陕北榆林煤矿煤矸石浆体充填管路水力降阻计算与重载泵送堵管应急处置指南

张洁贞 中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理 · 煤矿智能化与绿色充填方案

一、 陕北矿区固废消纳痛点：长距离重载泵送管网摩阻过大与爆管死机隐患

陕北榆林地区作为我国最具代表性的特大型侏罗纪煤炭产业示范基地，其地下铺设着厚度大、条件优越的煤层，但大宗固废——煤矸石的消纳处理面临极为严苛的环保与生态底线限制。在绿色矿山建设的大框架下，“矸石不出井、零堆存、就地处置”已成为新建及改造矿井的硬性合规门槛。在此技术趋势下，煤矸石地面磨细浆体充填（大流量长距离覆岩离层或采空区漫灌充填）技术得到了爆发式推广应用。

然而，在陕北特有地貌与极端气候环境约束下，浆体充填工程在实际落地和常态化运行中频繁遭遇重重痛点：

1. 长距离重载输送管网摩阻陡增导致“憋泵爆管”：浆体充填系统通常需要将高浓度（65%～72%）的超细煤矸石料浆通过地表管网及垂直钻孔输送至数公里之外的井下采空区或离层空腔。在如此长距离输送中，高固相浓度的浆液呈现出显著的非牛顿流体特性，管内沿程摩擦阻力（摩阻压力梯度）会随着流速、浓度、浆体粘度及管道粗糙度的微幅波动而急剧飙升。一旦管内剪切稀化效应（Shear Thinning）因意外间歇停泵而中断，浆液极易在瞬间转变为高粘塑性体，静态屈服应力翻倍，导致启动压力超过高压柱塞泵及管道的极限承压能力（如 16.0 MPa 级），诱发严重的憋泵甚至恶性爆管抛浆事故。
2. 陕北高寒气候带来的地表管路冻结堵塞危机：陕北榆林冬季气温时常突破零下 20℃，地面制浆站及输送干线通常需要横跨黄土丘陵露天敷设。若保温工艺不当，或者在间歇性停泵期间未及时排空管内浆液，浆液中的游离水分会迅速结冰结晶，形成高密度的固液冰混合体，将数千米管道“焊死”冻结。这不仅会导致充填系统彻底瘫痪，还会因冰胀应力导致大量昂贵的高压耐磨管道破裂变形。
3. 地层萨拉乌苏组下注浆跑浆与地下水水化学污染隐患：榆林浅埋煤层上覆地层多包含萨拉乌苏组强含水层。大流量高压憋压注浆过程中，若采动裂隙发育超限，高浓度浆液会沿着错动导水裂隙带（WCFZ）向上窜漏。这不仅会发生跑浆失控、无法构建托板减沉屏障，还会导致化学浆液进入饮用地下水层，引发严重的二次环保事件。

因此，建立科学的水力摩阻阻力计算数学模型，制定精细化的泵送工艺参数控制，并针对“堵管、跑浆、冻结、超限”这四大高频故障制定红线自查及应急处置流程，是保障百万吨级浆体充填站长周期不间断重载运转的核心技术支撑。

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二、 煤矸石高浓度浆体流变学特性与水力学摩阻计算模型

为了避免“凭经验拍脑袋设计管径和泵压力”带来的严重偏差，必须通过流变学测试确定煤矸石浆体物理流动特征，并利用流体力学控制方程进行降阻设计。

煤矸石经过湿式球磨机研磨后，当粒径分布 D50 ≤ 150 微米 且固相浓度在 68%～72% 之间时，浆体微观表现为由细微悬浮颗粒与水分子构成的稠密悬浮流体，其流变特性可简化为经典的宾汉流变体（Bingham Plastic）模型。

2.1 宾汉流变学控制方程

宾汉流变体只有当外加剪切应力超过浆液自身的屈服应力时，才会开始发生连续流动。其本构方程为：

• 宾汉流变模型控制方程**：τ = τ0 + η_p · γ

（式中：τ 为管壁处的剪切应力，单位 Pa；τ0 为屈服应力，单位 Pa；η_p 为塑性粘度，单位 Pa·s；γ 为剪切速率，单位 s⁻¹）

在实际测试中，使用带同轴圆筒测控的流变仪（如 HAAKE 旋转流变仪）对榆林某矿区取样料浆进行曲线测定，得出质量百分比浓度 Cw = 70% 的煤矸石浆料在 20℃ 下的屈服应力参数为：

• 浆体流动屈服值参数**：τ0 = 18.5 Pa, η_p = 0.165 Pa·s

2.2 沿程水力摩阻压降计算公式

管路输送流量为 Q = 120 m³/h，采用内径为 D = 150 mm（即 0.15 m）的耐磨无缝钢管时，浆体平均流速 v 计算如下：

• 管内平均设计流速计算**：v = 4Q / (π · D²) = (4 × 120/3600) / (3.1416 × 0.15²) ≈ 1.886 m/s

为了判定其在管内的流动状态，需计算宾汉流体广义雷诺数 Re_B 及赫普斯特罗姆数 He：

• 赫普斯特罗姆数（Hedstrom Number）**：He = ρ · τ0 · D² / η_p² = 1720 × 18.5 × 0.15² / 0.165² ≈ 262,743
• 宾汉雷诺数（Bingham Reynolds Number）**：Re_B = ρ · v · D / η_p = 1720 × 1.886 × 0.15 / 0.165 ≈ 2,948

（式中，浆体密度 ρ = 1720 kg/m³）

对于宾汉流体，从层流过渡到湍流的临界雷诺数 Rec 随着 He 增加而增加。由于当前 Re_B = 2,948 小于临界雷诺数区间（一般在 3800～4200 之间），因此判定浆体在管内呈平稳的层流流动。

在层流流动状态下，宾汉流体管内沿程摩擦压力梯度 ΔP/L 可以使用近似公式直接计算水力坡降：

• 巴金汉公式（Buckingham Equation）摩阻近似计算**：ΔP/L ≈ 32 · η_p · v / D² + (16/3) · τ0 / D

（代入参数计算：ΔP/L ≈ 32 × 0.165 × 1.886 / 0.15² + (16/3) × 18.5 / 0.15 ≈ 442.6 + 657.8 = 1100.4 Pa/m ≈ 1.10 kPa/m）

当水平泵送输送跨度长达 L = 3000 m 时，由于管壁摩擦产生的总压力压降损失 ΔP_total 为：

• 总沿程摩擦压力损失**：ΔP_total = 1.10 kPa/m × 3000 m = 3300 kPa = 3.30 MPa

这表明，即使在没有任何地表起伏和垂深势能影响的平直管网内，克服沿程摩擦就必须要求高压充填泵输出排压大于 3.30 MPa。如果垂直钻孔垂深为 Hd = 300 m，则需要另外考虑重力自流势能与垂直管段摩擦压降的代数和，从而设计合理的阻尼段以防发生下落段拉空憋气。

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三、 榆林地区浆体充填管路核心工艺与降阻设计参数对账表

在方案可行性审查与初步设计阶段，矿方必须严格对账浆体物理流变参数与管网结构强度，确保系统参数不超红线边界：

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四、 常见工程故障应急处置流程与排堵复工红线指南

浆体泵送是典型的连续流动力学控制工程，任何机械电气故障、操作失误或流变突变均可导致系统性危机。以下为根据现场长期一线实务总结的4类突发故障标准化处置手册：

4.1 连续憋压堵管 (Clogging) 应急处置与高压反冲刷规程

• 故障表征**：

主控室监控画面中，高压柱塞充填泵出口压力传感器数值瞬间突增（例如 3 秒内从正常工作压力 3.2 MPa 暴涨至 7.8 MPa 并触发超限报警保护停泵），流量计读数归零。这代表长距离管网内部已在某一处或多处段落发生了严重的级配沉积或物理死栓塞，即憋压堵管。

• 故障原因**：

球磨机给料筛网磨破，大于 3 mm 的矸石大颗粒直接进入混料槽；或者地面制浆浓度突超 73% 导致流体屈服剪切值急剧上升，超出泵送能力。

```mermaid

flowchart TD

A[憋压超限报警 压力>7.5MPa] --> B[停机锁定 迅速关闭井下主控阀]

B --> C[启动管线分段压力测试 判定堵塞区段]

C --> D[堵在垂直孔段]

C --> E[堵在水平干线段]

D --> F[启动高压气水脉冲反冲刷装置 往复交替回流]

E --> G[使用沿线设有的泄压支路 放出前段料浆]

G --> H[人工卸开抱箍分段掏砂 清理后重新合拢]

F --> I[检测回流水变清 压力降至0.2MPa下]

H --> I

I --> J[进行全管路清水大流量清扫 1.5倍工作流速]

J --> K[确认通畅 重新进料泵送]

```

• 应急处置步骤**：

1. 停泵并切断联动控制：第一时间内停止柱塞泵及给料搅拌系统，锁定电控柜，切断连锁。迅速关闭井下充填硐室的主控阀，避免料浆沿下倾管段重力沉积。
2. 定位堵管区段：利用管线沿线布设的压力测点，或者使用人工锤击钢管的方法（被淤积段声沉闷，空管段声清脆），判别死栓塞区段（是位于垂直孔段还是地表斜坡段）。
3. 启用高压反冲装置：在孔口或管路起点处，接入地面专用的高压气水混合反冲刷装置，向进料方向交替泵入高压水（压力比堵管峰值低 1.0MPa）与大流量高压压缩空气（0.8 MPa，容量 10 m³/min）。通过气水剧烈的瞬态动载冲击波和空化效应，使发生剪切层结的粗颗粒脱离沉淀，形成局部返砂混浆，并从预设的地表安全泄水阀处排出。
4. 人工紧急分段泄水：若高压反冲 3 次后压力仍无法释放，必须启动人工强排。现场施工班组穿戴好安全防护服及防喷面罩，由两名熟练工从堵塞段下游端的自锁抱箍接头处开始，卸放管内高压余压后拆除抱箍，使用高压水枪由下至上逐节掏砂清洗，切忌在大余压未完全释放状态下直接使用大锤敲击抱箍，防爆高压射流伤人。
5. 清水扫管：排堵完成后，必须使用至少 1.5倍 正常流量的清水，连续冲洗管网不低于 45 分钟，确认压力降至常态清水摩阻后，方可转换制浆比例重新给料上马。

4.2 井下采空区或钻孔跑浆 (Leakage) 邻位封堵与速凝封阻规程

• 故障表征**：

井下注浆硐室或地测监控大屏上，注浆流量稳定但在恒定排量下泵压持续异常下降（跌至 0.5 MPa 以下近乎零压），同时井下安检人员汇报在回风顺槽、煤壁甚至相邻工作面发生大量灰色泥浆溢流冒出，这就是严重跑浆。

• 故障原因**：

工作面推进过快，顶板覆岩破断产生的导水裂隙异常张开，或者钻孔套管密封不严发生水力击穿窜漏。

• 应急处置步骤**：

1. 终止常规泵送，改注清水：立刻关闭常规的高浓度矸石制浆泵，并打开地表清水阀注入清水冲洗泵和垂直管道 15 分钟，防止管道内剩余的高粘物料在沉降中发生二次自栓塞。
2. 切换为改性快凝胶结系统：向管道内注入改性快凝高水结壳料浆（在常规矸石浆中在线速混 1.5%～2.5% 的改性聚丙烯酰胺胶凝剂与 3.5% 的速凝铝酸盐水泥）。该浆液在管内呈流动稀浆状，一旦喷出喷口到达采空区，在 60 秒内迅速转化成剪切强度超过 0.8 MPa 的柔性固结体。
3. 分阶段脉动憋压封堵：使用“泵送 5 分钟、停机 10 分钟”的脉动法。由于间歇流动，凝结体在跑浆裂隙出口逐渐累积，形成自封堵结构。当管口压力传感器读数开始逐步上扬并回升至 1.5 MPa 以上时，表明漏失通道已被彻底截断。
4. 原位探视与核实：通知井下安全员实地查验，确认煤壁无泥流溢出、无有害气体超限后，恢复常规充填制浆系统。

4.3 陕北冬季地表管线冻结 (Freezing) 伴热自防与气动泄放规程

• 故障表征**：

冬季地面管路表面结霜严重，在泵送清水或间歇性停机 20 分钟后再启动时，电机超载停机，管路完全不通，手摸外露管道冰凉刺骨，即发生了管路冰冻结。

• 故障原因**：

冬季夜间气温突破零下 20℃，间歇停泵时未进行管内料浆和余水吹扫，发生严重结冰。

• 应急处置步骤**：

1. 激活智能电伴热温控系统：立刻启动地面外露高压管道敷设的智能自限温电伴热带控制柜，将加热温度锁定在 45℃ 到 55℃ 之间，由外而内熔化管道结冰层。
2. 分段气力自排泄：若局部封冻严重，必须人工使用安全热风源进行局部辐射烘烤。在各管道低洼处、垂直转弯处的气动泄放阀处通电，利用蓄能罐内的大流量 1.0 MPa 级压缩空气，进行管道自泄排空，迫使管内碎冰随浆液高压吹扫排出。
3. 实施强制吹扫台账：冬季停机间歇时间大于 15 分钟时，中控操作工必须启动“气压吹扫程序”，用 0.8 MPa 压缩空气扫管线内部 3 遍，直至地表泄水阀无明水排出，并记入台账。

4.4 系统超限 (Overpressure) 憋泵超限泄压与阀组自动连锁切断规程

• 故障表征**：

管路终端阀门误闭，或注浆区填满压实发生高压憋压，管路瞬时压力直冲系统设计的最大安全爆破红线压强（如 12.0 MPa，即耐压极限的 80%），处于爆管危险边缘。

• 应急处置步骤**：

1. 触发PLC自动连锁切断：当压力变送器检测到泵口瞬时压力突破安全报警极限阀值（设定为 8.5 MPa）时，地面主变电所 PLC 系统自动触发三级连锁切断机制：第一级关停高压柱塞充填泵电机；第二级自动开启地面泵房管组侧向的超高压自动泄压截止阀，将浆液泄入地面沉淀池释放压力；第三级自动连锁关闭垂直管路孔口截止阀，防止重力势能发生反向窜回。
2. 手动二次机械泄压：若电控系统故障导致连锁失灵，现场操作工必须使用专用的非火花防爆扳手，手动拉动管道泄压阀的安全机械拉杆，强制顶开泄压阀溢流塞，实现机械本质安全泄压。
3. 检测与核实：待压力降至 0.2 MPa 以下后，对所有高压密封件进行紧固力矩检测和漏液排查，确认无破损后方可重置控制参数。

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五、 陕北榆林某年产600万吨级矿井百万吨矸石消纳系统工艺参数与工程案例对账

为验证设计，以榆林地区某 600 万吨级大型现代化矿井的煤矸石覆岩注浆消纳项目为例。该矿 202 采区主力工作面开采煤层平均厚度 6.2 m，埋深 280 m。上覆萨拉乌苏组沙层含水层发育良好，属于典型的保水采煤重点防控区域（工程数据已做脱敏和修正处理）：

5.1 矸石磨细制浆工艺数据对账

地表建有一座全封闭环保式矸石制浆站，配置两台湿式溢流型球磨机组，相关工艺账本对账如下：

• 干矸石原料最大进料粒径：≤12.0 mm
• 球磨机研磨级配输出：-200目 (≤74 微米) 颗粒占比达 78.5%
• 制浆料浆质量浓度：69.5% ~ 70.8%
• 水固比 (W/S) 设定：0.41 ~ 0.43
• 粉煤灰添加配比：12.5% (防止离析沉降)
• 浆体屈服应力：16.2 Pa
• 浆体塑性粘度：0.145 Pa·s
• 输送总流量：125 m³/h (湿浆体积流量)

5.2 输送管网及水力设计对账

浆体由地面泵房输送至注浆孔口，水平距离 1850 m，下行垂直高度 220 m，井下平巷水平挂管铺设 1200 m，累计输送路径长达 3270 m：

• 输浆无缝钢管内径 (D)：150 mm (壁厚设计 10 mm，预留磨损余量 3.5 mm)
• 输浆管道额定设计抗拉强度：≥355 MPa (材料为 16Mn 高强度低合金钢)
• 管道设计工作压力极限：16.0 MPa
• 实测沿程水力摩阻压降：1.05 kPa/m (清水摩阻为 0.18 kPa/m)
• 泵送总摩擦压力损失：(1850 + 1200) * 1.05 kPa/m = 3202 kPa = 3.20 MPa
• 重力势能自流压力增益：220 m 1.72 kg/L 9.8 m/s² = 3.70 MPa
• 系统运行状态判定：自流势能 (3.70 MPa) 略大于管路阻力损失 (3.20 MPa)，输浆呈平稳满管自流状态。
• 注浆后期憋压设计值：3.5 MPa ~ 4.5 MPa (以实现劈裂结壳封堵，地面泵口增压排压峰值达 6.2 MPa)

5.3 地表沉降控制与保水成效

在两年的连续充填运行中，项目累计消纳洗选矸石与干原矸达 118.5万吨。

根据工作面走向上部布置的 InSAR 卫星形变监测与地表网格水准网实测：

• 未实施注浆充填对照区地表最大下沉量：3480 mm；
• 实施覆岩隔离注浆控制区地表最大下沉量：295 mm；
• 下沉控制效率：达到 91.5%；
• 导水裂隙带预测高度：由未控状态下的 88.5 m 被强行拦截压缩至萨拉乌苏组黏土层下方 30 m 处；
• 萨拉乌苏组含水层水位跌幅：≤0.15 m，地表无明显大裂缝，保水率达 99.8%，完全达到国家级绿色矿山申报大宗固废就地消纳的加分规范。

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六、 地测与机电总工程师联合自检：浆体充填与长距离泵送 15 项红线指标

为了防范由于设计与施工脱节造成的堵管、冻裂和跑泥等严重安全和环保责任事故，地测总工程师与机电总工程师必须在系统上马和每班交接班时，联合对以下 15 项红线防爆防冻指标实施自检：

6.1 浆液制备流变力学性质（5项）

• 湿式球磨机出口的浆体固相浓度是否日测 3 次并控制在 68% ~ 72% 黄金区间内？
• 矸石粉料经振动筛分后的最大粒径是否严格控制在 2.0mm 以下，且超 1mm 的颗粒质量占比 ≤5%？
• 浆体的 24 小时析水沉降率是否低于 3.5%，避免因高析水率导致管道内局部气阻？
• 输浆回路在线电磁流量计与变频柱塞泵是否设计了联动闭环控制，当流速跌破 1.4m/s 时自动清水冲洗？
• 配浆所用矿井水的水化学指标（PH值、悬浮物）是否控制在 6.0~9.0，严防管道化学腐蚀？

6.2 管道铺设与物理抗磨防爆（5项）

• 长距离地表敷设段的弯头及法兰联接处是否配置了带阻力防护盾的钢制防喷罩壳，防止爆管浆液飞溅伤人？
• 巷道吊挂用管路吊钩锚栓其静态安全锚固抗拔载荷是否大于 3.0 倍管道满载水重？
• 进浆水平斜井段与垂直立管段法兰的平行度偏差是否控制在 ≤0.15mm 以内，防止局部应力集中？
• 地表萨拉乌苏组砂质地层中穿过的钢套管，其二级全深度固井水泥环的胶结质量（CBL检测）合格率是否达 90% 以上？
• 井下平巷水平管道铺设是否设计了 ≥2‰ 的顺向微坡度，以便停机时重力自然疏放余浆？

6.3 迎风防冻与故障联锁泄压（5项）

• 露天敷设的管线其保温棉壁厚是否在 50mm 以上，且智能自限电伴热系统完好率 100%？
• 地表集散阀门控制箱及注浆孔口电动截止阀是否设计了专用的防爆气动执行机构，断电时自动回位关闭？
• 系统配有的高压泄压支路，其溢流排出端是否与地面排爆泄压池直接串接，且池周围设置了隔离警示网围栏？
• 中控室 PLC 电气柜主板内，压力传感器过载关机延迟时间是否整定在 ≤200毫秒 以内，防止高压憋泵损坏活塞？
• 井下及地面操作岗班组，是否每周进行了一次防堵管拆管以及地表跑泥环保泄洪应急桌面演练并签字建档？

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参考依据

1. 《煤矸石覆岩隔离注浆充填技术规范》（中国煤炭加工利用协会团体标准，T/CCUA 019-2025，2025年12月31日正式实施）
2. 中煤陕西能源化工集团有限公司大海则煤矿，年产150万吨煤矸石覆岩隔离注浆充填绿色矿山建设可行性方案评估报告（2025年11月）
3. 《煤炭学报》，湿式球磨制备煤矸石高浓度浆体流变学表征与长距离管输摩阻损失巴金汉精确计算实务
4. 国家税务总局、财政部，《关于延续实施充填开采资源税减征50%优惠政策的公告》（财政部 税务总局公告2023年第60号，政策延续至2027年12月31日）

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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，煤矿智能化与绿色充填解决方案顾问。 长期服务于陕西榆林、神木、府谷、内蒙古鄂尔多斯及山西老矿区， 专注煤矸石不出井治理、大排量覆岩隔离注浆充填设计、绿色矿山迎检自查与数字化中控系统落地。 方案规划及力学水力计算依托中国矿业大学高水材料与矿山固废浆体流变学重点实验室技术团队合作支持。

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声明：文中水力计算方法和参数来自于通用非牛顿流体输送理论和脱敏煤矿项目，具体矿井的管路布置及制浆浓度必须结合实际岩性、高差势能和研磨设备另行作专项结构与水力学计算。