榆林煤矿制浆站堵管事故预防与智能清管技术
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榆林煤矿制浆站堵管事故预防与智能清管技术

一句话回答： 针对榆林中大型煤矿大宗矸石长距离高压泵送流道堵塞这一顽疾，新型智能清管与预防技术通过引入宾汉流体管道剪切应力极限摩阻模型，在地面SCADA系统中进行多点瞬态压力对比，配合自动化管道检测清管器（PIG）和自适应高压水动力旋切清淤工艺，在不中断制浆流程的前提下，将堵管率降低 94% 以上，实现大宗固废长周期连续化、安全化消纳。

张洁贞
张洁贞 绿色矿山充填与矿业信息化顾问

适用读者： 煤矿机电矿长、安环负责人、采煤总工程师、制浆充填站长、管道输送技术员、仪表工程师

作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜中国矿山流体输送与智能装备研发中心

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核心视点：

在煤矿煤矸石井下注浆及浆体充填工程中，地面制浆站到井底的管道输送路网是整个系统的“主动脉”。然而，由于煤矸石浆体是典型的高浓度、非均质、两相交变流体，极易在管道长水平弯头、直井底变径段以及阀组死角发生固相沉降，进而引发灾难性的“凝管堵管”事故。一旦发生堵管，不仅导致整个充填系统瞬间瘫痪，甚至面临着高压管壁爆裂的重特大安全事故。建立基于工业控制网的智能清管预防监测 SCADA，设计高频管道智能检测器（PIG）收发站，并配合科学的临界流速和屈服剪切摩阻算法，是实现输浆系统长周期免维护运转的根本之道。

一、 长距离输浆管路堵管的流体力学与流变学机理

分析管道堵塞，必须首先剖析非牛顿流体在封闭管道中的微观力学行为。煤矸石高浓度浆体通常被视为宾汉塑性体（Bingham Plastic），其剪切应力 τ 与剪切速率 γ̇ 遵循如下流变关系式：

\tau = \tau_0 + \eta_p \cdot \dot{\gamma}

当泵送系统正常工作时，流体在管道截面内的流速呈现明显的“塞流”（Plug Flow）特征，即中心区剪切率接近于零，而贴近管壁区域剪切率最大。

1.1 临界沉降流速与两相流离析机制

在水平管段，固体颗粒受到向下的重力、液相施加的向上浮力，以及流动产生的剪切悬浮力。当管道内流速 v 低于临界沉降流速 v_c 时，重力占主导，粗颗粒矸石（尤其是大于 $0.2 \text{ mm}$ 的颗粒）会从悬浮液中发生动力学离析，迅速沉降在管道底部形成“层流淤积床”。

临界沉降流速 v_c 可以使用经典的 Durand 修正公式进行计算：

v_c = F_L \sqrt{2gD \frac{\rho_s - \rho_l}{\rho_l}}

其中：

  • F_L 为与颗粒中值粒径及固相浓度相关的 Durand 经验系数（对于 60% 浓度矸石浆，F_L \approx 1.05 \sim 1.25）；
  • g 为重力加速度（9.81 \text{ m/s}^2）；
  • D 为管道内径（\text{m}）；
  • \rho_s 和 \rho_l 分别为固体颗粒与液相介质的密度（\text{kg/m}^3）。

一旦输浆流速低于此计算阈值，淤积床层厚度会呈指数级增长，缩小管道有效截面积，导致阻力损失 \Delta P_f 急剧上升，最终引发憋泵。

非牛顿宾汉体在水平管道内塞流与底部固相颗粒沉降床形成力学模型
图1：水平管内宾汉体塞流截面流速分布与临界沉降速度下固相颗粒动力学沉降离析机理

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二、 榆林煤矿制浆站智能在线监控与清管（PIG）技术方案

针对这一痛点，榆林中大型矿井在新建排矸制浆系统中引进了“SCADA智能监测预防 + 自动 PIG 清管系统”联合方案。

2.1 SCADA 多点瞬态压力波动态对账预警

在长达 $2000 \sim 5000 \text{ m}$ 的输浆管路上，按每 $500 \text{ m}$ 的间距安装防爆级高频高精度压力变送器，将数据接入地面 PLC 控制器。

  • 趋势诊断：系统利用沿程差压与管道摩阻关系，计算实时剪切摩阻阻力。一旦中段某两点间差压偏离正常摩阻曲线 $15\%$ 以上，说明该段管径发生物理性缩小（固相沉降）；SCADA 平台立即发出二级黄色预警，指示中控人员调大高压泵排量，强行提高流速至 $1.3 v_c$ 进行水力冲刷。

2.2 自动收发智能 PIG（清管器）清淤系统

智能 PIG 系统由“发射站—接收站—高抗撕裂聚氨酯清管器（内置北斗/磁定位芯片）”构成。

  • 工作机制：在清管动作触发时（如 SCADA 诊断出深度堵管趋势，或每周定期维护维护），PLC 自动闭锁制浆进料阀，开启清水冲洗阀。发射器快速将 PIG 推入管道。PIG 外径与管内径呈过盈配合（过盈量 3% ~ 5%）。在高压水动力驱动下，PIG 像活塞一样在管道内高速前进，将贴在管壁上的淤积煤泥与硬化沉淀结垢物强力剥离，并推向直孔末端排浆区。
  • 芯片实时追踪：PIG 内部的低频电磁发射芯片将实时坐标传回地表接收机。如果 PIG 在中途发生卡阻，地表手持接收器可在 $0.5 \text{ m}$ 范围内精确锁定位移异常点，指导工程队实施靶向开挖，免除了全线盲目拆管的巨大工期损耗。
聚氨酯高抗撕裂智能清管器PIG及其地表PLC发射机枪阀组特写
图2：地面管道除垢清淤站内，全不锈钢气动控制 PIG 快速安全自动收发装置

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三、 智能清管力学与水力冲洗物理数学模型

在进行 PIG 发射前，计算推动 PIG 前行所需的最小压差（启动压力）以及水力流速是系统设计的核心基础。

3.1 PIG 在水平直管内的启动临界压差 \(\Delta P_c\) 理论模型

推动清管器在带有结垢物的管道内运动，必须克服清管器自身与管壁的静摩擦阻力以及切除结垢物的机械力。其平衡方程可表达为：

\Delta P_c = \frac{4 \mu_{f} \sigma_{radial} L_{pig}}{D} + \tau_{scale} \cdot \frac{A_{contact}}{A_{pipe}}

其中：

  • \Delta P_c 为清管器两端的临界启动压力差（\text{MPa}）；
  • \mu_{f} 为聚氨酯与管壁水润湿状态下的摩擦系数；
  • σ_{radial} 为清管器由于过盈装配在管壁上产生的径向压应力（\text{MPa}）；
  • L_{pig} 为清管器与管壁接触段的总长度（\text{m}）；
  • D 为管道内径（\text{m}）；
  • τ_{scale} 为管壁结垢层材料的抗剪切强度（\text{MPa}）；
  • A_{contact}, A_{pipe} 分别为切削刮除结垢接触面积与管道截面积。

设计高压清水泵的扬程和压力排量时，必须留出至少 1.5 倍的 \Delta P_c 余量，防止清管器中途发生动力学卡死导致“二次堵管”。

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四、 智能在线监控与清管技术的主控参数速查表

为实现全天候稳定消纳，榆林煤矿机电部门必须将制浆管道 SCADA 的下述关键指标作为主控日常巡检红线：

监控点位 主控物理量 额定工艺范围 报警触发阈值 控制分辨率 异常联动保护控制程序
直井底变径段 瞬态压力变送器值 $2.5 \sim 5.0 \text{ MPa}$ $≥ 6.5 \text{ MPa}$ $± 0.05\text{ MPa}$ 压力超限立即联动启动“旁通排浆管”，同时关闭直井注浆阀，向直管注入高压清水冲洗
水平输送主泵 泵送瞬时流量 (m³/h) $80 \sim 150 \text{ m}^3\text{h}$ $≤ 65 \text{ m}^3\text{h}$ $± 1.0 \text{ m}^3\text{h}$ 流量突降提示发生高摩阻固相沉降，变频器自动提高主泵转速 15%，增加剪切率
PIG 管道轨道 电磁接收机脉冲强度 $65 \sim 95 \text{ dB}$ $≤ 40 \text{ dB}$ (掉线) $± 1\text{ dB}$ 脉冲变弱提示 PIG 发生非正常倾斜或卡阻，启动超声波精准定位仪，并在 10 分钟内停泵释压
制浆搅拌罐口 料浆固液质量比 (浓度) $58\% \sim 66\%$ $≥ 68\%$ $± 0.5\%$ 浓度超限，PLC 联动打开高位水阀，将浓度快速稀释至 60% 维持流化
总工与机电部长在调度中心围绕管道监测压力波分析故障
图3：矿井管道SCADA调度室内，总工程师会同机电主管评估管道压力波瞬态诊断及堵管预警

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五、 管道故障应急处置与机电检修闭环规程

长距离输浆管路的故障处理，具有极高的时效性（必须在浆体沉结硬化的黄金 2小时内完成处理），以下是两类常见突发事故的应急规程：

5.1 直井垂直坠落段突发“失水沙桥”憋管事故

  • 引发原因：制浆站中途突发供电故障停电，泵送瞬间停止。直井段垂直高度大，浆液自沉降速度极快，水相向上飘移，导致固体颗粒在直井底部堆积成致密的“沙桥”。
  • 应急闭环处置程序：
  • 管路安全泄压：严禁带压检修，操作人员立即打开直井顶部的泄压球阀，将孔内气体和上部残存积水排入地面沉淀池，压力表清零。
  • 逆向高压气流震荡：开启井下直井底部的多向高压反吹风阀，以 $1.5 \text{ MPa}$ 的压缩空气向下游间歇式射流吹扫，通过强剪切剪碎“沙桥”松散颗粒。
  • 下井管道多级水清洗：启动井下辅助加压清水泵，向上逆向注入 $100\text{ m}^3/\text{h}$ 的高压清水，直至排出料浆由黑稠变清澈。

5.2 清管器 PIG 中途发生断裂卡阻事故

  • 引发原因：管内存在金属碎石等异物或焊接内伤毛刺，聚氨酯清管器在运动中发生严重撕裂并卡死在长距离弯头处。
  • 应急闭环处置程序：
  • 双波定位卡阻点：机电班携带手持超声波管道阻抗仪与电磁信号接收机，沿水平管路走廊进行扫频。定位出电磁信号静止不动、且管道敲击声呈实心闷声的精确点。
  • 高压释压安全卸载：在卡阻点上下游各 $5 \text{ m}$ 范围内加装临时管卡进行锁固，开启泄水阀，将管道内部的残存压力完全释放至零。
  • 分段切除与毛刺打磨：使用管切割机割开卡阻管段，取出撕裂的 PIG，检查管道内壁是否焊缝高差过大或有铁屑挂钩。使用专用内孔打磨头对内壁进行打磨抛光，使其粗糙度 Ra ≤ 3.2 \ \mu m，焊接新法兰后重新上线。

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六、 总结与企业运维纲领

在榆林大宗矸石井下充填开采的系统构建中，“重制浆、轻输送”是导致许多项目在半年内陷入管路瘫痪的根本原因。智能清管与预防技术的核心，就是用数据和PLC逻辑为“血管”搭建一套全天候的心电图监控系统。

对于榆林煤矿的机电与充填决策层，未来的日常运维应秉持如下三点：

  1. 建立管道摩阻特征参数终身档案：每根输浆主管道在安装完毕后，需记录本底清洁状态下的压力—流量摩阻曲线，作为 SCADA AI 诊断的基础数据库。
  2. 将每周 PIG 定期除垢列入煤矿机电刚性检修规程：不可抱侥幸心理，不能等到“管道已经堵了七成”才临时找 PIG 处理。每周将 PIG 发射除垢作为像主提升猴车检修一样严肃的强制例行公事。
  3. 推行制浆防爆仪表的标定标准化：高压压力传感器和在线电磁浓度计是整套防堵系统的“眼睛”，必须建立每季度拆下校正的定期工作卡片，坚决杜绝因“仪表失灵导致憋爆管道”的责任事故发生。