基于远程输浆条件下地面注浆工艺研究
时间：2023-03-01 11:30:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
赵鹏飞
（冀中能源股份有限公司 邢东矿，河北 邢台 054000）
邢东矿1300 采区地面定向钻探防治水工程重点对邢东矿1300 采区内F15 和F19 导水断层进行探查治理，共设计2 个钻场。此次讨论的FZ2 钻场重点对F15 导水断层进行探查治理，在解放其防水煤柱的同时，对断层下盘奥灰一定深度进行注浆加固，以增加2 煤底板隔水层厚度。该钻场共设计1 个主孔，24 个分支孔，钻探工程量14 213 m，预计注水泥11 371 t。根据注浆工程量，设计1 个注浆站，制浆能力不低于40 m3/h，配套2 个水泥储存罐，单个容量不小于100 t。
FZ2 钻场地处邢东矿西侧北张家屯村西北部，为农房和围墙合围三角区，面积仅3 000 m2，如图1 所示。根据现场测算，当钻机及配套设备进场后，场地不具备放置制浆机和水泥存储管的空间。因钻场位于村庄北部，只有1 条村道（仅3 m 宽）可行，向现场运送水泥时，运输车辆须在村庄内部穿行2 km，运输困难，影响注浆效果。
图1 FZ2 钻场场地条件示意图Fig.1 FZ2 drilling site conditions schematic
因FZ2 钻场周边村庄较多，且空地以基本农田为主，就近建设注浆站的可行性不高。考虑到FZ3 钻场空间大，水泥运输便利，同时方便管理，遂设计将FZ2 钻场注浆站建在FZ3 钻场，FZ2 钻场采用远程管路输浆的设计思路。
3.1 制浆系统设计
为满足工程施工要求，制浆系统采用一体化移动智能制浆系统。该系统主要由一级高速涡流制浆、二级储浆桶、水箱、空压机气路系统、在线监测系统、配电及计算机综合控制系统等部分组成。采用集装箱式密封设计，吊装方便，满足环保要求。与制浆机相配套的是2 个容量150 t 的水泥储存罐和2 台独立的螺旋上料机。制浆系统依据设定参数实现自动配比，日制浆能力1 000 m3。制浆系统设备见表1。
表1 制浆系统设备明细Table 1 Pulping system equipment details
3.2 注浆系统设计
FZ2 钻场注浆时采用远程管路输浆，现场注浆的方式进行。为保证注浆效果，特对注浆系统进行优化设计。
注浆站现场安装1 台无级变速输浆泵，型号BW850/5 双缸，额定注浆能力1 224 m3/d，压力10 MPa，输浆泵连接制浆系统和输浆管路。FZ2 钻场安装3 台注浆泵，型号NBB390 和NBB260，配套有2 个搅拌池，容积10 m3。制浆完成后，输浆泵通过输浆管路将水泥浆送至FZ2 钻场搅拌池，通过现场注浆泵注入孔内，根据现场注浆情况，随时调整输浆量。
3.3 输浆管路设计
FZ2 钻场远程输浆管路线路如图2 所示。FZ2钻场地面标高+61 m，FZ3 钻场地面标高+59 m，输浆过程中存在爬坡现象。为绕开地面建筑，输浆线路达1 400 m，且存在存在多处拐弯。
图2 FZ2 钻场远程输浆管路设计Fig.2 Design of remote slurry pipeline in FZ2 drilling field
为确保注浆质量，工程要求水泥浆比重变化区间为1.2～1.65 t/m3。因此，远程输浆面临的直接问题就是，输浆过程中阻力较大，一旦水泥浆流速变缓，极易造成水泥挂壁，长期运行将造成管路缩径、堵塞，严重时将会造成管路损坏跑浆，造成环保问题。为此，从管路材质、管径选取、管路接口等方面进行分析。
3.3.1 管路材质
现有的管路材质主要有胶管和钢管，两者对比发现，胶管内壁光滑度交叉，输浆过程中容易附着水泥，即使频繁冲洗也会残存水泥，为此特选用了内壁光滑度较高的钢管。光管输浆和冲洗过程中，通过沿线敲击可有效降低水泥附着程度。
3.3.2 管径选取
管径计算公式：
式中：d 为管路内径，m；
Q 为流量，m3/s；
V 为流速，m/s。
依据式（1） 可知，在不考虑压力的情况下，同等流量时，管径越小流速越快。为兼顾输浆压力和流量，考虑管路耐压性，特选取油田常用的耐压钢管，规格φ73 mm×11 mm，耐压30 MPa。
3.3.3 管路接口
先期管路连接采用焊接法兰对接方式，经过压水试运行，发现焊接处存在渗水现象，同时管路拐弯造成输浆压力较大，严重影响工作效率。随后将管路接口处全部安装快速插头，拐弯处采用胶管连接，消除直角弯，降低输浆阻力，经过运行未发现漏浆和堵塞现象。
为保证注浆正常进行，在注浆系统和输浆系统优化的基础上，依据邢东矿井田地质条件和注浆技术要求，对注浆工艺进行优化。
工程要求注浆结束标准为流量降至35 L/min，孔口终压达12 MPa，且稳定时间不小于30 min。为避免出现突然上压，造成输浆管路内水泥浆无处排放，故采用提前压水方式，在冲洗管路的同时，确保将水泥浆全部注入钻孔漏失位置。
经过多次尝试，最终确定当大泵量注浆压力达到8 MPa 并稳定时开始压水，根据钻孔深度计算压水量和压水时间，适当调整压水时机，确保压水量不大于孔内空间，保证水泥浆全部进入孔内，并且可以保证孔口终压达到12 MPa。
因输浆管路不具备埋在地下的条件，冬季存在管路上冻情况。为避免管路上冻，压水时在清水内加入一定量的食盐，防止内部结冰。经过实践，食盐浓度达到7%时，管路内部不会结冰，内部腐蚀程度也不大。
（1） 注浆工程自2021 年11 月开始，截至目前已注浆8 次，最长周期17 d，日注水泥可达410 t，累计注水泥近16 000 t。注浆期间注浆系统和输浆系统运行良好，注浆工艺得到检验，有效保证了工程质量。
（2） 实践表明，地面注浆时采用远程输浆方案是可行的。输浆系统设计时应考虑到路线规划、设备及管路选型，并结合工程要求进行全面论证和试验，最终确定合理的方案，保证注浆效果，达到工程施工目的。
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