进，面临着两个亟待解决的瓶颈问题：
- 地表建构筑物压煤解放：矿区上方分布有大量村庄、高压铁塔、输油管线以及脆弱的黄土高原地表生态区。如果采用传统的全部垮落法开采，会造成剧烈的覆岩运动，导致地表大面积塌陷、房屋开裂，甚至破坏浅表含水层。
- 煤矸石不出井与地面零排：作为典型的绿色矿山示范单位，国家要求实现“矸石不出井”或“矸石固废资源化利用”。
覆岩隔离注浆充填技术（Overburden Isolation Grouting Backfill）是解决这一矛盾的革命性手段。该技术在煤层开采后，覆岩断裂带尚未波及到主关键层之前，利用地面定向长钻孔精准切入主关键层与下卧弱岩层之间的弯曲离层带，高压注入由煤矸石制备的高粘度、非脱水浆体。浆体充满离层空间并形成具有高承载力的“充填固结体”，能够限制关键层向下弯曲回转，阻断地表下沉，同时消耗消纳大量的煤矸石固废。
然而，在千米级超深孔、长距离管道高压输送中，矸石浆体（多相粗颗粒流体）具有极强的非牛顿流体流变特征。若配比不当或管道剪切阻力估算失误，极易引发高压憋泵、管线剧烈震动、地底跑浆以及突发恶性“管道瞬间堵死”事故，造成系统瘫痪。
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二、 浆体宾汉流变模型与剪切应力（$\tau$）预测计算
2.1 宾汉流变模型力学描述
煤矸石与粉煤灰、水泥混合制备的浆体在流体力学上被定义为非牛顿宾汉塑性流体（Bingham Plastic Fluid）。该流体只有在剪切应力超过其临界屈服剪切应力 $τ_0$ 后，才会开始发生流动。
其本构方程（Constitutive Equation）表示为：
其中：
- $τ$：流体所受的剪切应力（单位：Pa）；
- $τ_0$：屈服应力（Yield Stress），即流体克服内部网格结构破坏开始流动的最小剪应力（单位：Pa）；
- $η_p$：塑性粘度（Plastic Viscosity），反映流体流动开始后，分子间及颗粒间的剪切摩擦阻力（单位：Pa·s）；
- $γ̇$：剪切速率（Shear Rate），反映管流速度梯度（单位：$s^{-1}$），在圆管流动中可表示为：
（其中 $v$ 为管内平均流速，$D$ 为管道内径）。
2.2 管道流动摩阻阻力计算
对于非牛顿宾汉流体，当其在水平圆形管道内呈层流状态流动时，其管道沿程阻力损失（压力降 $\Delta P$）可采用巴克兰 - 莱特曼（Buckingham-Reiner）公式进行精确估算：
其中：
- $\Delta P$：管道沿程摩擦阻力损失（单位：Pa）；
- $L$：输送管道长度（单位：m）；
- $D$：输送管道内径（单位：m）；
- $v$ : 浆体在管道中的平均流速（单位：m/s）。
在工程实践中，为了确保制浆泵不憋压，泵的额定排出压力 $P_{pump}$ 必须满足：
其中 $K$ 为安全余量系数（通常取 1.3~1.5），$\rho$ 为浆体密度，$\Delta H_{vertical}$ 为垂直管段自重压头（在下料段自重通常起推动作用，表现为静水压头），而当停泵启动或回水清洗时，需重点克服自重带来的逆向摩擦阻力。
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三、 矸石浆体配比流变参数对账表
实验室通过安东帕（Anton Paar）流变仪，在常温下对不同浓度、不同灰砂比（煤矸石与粉煤灰）的浆体进行了流变本构参数标定，获取了指导管道设计的核心参数表：
| 配比编号 | 质量浓度 $C_m$ (%) | 矸粉质量比 $M_{矸}/M_{粉}$ | 浆体密度 $\rho$ (kg/m³) | 屈服应力 $τ_0$ (Pa) | 塑性粘度 $η_p$ (Pa·s) | 临界不离析流速 $v_c$ (m/s) | 管道沿程阻力损失 $\Delta P/L$ (kPa/m) | 泵送管道安全评估 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| GP-01 | 62.0 | 7:3 | 1480 | 12.5 | 0.180 | 1.15 | 0.98 | 流速偏低，大颗粒易沉积 |
| GP-02 | 65.0 | 6:4 | 1540 | 22.0 | 0.280 | 1.30 | 1.55 | 最佳配比，悬浮性好，摩阻中等 |
| GP-03 | 68.0 | 6:4 | 1610 | 38.4 | 0.450 | 1.45 | 2.68 | 阻力稍大，要求泵压 > 6.0MPa |
| GP-04 | 72.0 | 5:5 | 1690 | 72.0 | 0.850 | 1.65 | 5.82 | 危险配比（极易引起高压憋泵） |
| GP-05 | 58.0 | 8:2 | 1420 | 5.2 | 0.095 | 0.90 | 0.62 | 稀浆，易跑浆、固液分离分层 |
[!IMPORTANT]
从上表流变数据可以看出，当浆体质量浓度达到 72% (GP-04) 时，其屈服应力急剧攀升至 72.0 Pa，沿程阻力高达 5.82 kPa/m，极易在输送管网中产生“活塞状局部沉积”导致管道堵死。相反，当质量浓度低于 58% (GP-05) 时，虽然输送摩擦力极低，但浆体内部的煤矸石粗颗粒会由于重力作用发生分层离析，且在井下离层带极易发生跑浆漫延，失去支撑关键层的作用。因此，工程设计最终推荐采用 GP-02 或 GP-03 作为生产控制指标。
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四、 地面大流量连续制浆与千米深孔安全输送系统设计
在大柳塔煤矿覆岩隔离注浆工程中，我们构建了多系统级联的工业制浆输送平台，工艺流程设计包含以下核心单元：
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flowchart TD
A[煤矸石堆场] --> B[粗碎与细碎机 D<5mm]
B --> C[电子皮带秤连续计量]
C --> D[强力连续双轴浆体搅拌机]
E[粉煤灰罐/水泥罐] --> D
F[矿井水回用管路] --> D
D --> G[浆体高频振动筛避堵]
G --> H[浆体高浓度稳流平衡罐]
H --> I[高压柱塞充填泵额定12.0MPa]
I --> J[地面定向孔千米垂直深下料管线]
J --> K[工作面覆岩主关键层离层带]
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4.1 煤矸石多级破碎与筛分系统
原矸石通过鄂式破碎机（Jaw Crusher）和双齿辊破碎机（Roll Crusher）级联磨碎，并经过封闭式高频振动圆孔筛分选。严格控制最大粒径 $d_{max} ≤ 5.0\text{mm}$，且 1.0mm 以下的微细粉体占比需大于 45% 以提供悬浮基介质。
4.2 连续剪切式双轴搅拌机
为了将粉体与矸石骨料、水分子充分揉搓和剪切，系统选用 160kW 级变频双桨叶式连续制浆搅拌机。双轴桨叶采用反向交叉旋转设计，提供超高剪切应力，强制使水分充盈入煤矸石多孔间隙，使得浆体内部气泡完全排出，保证制备出的流体呈现完美的非牛顿均质态。
4.3 稳流防离析平衡槽
搅拌好的浆体流入具有缓速搅拌叶片的 50m³ 平衡槽内，低速慢搅（15 rpm）防止浆体在重力作用下发生静态结块沉淀。
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五、 全工况故障特征与标准化处置预案
由于千米垂直深井的管柱静水压力可达十兆帕以上，充填管网系统必须设立完备的泄压、清扫、应急反冲洗等联锁机构。
5.1 连续憋压堵管（Clogging）
- 现象特征：制浆站变频主泵出口端电磁压力变送器数值迅速跳变（如从 3.5MPa 急剧升高至设定极限压力 9.5MPa 停机线），流量计流量下降至 0.0m³/h，垂直孔段管道伴有“咚咚”水击震动声。
- 应急处置规程：
- 一键联锁停机：主控室按下“制浆停泵”急停按钮，变频卸压阀联锁开启，排污管路自动导通。
- 气水分段反洗：启动地面“高压气水混合冲洗机”，向管道充入 1.2 倍爆破压力的气水混合脉冲（0.8MPa 风压 + 6.0MPa 水压交替），将水平管段中沉积的矸石块往出口方向剥离。
- 人工敲击与卸扣：若反冲洗无效，利用超声波管线测堵仪进行管壁扫描定位堵塞点，切断高压源，拆除管道自紧抱箍扣进行物理掏砂。
5.2 井下岩层大面积漏浆跑浆（Grout Runaway）
- 现象特征：地面泵送压力在工作流量不变的情况下发生断崖式下跌（降至 0.5MPa 以下），离层钻孔水位在线监测仪显示孔内水头急剧下降，而采煤顺槽后部、工作面支架顶部开始出现泥浆渗漏流挂。
- 应急处置规程：
- 停注稀浆：地面站立即停止GP-02普通浆液泵送。
- 切换快速双液凝胶：切换为 GP-04 浓度配比，并开启注浆旁路的水玻璃（Sodium Silicate）计量泵，进行水泥-水玻璃（C-S 双液）高压混合注入。控制凝胶时间（Gel Time）在 45~60s 以内。
- 顺槽沙袋筑坝：通知井下防冲中队，用矿用编织沙袋在渗漏漏浆点下部筑设临时截流堤，配合风动排沙泵将漏出的积浆抽入顺槽水仓。
5.3 冬季管路地表冻结（Grout Freezing）
- 现象特征：冬季夜间零下 20℃ 低温工况，制浆管线在停泵半小时后未完全排空，再次启动泵时压力表瞬间打满，出浆口无任何介质流出。
- 应急处置规程：
- 禁止强行增压开泵：严禁调高变频泵极限以防直接发生爆管。
- 高温蒸汽化冻：开启移动式蒸汽锅炉发热车，使用保温蒸汽枪沿地表敷设管路从低位点至高位点分段喷射加温。
- 伴热改造：恢复生产前，在裸露的 300 米地表注浆干线上，缠绕复合阻燃防爆电伴热带，外包 50mm 橡塑保温棉进行防护。
5.4 系统变送器异常报警（Transmitter Fault）
- 现象特征：主控SCADA系统显示压力报警，但是旁路耐震机械式指针压力表读数完全正常；SCADA系统压力读数呈“死线”或数值高频跳变，跳变周期与泵柱塞往复频率无关。
- 应急处置规程：
- 切入人工监视：充填工段长到压力表前进行两分钟人工盯表记录，并开启主泵备用物理溢流旁通管道。
- 断电吹扫隔膜：拆卸压力变送器，检查其法兰端部的硅橡胶传压膜片是否被大粒径矸石扎破或硬化水泥结垢卡死。
- 更换校验：使用备用防水防尘 IP67 级压力变送器替换，并在标定器上完成零位及满度（0~16.0MPa）校准。
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六、 煤矿总工程师与充填站长注浆充填安全自查自评清单（15项）
为保障神木大柳塔煤矿矸石覆岩隔离注浆充填系统零事故、高效率运行，煤矿技术团队必须每日对照执行以下安全卡片自查：
- [ ] 1. 矸石多级破碎系统出料粒径是否稳定在 $d ≤ 5.0\text{mm}$ 以下，且按班次进行物理筛网倒置检查？
- [ ] 2. 连续双轴桨叶搅拌机变频器电流是否在正常范围，桨叶表面是否有大块矸石卡死卡阻现象？
- [ ] 3. 电子皮带秤与水流电磁流量计的质量与体积配比闭环控制系统是否已校验并在有效标定期内？
- [ ] 4. GP-02 矸石浆体浓度测试是否至少每 2 小时进行一次物理烘干称重比对校核？
- [ ] 5. 宾汉非牛顿浆体的流变指标屈服应力 $τ_0$ 和粘度 $η_p$ 是否每周用旋转流变仪测试一次并记录归档？
- [ ] 6. 地面长距离输浆管线在下料口处的防爆抗震高压阀门，其额定耐压（通常 $≥ 16.0\text{MPa}$）是否相符？
- [ ] 7. 千米深孔垂直悬挂下料管的管壁磨损厚度是否每个月使用超声波测厚仪检测一次？
- [ ] 8. 系统是否在垂直转弯段及低洼段设置了气动或手动快速排污冲洗三通阀门？
- [ ] 9. 高压柱塞泵出水端机械弹簧式安全阀的整定开启压力（通常为 10.0MPa）是否铅封完好？
- [ ] 10. 井下被充填离层带上方岩层变形的钻孔位移计与多点位移计信号是否接入矿调度SCADA系统？
- [ ] 11. 采空区后方及巷道密闭墙的侧向注浆抗压强度及跑浆巡检是否由专职瓦斯防治水员每班排查？
- [ ] 12. 水泥与水玻璃双液注浆站的水玻璃储罐管道泵、气控阀门动作是否灵敏好用？
- [ ] 13. 冬季施工伴热带温控箱设定值是否始终保持在 5℃~15℃，防冻保护是否到段到位？
- [ ] 14. 事故排泥应急池与事故溢流管线通道是否通畅，容积是否大于制浆系统半小时的最大排浆量？
- [ ] 15. 注浆施工队是否均通过了高压憋泵与管道突然堵塞时的定向放浆应急处理程序考试？
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七、 总结与总工技术顾问行动指南
覆岩隔离注浆充填是一项系统性、高复杂度的井地联合工程，绝非简单的“制浆注水”。大柳塔煤矿的总工团队在实施本方案时应坚决贯彻执行以下三步走指南：
- 理清力学本征：牢记宾汉流体公式 $τ = τ_0 + η_p \cdot γ̇$，每次开采区地质力学评估或变更矸石来源时，必须前置进行流变参数的重新实验标定，严禁超高浓度GP-04违规下井。
- 装备刚性达标：选用大功率双轴连续剪切式搅拌机，且管道连接部位严禁采用普通塑料法兰，必须统一使用自紧抱箍接头以确保能承受突发憋管产生的高压脉冲。
- 不折不扣落实日检：按本文所列的“15项自查清单”建立每日例会核算机制，对设备性能及管道摩阻进行主动预警，确保大柳塔煤矿保水开采与建构筑物安全稳步解放。