自由球止回阀高压注浆管路混合装置的研发与应用

聂新明 王梦国 代晓光 胡中国 付龙剑

1 中化地质矿山总局河北地质勘查院，河北 石家庄 050031

2 冀中能源股份有限公司东庞矿西庞井，河北 邢台 054200

3 中化地质矿山总局地质研究院，北京 100101

通过地面定向水平多分支钻孔，实施高压注水泥浆改造煤矿顶底板含水层隔水效果的方法在煤矿防治水领域已普遍应用[1-2]。一个漏失点或一个漏失段往往需要注入成百上千甚至上万吨的水泥量，需要多台注浆泵同时注浆，在注浆过程中，根据实际情况，需要随时增减注浆泵的数量。传统方法是在注浆管路混合装置[3-4]前加装高压球阀门，但当注浆压力达到一定值时，浆液高压作用或水泥固结，普通高压球阀门很容易失效[5-6]，即不是打不开就是关不上，难以实现随时增加或撤出注浆泵的目的。此时需要将整个注浆管路彻底泄压后才能够进行增加或撤出注浆泵，这严重影响注浆效率和注浆质量，增加了工人的劳动强度。为解决注浆过程中注浆管路在高压状态下能够顺利地实现增加或减少注浆泵的难题，项目人员研制出一种多泵注浆自由球单向阀混合装置。

1 注浆管路混合装置的定义

在多泵注浆过程中，每个注浆泵泵出浆液需要汇入同一个容器内，然后通过一个出口与注浆管路相连接，将浆液送至目的层位，这个浆液汇合的容器称之为混合器。每个混合器有若干个进口和一个出口构成，混合器上加装一些其它功能件后称之为混合装置。

2 注浆管路混合装置的研发

2.1 传统注浆管路混合装置

传统混合装置注浆系统[7]为每个注浆泵出浆管通过一个普通高压球阀与混合器进口连接（图1，图 2），混合器上方安装注浆压力传感器或压力表来检测注浆压力，注浆管路泄压通过注浆泵上的泄压阀门来完成。注浆过程中由于浆液高压作用或水泥固结的原因普通高压阀门很容易失效。

图1 传统混合装置注浆系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of grouting system of traditional mixing device

图2 传统管路混合装置实物Fig.2 Traditional pipeline mixing device

传统混合装置在注浆使用过程中，每个注浆泵通过普通高压球阀与混合器相连接，当注浆压力达到一定值时，由于高压和水泥固结双重作用，阀门常常处于失效状态，很难关闭，导致与混合器相连的所有注浆泵相互贯通。当某个注浆泵需要维修或需要撤出时，必须对整个管路系统进行压水替浆清洗，将注浆泵全部停下，然后待整个注浆管路彻底泄压后，才能关闭要撤出的注浆泵对应的高压球阀门。若该泵与混合器相连接的高压阀门失效，还需要卸掉本高压阀门换用专用的封堵封闭混合器，该泵才完成撤出，其他泵方可重新开启注浆。每次换泵也同样需要先进行压水冲洗注浆管路系统，待整个注浆管路完全泄压后，才能实施。另外，当某个注浆泵注浆过程中需要更换活塞、缸套或出现其它设备故障时，同样需要上述撤泵、换泵程序。

传统混合装置在注浆工作中存在以下问题：注浆混合器属于高压容器，与之相连的普通高压球阀需要人工操控，存在巨大安全隐患；在注浆过程中，每次撤泵、换泵需要耗费大量时间，严重降低了注浆效率；每次撤泵、换泵前，为防止水泥浆沉淀固化堵塞注浆管路，需要压入大量的清水清洗整个注浆管路系统，人为稀释了浆液密度，影响了注浆效果；每次撤泵、换泵需要长时间停止注浆，造成了人为的间歇注浆，严重影响了注浆质量；注浆泵设备出现故障需要停泵维修时，存在与撤泵、换泵同样的问题。总之，传统混合装置在注浆过程中，暴露的问题是要求所有工作的注浆泵“共进退”。

2.2 自由球止回阀门

为克服传统混合装置因高压球阀门失效带来的诸多问题，笔者所在团队曾尝试卸掉高压球阀门，结果与传统混合装置使用效果没有太大的区别[8]；随后研制出一种自由球止回阀门（图3），用其代替传统混合装置上的普通高压球阀门，制造出自由球止回阀注浆管路混合装置，使得混合装置性能大为改善。

图3 自由球止回阀门示意图Fig.3 Schematic diagram of free ball check valve

（1）自由球止回阀门的结构：它是由阀体、上端盖、下端盖和一个钢球构成。阀体内加工有球阀座，球阀座与一个自由活动的钢球构成球阀，阀体侧面加工有阀门出口。阀门体上端盖下加工有一个钢球限位杆，用以防止钢球堵塞阀门的出口，上端盖与阀体间加密封圈并用高强度螺栓紧固。下端盖上加工有阀门入口，与阀体间加密封圈并用高强度螺栓紧固。

（2）自由球止回阀门工作原理：当有液体从单向阀入口进入时，钢球将会被液流压力顶起，液流进入阀腔，由单向阀出口流出；当液流停止进入单向阀时，钢球在自重和液体回流压力作用下将自动关闭。

2.3 自由球止回阀注浆管路混合装置

每个注浆泵的出浆管通过一个特制的高压自由球单向止回阀门与混合器进口连接（图4），混合器的上方同样安装有注浆压力传感器或压力表用来检测注浆压力。在混合器上加装一个泄压阀门，实现对注浆管路的泄压，注浆泵至混合器间的出浆管路通过注浆泵上的泄压阀门来完成泄压。

图4 自由球止回阀混合装置注浆系统结构示意图Fig.4 Schematic diagram of grouting system of free ball check valve mixing device

自由球单向止回阀门混合装置（图 5）主要是由自由球止回阀、混合器、泄压阀和压力信息显示装置构成。其工作原理是：当注浆泵开始工作时，浆液在液流压力作用下将止回阀钢球顶开即止回阀开启进入阀腔；当注浆泵停止工作时，在钢球自重和注浆管路混合器回流返向回压的作用下止回阀自动关闭。

图5 自由球止回阀注浆管路混合装置构造Fig.5 free ball check valve grouting line mixing device structure

现场实用自由球止回阀混合装置（图6）突出优点：自由球单向止回阀在注浆过程中，钢球处于高频振动旋转状态，不易失效，开启和关闭无需人工操作，实现了开启关闭的自动化，降低了安全风险和工人的劳动强度；自由球单向止回阀结构简单，用法兰连接而成，拆装清理便捷，易于推广；在注浆过程中，每次撤泵、换泵无需耗费大量时间，极大提高注浆效率；每次撤泵、换泵前，仅需撤出的注浆泵压入1～2min清水对该泵和与其相连接的止回阀门进行清洗，不需要清洗整个注浆管路系统，浆液密度几乎不受影响，提高了注浆效果；每次换泵或设备维修需要撤泵时，随时可以停止，不会影响其它泵的正常工作而造成人为的间歇注浆，极大提高了注浆质量；加装了泄压阀门，不仅可以实现注浆管路的泄压，而且还能进行分流，提高了注浆管路的安全性。

图6 自由球止回阀混合装置现场实物图Fig.6 Site physical picture of free ball check valve mixing device

3 两种混合装置在实际工程中应用

3.1 工程概况

冀中能源股份有限公司东庞矿西庞井地面区域治理注浆工程，是中化地质矿山总局地质研究院通过招投标承揽的一项煤矿底板注浆防治水工程，本工程治理范围为西庞井9煤底板-300m以深-480m以浅区域，分支孔间距40m，治理层位为奥灰顶界面下25m。该工程共设计注1和注2两个地面主孔，同时建设注1和注2两个注浆站。其中注1孔包含6个水平分支钻孔，钻探工程量6864m，注浆量52116t；注2孔包含26个水平分支钻孔，钻探工程量17447m，注浆量115017t。两孔总钻探工程量24311m，注浆工程量167133t。注浆技术以相关要求为准[9-10]。

3.2 注浆设备

注浆施工设备应包含制浆设备、输浆设备、监测设备。本工程建设有两个注浆站，配套设备基本一样。每个注浆站配备三台 NBB-390/15型泥浆泵（其变速器档位与流量对应关系见表 1）和一台NBB260/7型泥浆泵（其变速器档位与流量对应关系见表2）。其中三台NBB-390/15型泥浆泵为主输浆设备，正常注浆使用时用二备一，一台NBB260/7型泥浆泵为辅助输浆设备，在每次注浆结束前使用。

表1 NBB-390/15型泥浆泵变速器档位与流量对应关系Table 1 Corresponding relationship between gear and flow of NBB-390/15 type mud pump transmission

表2 NBB260/7型泥浆泵变速器档位与流量对应关系Table 2 Corresponding relationship between gear and flow of NBB-260/7 type mud pump transmission

3.3 两种混合装置的实用效果

3.3.1 注浆流量的实操

根据注浆技术要求，每个注浆段注浆前必须先进行压水实验，根据压水情况确定注浆起始流量。压水无压力时，由15m3/h流量开始注浆；压水有压力时，由取得稳定压力时所用的泵量开始注浆。当由起始注浆流量注浆时间达到1h，注浆压力无改变或改变不显著时，应逐级增大注浆流量，可逐级升至30m3/h即双泵4档。如在某级注浆流量下，注浆压力持续平稳上升，则保持该注浆流量，直至达到设计注浆压力。达到注浆设计压力后，如注浆压力持续上升，则应在保持设计压力的情况下，注浆泵逐级降档减小注浆流量。当NBB-390/15型泥浆泵降至双泵2档时，压力达到注浆结束标准，这时就撤出一台注浆泵，留下一台NBB-390/15型泥浆泵2档继续注浆，如果压力再次达到注浆结束标准，就撤出该泵，换用NBB260/7型泥浆泵继续注浆，直至压力和流量均达到注浆结束标准。

3.3.2 两种混合装置实际应用效益分析

（1）传统混合装置

本工程开始，注1-4、注1-5、注1-6和注2-1、注2-2、注2-3、注2-4使用的是传统混合装置，每次撤泵或换泵、换缸套活塞均需约2h。实际应用中撤泵或换泵、换缸套活塞次数统计见表3。

表3 使用传统混合装置撤泵或换泵、换缸套活塞次数统计表Table 3 Statistical table of the times of pump removal or pump change and cylinder liner piston change by traditional mixing device

由表3统计可知进尺5444.01m，注浆过程中撤泵、换泵或换缸套活塞（含维修）166次，每次需耗时约2h，总耗时332h。也就是说平均每个注浆段需撤泵、换泵或换缸套活塞（含维修）4.15次，耗时约8.3h。

（2）自由球止回阀混合装置

从注2-5开始，注2-6、注2-7应用该混合装置注浆，注浆过程中某个注浆泵需要撤出、换泵、更换活塞、缸套或出现其它设备故障，只需要对该泵和混合器间的管路（含自由球止回阀）进行3～5min的压水冲洗即可，每个注浆泵能够随时叫停。实际应用中撤泵、换泵、换缸套活塞次数统计见表4。

表4 使用自由球止回阀混合装置撤泵或换泵、换缸套活塞次数统计表Table 4 Statistical table of the times of pump removal or pump change or piston change of cylinder liner by free ball check valve mixing device

由表 4统计可知注 2孔三个水平分支进尺2613.37m，注浆期间需要撤泵、换泵或换缸套活塞（含维修）73次，平均每次耗时5min，总耗时365min。也就是说平均每个注浆段需撤泵、换泵、换缸套活塞（含维修）4.06次，耗时约 20.3min（0.34h）。

3.3.3 效益分析

由表4和表5分析可以看出，无论使用上述哪种混合装置，每个注浆段需撤泵、换泵、换缸套活塞（含维修）的次数均不少于4次，使用传统混合装置比自由球止回阀混合装置多耗时7.96h。本次区域治理工程按照设计后续剩余工作量16253.62m，即不少于110个注浆段，使用自由球止回阀混合装置将比使用传统混合装置节约875.6h，大幅度缩短了工期，目前自由球止回阀混合装置在注1和注2注浆站开始全面推广应用。

4 结语

自由球止回阀高压注浆管路混合器装置，用自由球止回阀代替了普通的高压球阀，在高压状态下开启或关闭阀门由人工变为自动化，根据需要可以随时实现注浆泵的增加或撤出，节省了大量的增、减泵用时，提升了装置安全性，降低了工人劳动强度，极大的提高了注浆效率。该注浆管路混合器装置，增加注浆泵或撤出注浆泵不再需要压入大量的清水冲洗管路以及长时间泄压等待，避免了人为地改变浆液密度和人为的间歇注浆，进而提升了注浆质量。自由球单向阀混合器装置，加装有泄压阀门，不仅可以用来泄压还可作为分流装置使用。自由球止回阀高压注浆管路混合器装置设计科学、性能可靠、结构简单、可拆性好、便于清理、实用性强、耐用，在诸如高压注浆、压水、送水、分水等类似工程中具有巨大的推广空间。