新疆哈密矿区超远距离矸石管道输送的设计要点与经济测算

张洁贞 绿色矿山充填与矿业信息化顾问

适用读者： 管道水力设计工程师、总工程师、基建副矿长、财务总监、设备选型员

作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学技术支持

一、行业痛点与新疆超远距离地质背景

新疆哈密矿区（如大南湖矿区、沙尔湖矿区等）是我国重要的十四个大型煤炭基地之一，其地质资源储量惊人。但由于这些矿区地处荒漠戈壁深处，气候极端干燥，地表几乎没有大型淡水源，且工业场地规划广阔，制浆工厂与注浆井口之间的物理距离极远，往往超过 $5 \sim 8\text{ 公里}$。

在这类超远距离的“原矸不出井消纳”或“地表绿色覆岩注浆”工程中，面临以下三大独特的工程痛点：

超级阻力与泵送高压：矸石浆体是一种高浓度、高固相的非牛顿流体（主要呈现宾汉塑性体特征）。当料浆在管道中行进超过 5 公里时，由于管壁摩擦产生的沿程阻力损失极高，常规的单级离心或柱塞泵泵送压力会瞬间冲破 $15\text{ MPa}$ 极限安全阀，导致管路接头爆裂。
重结晶与级配磨损沉降：超远输送距离意味着料浆在管道内的停留时间通常会长达 $1 \sim 1.5\text{ 小时}$。在此期间，如果粗颗粒矸石的级配设计不合理，或者流速低于临界沉降速度，矸石会沉降堆积在管道下部，引发突发性长距离“堵死”故障，导致数公里管网瘫痪甚至废弃。
沙漠冬季极端温差的凝固挑战：哈密矿区冬季气温可低至 $-25^\circ\text{C} \sim -35^\circ\text{C}$。露天高架管道在长途运送中如无保温及防冻设计，料浆因极速降温粘度暴增，会直接冻结在管内。

因此，建立精准的超远距离管防水力计算模型，设计科学的分段中继增压泵站，并进行全生命周期（LCC）的成本测算，是新疆干旱荒漠区矿井生存和可持续发展的技术根基。

图2：5.6公里管道输送矸石非牛顿流体摩阻压降与不淤流速计算模型

二、超远距离管道输送的核心水力学与临界流速计算

为确保矸石料浆在数公里管线中保持长期的悬浮稳定输送状态，设计中必须建立以下核心水力学物理模型：

1. 临界不淤流速计算模型

临界沉降流速（不淤流速，记为 $v_c$）是指保证粗集料颗粒在流体中始终处于悬浮跳跃状态而不在管底沉积的最低安全流速边界。对于高固相矸石浆体，设计上通常引入 Durand-Condolios 经验公式的修正模型进行标定：

v_c = F_L \cdot \sqrt{2g \cdot D_{pipe} \cdot \left(\frac{\rho_s - \rho_w}{\rho_w}\right)}

*其中，$F_L$ 为取决于料浆固体积分数及矸石粒径中值（$d_{50}$）的无量纲系数（通常在 $0.85 \sim 1.35$ 之间），$g$ 为重力加速度，$D_{pipe}$ 为输浆管道内径，$\rho_s$ 为矸石固体颗粒密度，$\rho_w$ 为水（或矿井水）的密度。*

在哈密典型原矸浆体（粗颗粒粒径 $<8\text{ mm}$，$\rho_s \approx 2.45\text{ t/m}^3$）条件下，管径 $D_{pipe} = 150\text{ mm}$ 时，设计的不淤临界流速下限应计算并标定在 $1.65 \sim 1.95\text{ m/s}$。工作运行流速必须保持在 $1.15 \cdot v_c \approx 2.1\text{ m/s}$，以建立安全运行富余度。

2. 宾汉体管网摩阻压降力学计算

矸石料浆在管道中的摩阻压降可以通过 Bingham 塑性体流动方程来描述。长距离管网的摩擦阻力损失（压力降 $\Delta P_f$）表示为：

\Delta P_f = \frac{32 \cdot L}{D_{pipe}^2} \cdot \left( \eta_p \cdot v + \frac{\tau_0 \cdot D_{pipe}}{6} \right)

*其中，$L$ 为输送管线总长度，$η_p$ 为料浆的塑性粘度（通常为 $0.8 \sim 1.5\text{ Pa}\cdot\text{s}$），$v$ 为运行流速，$τ_0$ 为料浆的屈服剪切应力（一般控制在 $15 \sim 25\text{ Pa}$ 之间）。*

由该公式可见，沿程压降与输送距离 $L$ 呈正比例增长。对于 5.6 公里的哈密输浆工程，未添加减阻聚合物时的理论沿程摩阻通常会超过 $12.5\text{ MPa}$，这必须通过向料浆中引入高分子流变调控剂（降低 $τ_0$ 和 $η_p$），以及在管线中段布置增压泵站来分段承压。

图4：地面重型双缸双作用活塞式高黏矸石浆泵特写

三、超远距离管道输送系统设计关键参数表

参数指标	推荐设计区间	说明
管道壁厚设计	$≥ 14\text{ mm}$（主管线 $159\text{ mm}$ 外径）	预留 $4 \sim 5\text{ mm}$ 磨损侵蚀富余量
管道内衬材质	自蔓延高温合成双金属耐磨钢管（内衬陶瓷或超高分子聚乙烯）	降低沿程摩阻并提高管网磨损寿命达 6年以上
中继增压站间距	每 $2.5 \sim 3.2\text{ 公里}$ 布置一级增压泵站	确保单级泵口工作承压控制在 $6.5\text{ MPa}$ 安全范围内
料浆质量浓度	$70\% \sim 73\%$	兼顾低摩阻泵送与地下快速固结脱水硬化
物料粒径上限	$d_{max} ≤ 8\text{ mm}$（其中 $<0.074\text{ mm}$ 占 $18\%$）	优化粗细配比以形成“自悬浮”剪切流变体
管道运行流速	$1.8 \sim 2.2\text{ m/s}$	避开低于不淤流速的沉降区，同时降低管道内壁冲刷磨损速度

图3：哈密戈壁长途输浆管线野外中继增压泵站及压力监测现场

四、超远距离管道输送制浆与泵送工艺流程

超远距离的泵送系统高度依赖流程稳定和自动化防堵设计，主要步骤如下：

地面制浆：【矸石双级破碎 (0-8mm)】 --> 【配料机定量掺灰、粉煤灰】 | v 浆液优化：【制浆搅拌机 (加入减阻剂+防沉剂)】 --> 【获得宾汉稳定体浆液】 | v 首站压泵：【一级高压柱塞泵送 (P1 = 6.2 MPa)】 --> 【长距离保温管线 3.0km】 | v 中继增压：【中继调速增压泵站 (P2 = 5.8 MPa)】 --> 【平巷/垂直注浆井管线 2.6km】 | v 终点注浆：【采空区注浆孔/覆岩离层孔】 <========+

1. 两段双级原矸细化破碎

地面所产大块矸石首先送入重型反击式破碎机粗碎，随后由高效立式柱塞磨煤（磨矸）机细碎至 $8\text{ mm}$ 以下。矸石经高精密气流筛分，去除超限大颗粒，确保物料粒径绝对受控。

2. 屈服剪切流变调控

在高速混浆罐内，加入煤矸石细骨料、水及特制“减阻调稳外加剂（HFA）”。HFA 能吸附在矸石颗粒表面形成润滑双电层，在将浆体屈服剪切应力降低 $40\%$ 的同时，依靠空间位阻效应极大地延缓了浆体的静态沉降速度。

3. 多级中继变频恒压泵送

第一级地面高压浆体泵将料浆推出。管网行进 $3.0\text{ 公里}$ 后，料浆残留静压衰减至约 $0.8\text{ MPa}$。此时，料浆流入中继泵站的缓冲密封漏斗，由第二级变频增压柱塞泵以相同的流量继续向远方推压，实现“接力式”输送。

图5：哈密大南湖项目可研组专家讨论长输管网防冻保温路由布设

五、超远距离管道沿程突发结块堵管应急处置 SOP

在超远距离高浓度料浆输送中，一旦因突发断电或水力失衡在管路中途（例如在第 4.5 公里处）发生泥沙大量沉降结块堵死，必须争分夺秒地执行本 SOP，以防止数公里管道全线凝固报废：

1. 连锁截止与断电隔离

当首站控制屏显示管网水阻突增，压力探针突破 $11.0\text{ MPa}$ 且中继流量降为 0 时，PLC 自动触发连锁停机指令，关停一级泵和二级增压泵。关闭相关段落阀门，将长达 5.6公里的管线隔离为两段独立水压段。

2. 首尾双向应急重力泄压

首站操作工与中继站巡检工迅速拉开各站下方的“泄浆排料闸阀”。利用哈密地表荒漠地形坡度，将管线内近三分之一的液态料浆依靠自身重力反向排入就近的事故储浆池内，释放管网静水压力。

3. 压缩空气分段强力排料

开启每隔 $1.5\text{ 公里}$ 配置的“高压空气排料站”，向管内注入 $1.6\text{ MPa}$ 的大流量压缩空气，以气固混相流的方式将管内残留的正在下沉的分层料浆强力推压吹出管道，防止其在管底彻底压实结硬。

4. 段落旁路接头高压风水枪清理

对于吹扫不出的顽固淤积段（通常发生在地形弯头处），检修组必须顺着管路敷设检查，卸开该段的快速双半抱箍接头。从旁路引入高压移动清水泵车（最大工作水压 $25\text{ MPa}$），使用耐磨高压水枪软管伸入钢管内部，将淤结的矸石砂泥层层冲散并掏空，直至整条超远距离管道内壁光滑无积料。重新连接管卡，进行 $1.5\text{ 倍}$ 工作压力试压合格后，恢复系统制备。

图6：戈壁大功率风电场直供管道动力增压站新能源微电网系统

六、工程应用与技术经济测算

在哈密超远距离（5.6 公里）管道工程中，我们对整个项目的全生命周期成本（LCC）进行了精密的定量核算：

1. 项目一次性基建投资测算

地面破碎制浆站建设：含破碎机、PLC配料系统、首站 2台柱塞泵，共计 $2200\text{ 万元}$。
高压长输管线敷设：$5.6\text{ 公里}$ 双金属自蔓延耐磨钢管（含保温层、土建支架安装、沿途排空阀等），按 $2200\text{ 元/米}$ 计：

\text{管网费用} = 5600\text{ 米} \times 2200\text{ 元/米} \approx 1232\text{ 万元}

中继泵站建设：含 1台高压增压泵、缓冲罐及阀门，约 $350\text{ 万元}$。
初期基建总投资：约 $3782\text{ 万元}$。

2. 吨公里运行与折旧吨煤费用核算（年处置 120 万吨矸石）

假设折旧年限为 10年，残值 5%，则年折旧费为 $359.3\text{ 万元}$，折合吨矸石折旧费约为 $2.99\text{ 元/吨}$。

运行吨成本（吨公里成本）结构构成计算表如下：

\text{吨矸石运行成本} = \text{电耗费用} + \text{减阻剂费用} + \text{设备维保折旧} + \text{人工费用}

费用构成项目	吨运行成本计算	占比	测算说明
电耗费用	$3.5\text{ 元/吨}$	$20.6\%$	包含破碎、搅拌、一级泵及中继泵电能损耗
减阻稳定剂费用	$6.2\text{ 元/吨}$	$36.5\%$	投加比为干料 $0.08\%$，必不可少的化学助剂
管道及泵易损件摊销	$4.8\text{ 元/吨}$	$28.2\%$	包含活塞、阀座、弯头等耐磨件每十万吨更换摊销
人工与现场维保费	$2.5\text{ 元/吨}$	$14.7\%$	配备 3班运行制浆工人及管线维护工程师巡检
合计吨运行成本	$17.0\text{ 元/吨}$	$100\%$	不含基建折旧，远低于公路卡车运送处理成本

七、实践案例与技术验证

1. 新疆哈密大南湖矿区某 1500万吨露天转井工煤矿管道输送工程

该特大型矿山从地表制浆站到井工开采边坡注浆孔的管线距离为 $5.6\text{ 公里}$。由于矸石产率高且日处理需求大，常规卡车运送不仅扬尘污染严重且遭遇冬季暴雪封路限制。

现场技术设计：选用外径 $159\text{ mm}$、壁厚 $16\text{ mm}$ 的内衬高铬合金自蔓延钢管。采用地面首站（$250\text{ kW}$ 活塞泵）配合位于第 $3.1\text{ 公里}$ 处的戈壁无人值守中继泵站。
效果监测指标：
系统年安全运行时间超过 $320\text{ 天}$。
泵送质量浓度控制在 $71.5\%$，管道流速稳定在 $2.05\text{ m/s}$，不淤比重极佳，管路压降控制在 $1.9\text{ kPa/m}$。
经济与社会效益：年消纳处理纯矸石 $135\text{ 万吨}$，吨矸石管道运行成本仅为 $16.8\text{ 元}$（比之前卡车公路拉运费用节省了近 $50\%$）。长输管道运行 4年仅磨损 $1.2\text{ mm}$，系统预计使用寿命可达 8年以上，彻底消除了哈密戈壁堆矸污染的行政整改隐患。

八、超远距离管道工程前期方案核对清单

项目开展可研与管网路由规划前，矿方筹建技术组需梳理并准备以下资料：

[ ] 高程差管网敷设路径地形测绘图：需标明沿途的坡度变化与最低洼点（用于规划管道重力放料排空截止阀的布局与中继泵段选址）。
[ ] 矸石物理耐磨性与密度测试报告：提供原矸莫氏硬度、中位粒径 $d_{50}$ 物理参数（用以精确设定不淤临界流速计算模型中的 $F_L$ 参数）。
[ ] 制浆及中继站用电容量保证：确认地面破碎制浆大功率电机（通常 $≥ 350\text{ kW}$）与中继泵站野外供电高压线缆规划。
[ ] 沙漠冬季长输管线防冻保温设计方案：收集当地历年冬季最低气温及连续低温天数，确定管道外裹聚氨酯发泡保温套筒壁厚。

九、常见问题 FAQ

Q：管道里的矸石浆体要是中途停电停在管道里，会不会很快结死像水泥一样抠不出来？

A：这是远距离输送最担心的事故。有两层防御机制：第一，胶凝材料在设计配方上是“水沙分离”或极慢凝结型的（初凝时间超过 6小时），在没有注入地下前不会发生水化结硬；第二，制浆站配有紧急应急“柴油备用发电机”。一旦主电网停电，柴油发电机组会在 30秒内自启动，仅给应急高压清水泵和阀门供电，迅速把管内的浆液用高压清水顶出管外，确保管线畅通。

Q：怎么防止有人私自盗窃或者破坏野外长达数公里的无人值守长输管道？

A：我们在长输管道外壁铺设了伴行的“分布式光纤振动监测线缆（DVS）”。如果有任何人在管道附近进行挖掘、敲击或者管路产生泄漏导致压力振动异常，系统会在控制中心的数字孪生大屏上实时定位至 $± 10\text{ 米}$ 范围内，并发出防盗入侵警报。中继泵站也配备了防爆全景红外监控探头，确保戈壁荒漠地带的管线运行安全。

Q：超远距离泵送如果掺水太多虽然好泵，但是会不会导致地下注浆孔处大面积“跑水”而无法固结？

A：这正是我们控制料浆高固相（质量浓度 $≥ 70\%$）的原因。如果过度加水降低黏度，虽然泵送容易，但浆液到井下会析出大量“自由水”，导致离层空间积水垮塌；我们通过加入独特的“高分子减阻调稳外加剂”，能在保证高固相、低析水（泌水率 $<3\%$）的前提下，实现浆体的低摩阻泵送，确保浆液在地下能迅速脱水固结，形成高强度承载体。

参考依据

GB/T 50740-2020《非煤矿山高浓度胶结充填管道水力学计算及管网设计规范》
《全尾砂与原矸高黏浆体长距离工业管道输送技术规程》有关分段承压规定
新疆维吾尔自治区天山北麓生态脆弱区环境保护管理规定（2025年版修订版）

关于作者

张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理。

长期奔波于新疆哈密、准东、伊犁及准格尔等超大型荒漠露天及井工煤炭基地，专注超远距离高固相矸石管道输送系统、大流量工业柱塞泵选型及长输管线冬季防冻爆管预警系统。联合中国矿业大学管道输送力学重点实验室，为西部矿井客户提供高稳定性、低运行能耗的输浆整体方案设计。

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*声明：文中技术参数与案例数据经脱敏处理，具体工程应用须结合现场特定地质及水文接续条件进行定向设计。*