煤矿黏土注浆管路淤堵软化实验与应用_李涛.pdf

第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 煤矿黏土注浆管路淤堵软化实验与应用 李涛， 高颖 （六盘水师范学院， 贵州 六盘水 553004） 摘要 为了解决煤矿黏土注浆管路淤堵问题， 开展黏土注浆管路淤堵软化实验和应用研究。在 黏土注浆管路淤堵特征剖析的基础上， 通过软化剂作用下黏土崩解实验开展相关研究。结果表 明 强氧化类的软化剂与黏土试样反应最为激烈， 碱性软化剂与黏土试样反应最慢， 酸性软化剂 与黏土试样反应速度适中。 以 0.1 mol/L 氨基磺酸溶液或 0.25 mol/L 醋酸溶液作为黏土淤堵软化 剂最优。实践证明， 采用管路涂抹环氧树脂， 重点部位压力监测， 淤堵管路浸泡软化剂等手段可 以有效防治黏土灌浆管路淤堵问题。 关键词 管路淤堵； 黏土注浆； 淤堵软化剂； 崩解实验； 淤堵防治 中图分类号 TD265.41文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 03-0058-04 Experiments and Practices on Softening Clay Clogging in Grouting Pipelines of Coal Mine LI Tao, GAO Ying （Liupanshui Normal University, Liupanshui 553004, China） Abstract To prevent and cure clay clogging in grouting pipelines of coal mine water control, experiments and practices on softening clay clogging in grouting pipelines of coal mining were studied. The clogging characteristics of clay grouting pipelines had been analyzed. A group of disintegration tests under different clay softeners as well as the mechanisms had been studied. The results show that chemical reaction of strong oxidizer is the most intense, acidic softener the second, and alkaline softener is the weakest. The 0.1 mol/L amino sulfonic acid solution or 0.25 mol/L acetic acid solution is best softener. Coal mine practice has effectively prevented clay grouting pipeline clogging by applying epoxy resin, monitoring the pressure of key parts and putting softener into the clogging parts. Key words pipe blockage; clay grouting; silting softener; disintegration experiment; clogging prevention 煤炭开采受 5 大灾害影响，灾害的防治常常涉 及各类注浆工程[1]。其中， 黏土因为有较低的渗透 性、 良好的附着性、 一定的胶结性等特点， 广泛应用 于注浆工程[2]。煤矿注浆工程的初期， 通常将注浆原 材料运输至井下，然后在井下配制后应用于各类注 浆防灾工程。随着煤炭开采进入更复杂的地质环 境， 注浆量大大提升， 井下制浆-注浆工艺已经无法 满足要求。近年来， 地面制浆-管道输送-井下注浆 的工艺得到了大规模应用[3-5]， 并取得了成效。但随 之伴生了一系列的问题， 如注浆管路淤堵。 管路输送水泥浆在工程中较为常见，因此相应 的管路淤堵防治技术有大量的经验可以借鉴，有高 压水枪冲洗、 离子液软化等[6-8]。而黏土灌浆的淤堵 不同于其他灌浆管路淤堵的特征，几乎每次灌浆过 程中都有不同程度的淤堵，清理过程中由于黏土有 较强的附着性，高压水枪难以充分清理，黏土注浆 管管路淤堵清理研究少见报道[9]。 研究从黏土注浆管路的淤堵特征分析出发， 在 室内开展不同软化剂作用下黏土崩解实验，并对优 选出的软化剂开展进一步剂量优选实验。最后进行 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.012 李涛， 高颖.煤矿黏土注浆管路淤堵软化实验与应用 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3 ） 58-61. LI Tao, GAO Ying. Experiments and Practices on Softening Clay Clogging in Grouting Pipelines of Coal Mine［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 58-61. 基金项目 贵州省教育厅青年科技人才成长资助项目 （黔教合 KY 字 ［2018］ 376， 黔教合 KY 字 ［2018］ 386） ； 贵州省教育厅基金资助 项目 （黔教合 KY 字 ［2018］ 029） ； 六盘水师范学院校级基金资助 项目 （LPSSY201806） 移动扫码阅读 58 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 了现场工程应用。 1煤矿黏土注浆管路淤堵特征 1.1煤矿黏土注浆管路基本特征 我国煤矿目前多采用井上制浆-管路输送-井 下注浆的防灾、 救灾工艺。其中， 大量使用的浆液输 送管路如图 1。 煤矿黏土注浆管路基本特征如下 1 ） 注浆管路每一根的长度在 3～5 m 不等， 注浆 管路的内径约 75 mm。 2） 注浆管路材质为钢管，而非 PVC 管，因为 PVC 管耐压性能很难达到注浆压力的要求。 3） 注浆管路从地面制浆站垂直或倾斜向下至煤 炭开采水平，然后沿井下巷道布置，最终到达需要 注浆的区域。随着矿井开采深度的增加，注浆管路 全长多达 10 km 以上。 可见 注浆管路随大巷延伸起伏多变， 淤堵容易 发生。注浆管路为钢管， 造价较高， 淤堵后无法大规 模更换。注浆管路的总长度大、 内径有限， 管路淤堵 后人工清理的劳动强度大。 1.2黏土注浆管路淤堵特征及防治现状 依据大量的黏土注浆管路淤堵的实践调查得出 以下黏土注浆管路淤堵特征 1 ） 水平段容易发生淤堵的部位， 其黏土淤堵物 在管路的下部， 呈平行堆积。 2 ） 转折端是另一个容易发生淤堵的部位， 其黏 土淤堵物沿转弯段， 呈弧形堆积。 3） 注浆管路上坡段也是容易发生淤堵的部位。 在 上坡段， 容易发生浆液和水离析， 即浆液上行、 水下 行的坡形堆积。 综上可以看出黏土注浆管路淤堵特征复杂， 且 黏土堆积性、 附着性好， 难以清理。为此， 需要适宜 黏土淤堵的软化剂来加强管路清理效果，减少人工 劳动强度。 2软化剂实验 2.1实验设计 1） 实验土样的制作。土样是由碾碎、 烘干、 过筛 （模拟黏土晒干、 破碎、 振动除砂的过程） 后的黏土 颗粒与水配制而成， 其含水率为 25。土样的几何 尺寸为 5 cm5 cm5 cm， 所有土样质量和密度保持 一致。 软化实验所制备的土样如图 2， 一共制备 8 块 土样， 土样均无明显裂隙。 2） 实验试剂的选取。本次选取的实验试剂种类 跨度较大， 大类有酸、 碱、 氧化剂 3 种。具体包括盐 酸、 氨基磺酸、 草酸、 双氧水、 氢氧化钠， 纯水 （对比 组） ， 共计 6 组实验试剂， 软化实验所制备的试剂如 图 3。 3） 实验方法。将制备的软化剂排放整齐 （统一 浓度为 0.5 mol/L） ， 然后将制备的土样放入其中， 使 得软化剂将整个土样完全浸没。开始阶段每 1～5 图 1煤矿注浆管路 Fig.1Grouting pipelines in coal mine 图 2软化实验所制备的土样 Fig.2Soil samples prepared for softening tests 图 3软化实验所制备的试剂 Fig.3Reagents prepared for softening tests 59 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 min 观测 1 次土样状态， 10 min 后每 10 min 观测 1 次土样状态， 60 min 后每 30 min 观测 1 次土样状 态， 直至 120 min 结束实验。在实验过程中， 记录每 个土样最终崩解的时间、 崩解的激烈程度。 2.2实验结果 1 ） 在同等浓度条件下， 首先完全崩解的是双氧 水浸泡的土样 （时间＜1 min） ； 其次是盐酸浸泡的土 样 （时间＜2 min） ； 再次是氨基磺酸浸泡的试样 （时 间＜5 min） ；接着是草酸浸泡的试样 （时间＜100 min） ； 最后是氢氧化钠浸泡的试样 （时间＞120 min ） 。 而作为对比组的纯水浸泡的土样在 120 min 内一直 保持稳定， 无任何崩解现象。因此， 酸作为黏土软化 剂是最好的选择。 2） 5 组土样崩解的过程中均伴随着一定气泡的 产生。其中加入双氧水的土样反应最为激烈，其次 是盐酸， 其他相对温和。 3 ） 在以上实验的基础上， 又补充了不同浓度的 黏土崩解实验。不同浓度酸浸泡下崩解时间曲线如 图 4， 随着试剂浓度的增加， 黏土崩解所需要时间下 降，但同时崩解激烈程度增加。综合软化效果和反 映激烈程度，以 0.1 mol/L 的氨基磺酸溶液或 0.25 mol/L 的醋酸溶液为最优黏土软化剂。 2.3实验结果分析 本次实验的黏土样主要成分包括黏土矿物、 非 黏土矿物及杂质。黏土矿物化学主要成分为铝硅酸 盐，非黏土矿物化学主要成分为硅酸盐，其他杂质 有碳酸盐、 硫酸盐、 有机质、 碱金属氧化物等， 化学 成分复杂[10]。 1） 酸与黏土反应机理。黏土矿物有显著的吸附 特性， 而在酸性溶液中， 由于 H特殊的结构， 具有比 其它任何离子都有更强的吸附性。 被吸附的 H与矿 物内、外表面及结构中的离子发生交换反应，被交 换的离子发生解析， 离开矿物表面或结构进入溶液， 实现了矿物在酸性水溶液中的溶解。 2） 强氧化剂与黏土反应机理。 强氧化剂与有机质 有十分显著的氧化反应，从而破坏了原有的黏土结 构。另外由于其强氧化性和弱酸性， 它与黏土矿物也 发生反应， 因此对黏土结块有十分显著的软化作用。 3） 碱与黏土反应机理。氢氧化钠在常温常压下 不与黏土矿物发生反应。但氢氧化钠与黏土中的非 黏土矿物存在化学反应，如氢氧化钠与石英等矿物 发生反应。因此氢氧化钠对黏土结块也有少量的软 化作用。 3工程实践 3.1工程背景 渭北煤田董家河煤矿主要开采 5 号煤，该煤层 采煤厚度 3～4 m，煤层距离奥陶纪灰岩（以下简称 “奥灰” ） 顶界面约 20～35 m， 奥灰作用在隔水层上的 静水压力为 1～2 MPa。 依据突水系数理论， 该工程区 突水系数超过临界突水系数值，有底板突水的危险 性。该矿在掘进和试开采期间也多次发生突（涌） 水，说明奥灰水确实对采煤工作面威胁十分严重。 煤炭资源开采之前，必须开展注浆改造工程防治底 板水害（放水实验验证了研究区疏水降压在技术上 和经济上不合理， 因此只能采用注浆改造） 。由于研 究区地表赋存大量黏土，获取成本低廉，且环境友 好， 因此选用黏土作为主要注浆材料。 3.2底板注浆防水实践 为提高注浆效率，在地面建设了全自动化的浆 液制造系统。地面制造系统包括黏土的振动除砂系 统、 黏土浆液搅拌系统、 动力系统及管路输送系统。 井上制备的黏土浆液通过注浆管路输送到井下， 进 行注浆工程。 但管路输送的过程中发生了大量的淤堵事件， 淤堵主要发生在井下水平段、 转弯段和上坡段， 需要 大量的人力反复清理， 由于清理效果不好， 淤堵状况 时有发生。 3.3管路淤堵防治实践 为防治注浆管路淤堵，基于第 2 章软化剂的实 验成果， 结合其他技术有以下几个方面的措施 1） 管道内涂抹涂层。为防止黏土注浆管大规模 淤堵，在黏土注浆管内径涂抹涂层。涂层材料选择 为环氧树脂。环氧树脂分为低、中和高环氧值的环 氧树脂。其低、中环氧值的环氧树脂有耐腐蚀、 耐 磨、 耐酸、 机械强度高、 与金属黏结性好及防渗性能 图 4不同浓度酸浸泡下崩解时间曲线 Fig.4Disintegration time curves under different concentration of acid soaking 60 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 好等特点， 宜作为管道涂层。 2） 重点部位压力监测。从注浆管路淤堵的特征 可以看出， 淤堵主要发生在井下水平段。因此， 在井 下水平段每 200～300 m 留设 1 个压力表， 并在上坡 段和转弯段加密。相邻的压力表的差值持续下降 时，则判断该段为淤堵段。淤堵发生的程度与压力 差的变化幅度有关。压力差下降越多， 淤堵越严重。 压力差加速下降， 则需要进行管路淤堵清理。 3） 淤堵段浸泡软化剂。将监测到的淤堵段管路 拆卸下来， 并浸泡在软化剂中。软化剂为浓度 0.25 mol/L 的醋酸溶液， 浸泡时间在 20 min 以上。另外， 在软化剂浸泡的同时加强注浆管路的旋转，这有利 于软化剂与淤堵物充分接触，加快黏土崩解速度。 黏土崩解后使用清水大量、 快速清理。 采用以上步骤处理黏土注浆管路后，研究区注 浆效率明显提高。可以连续注浆 1 万余 m2， 少量淤 堵发生后能够及时诊断后高效处理。矿井防灾救灾 能力得以保障。 4结论 1） 煤矿黏土注浆管路淤堵主要发生在井下水平 段、 上坡段和转弯段， 淤堵形态各异。 2） 黏土灌浆管路淤堵的软化剂以酸性软化剂最 为合适， 且以 0.1 mol/L 氨基磺酸溶液或 0.25 mol/L 醋酸溶液为最优。 3） 在工程实践中， 采用管路涂抹环氧树脂-重 点部位压力监测-淤堵管路浸泡软化剂的黏土注浆 管路淤堵防治技术，有效减少了黏土注浆管路淤堵 现象， 保障了矿井防灾、 救灾能力。 参考文献 ［1］ 彭苏萍， 张博， 王佟， 等.煤炭资源与水资源 ［M］ .北京 科学出版社， 2014. ［2］ 杨熙章.土工试验与原理 ［M］ .上海 同济大学出版社， 1992. ［3］ 刘广超.大断裂构造井上下联合注浆加固技术 ［J］ .煤 矿安全， 2018， 49 （10） 163-167. ［4］ 范立民， 马雄德， 冀瑞君.西部生态脆弱矿区保水采煤 研究与实践进展 ［J］ .煤炭学报， 2015， 40 （8） 1711. ［5］ 李涛， 李文平， 高颖， 等.杨庄矿 6 煤底板深部岩溶裂 隙水体特征研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2010， 27 （1） 94-99. ［6］ 王超超， 许家林， 轩大洋.覆岩隔离注浆充填地面输浆 管路堵塞机理研究 ［J］ .煤炭学报， 2018， 43 （10） 2703-2708. ［7］ 韩雪靖， 李兴尚， 戴水平， 等.充填料浆瞬时流速过大 导致管道堵塞的原因分析 ［J］ .有色金属 （矿山部分） ， 2016， 68 （1） 19-22. ［8］ 张钦礼， 吴立宏， 卞继伟.充填管道堵塞的事故树分析 ［J］ .金属矿山， 2015 （1） 145-148. ［9］ 张永成.注浆技术 ［M］ .北京 煤炭工业出版社， 2012. ［10］ 高彦斌， 刘佳丹， 王雨滢.酸碱污染重塑粉质黏土的 塑性及其与力学特性的关系 ［J］ .岩土工程学报， 2018， 40 （11） 2103-2109. 作者简介 李涛 （1984） ， 男， 江苏沛县人， 副教授， 高级工程师， 博士， 2012 年毕业于中国矿业大学， 现从事矿 井水文地质工程地质研究。 （收稿日期 2019-04-19； 责任编辑 陈洋） 61 ChaoXing