介质置换管道防冻方法在多分支注浆工程中的应用①

2022-04-21李健马晓涛聂新明代晓光胡中国

化工矿产地质 2022年1期

李健马晓涛聂新明代晓光胡中国

1 中化地质矿山总局地质研究院，北京 100101 2 陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西榆林 719000 3 中化地质矿山总局河北地质勘查院，河北石家庄 050031

在中国广大北方地区，露天管网在不使用的状态下，管道内的介质处于静止状态[1]，为了保证管网在冬季正常运行，须对管道进行防冻处理。目前露天管道防冻的主要方法包括管外加装保温层、绝热电热器件伴暖、压缩空气吹空管路[2]、充填防冻液、混合防冻法等，不同的情况应采用不同的方法。针对东庞煤矿区西庞井地面区域治理工程中定向多分支孔注浆的特殊情况，笔者所在团队采用低冰点介质（盐水）置换管道内高冰点介质（淡水）方法，在煤田防止水注浆工程中首次应用，成功地解决了严寒气候条件下管道的防冻问题，取得了良好的效果，对解决类似情况下管道的防冻问题有重要的借鉴意义。

1 注浆站管路概况

注浆站管路一般是由供水管路和注浆管路两大管路构成，供水管路又细分为外供和内供管路，注浆站管路基本上都是露天管路。

本次研究注2 注浆站管网铺设情况如下：DN100 钢管外供水管路一条，法兰连接，长280m，整根管线共有9 个直角弯；DN80 钢管注浆管路一条，K 型接头连接，长240m，整根管线共有8个直角弯；DN50 钢管注浆备用管路一条，K 型接头连接，长240m，整根管线共有8 个直角弯；主电缆（型号为3*300mm2+1*150mm2）长280m与以上三条管路并行在不足0.8m 的狭窄路肩和地埂上，其中有6m 并行从直径400mm 过路预埋水泥管中穿过。内供水管路DN100 一条，法兰连接，长35m，其中用20m 露天铺设，15m 在注浆站单层彩钢棚内。

2 管路运行环境

2.1 自然地理及气候特点

东庞井田位于太行山东麓中段，倾斜的山前冲洪积平原之中。地势西高东低，西部山区山脉走向北北东，最高点位于皇寺镇西南，东部为广袤平原，地势平坦，西南白马河北岸可见鱼脊状丘陵。据邢台及内丘1984～2002 年历年气象资料记载，矿区内年平均气温14°C，最高气温40.7°C（1993 年6 月26 日邢台气象站），一般出现在七月份；最低气温-21°C（1987 年1 月、2021 年1 月6 日邢台气象站），出现在12 月或翌年1 月份。冻结期从11 月～翌年2 月，冻土深度约0.44m，气温全年最多风向为南风，最大风速为16.7m/s。

2.2 注浆管路系统间歇时间

钻井队和注浆站相互间歇接力施工。每钻进100～150m 为一个注浆段，进行一次注浆。经统计钻井队每施工一个注浆段约需要7～10 个工作日，与此同时注浆站需要停歇7～10 个工作日。根据传热学原理[3]，在低温气候条件下管内存水停留一定时间就会发生冻结，为了防止水注浆工程冬季施工能够顺利进行，在注浆间歇期间注浆管路必须做防冻处理。

2.3 管道输送的介质

注浆站管路在注浆工作期间，注浆管路输送的是水泥浆液，供水管路是从机井内抽出的清水。当一个漏失点或一个注浆段注浆结束，压水清洗注浆管路系统后，供水管路停止供水，这时注浆站所有管路内均残存有清水。

3 注浆站管路防冻

注浆管路是煤田防止水注浆工程中的安全生产保障，而在寒冷的冬季，没有防冻措施的注浆管路会被冻结，导致管路无法及时使用，不但影响注浆工程的顺利实施，而且会影响矿井的安全生产。为了实现注浆管路冬季防冻，使其保持在正常工作范围内，介质置换管道防冻方法在多分支注浆工程被提出并应用。其原理为在注浆结束后，将配置适合的盐水溶液注入到改制后的注浆管路中，用盐水置换注浆管路中的清水，以达到防止管路内的清水被冻结而发生阻塞的目的。本防冻技术方法的特点是节能经济、安全可靠、维护方便、无环境污染。

3.1 系列管道保温防冻方案研究

3.1.1 管道保温方案

注浆站管路如何保证冬季正常施工，笔者所在团队首先提出对管道进行保温，于是有关人员从2020 年8 月份开始翻阅管路保温的相关资料[4-6]，并请来多家管道保温的专业人员进行设计探讨。

（1）管道包扎

该方法原理是采用保温材料对管路、阀门、泵体、贮罐等器件进行包扎，防止管道内部与外部产生热交换，减少内部热量损失。

（2）绝热电热器件伴暖

其原理是将自控温发热电缆贴附在管道外侧通电发热，将热量传导给管道内液体，配合管道外保温层，补偿并保持管道内液体温度到达设计温度水平。

由于注2 注浆站管路铺设的空间受限，供水管、注浆管、注浆备用管及动力主电缆大部分同时并行于不足1m 的路肩或田埂上，且直角弯太多，做管外保温费用巨高；注浆管路定期需要拆开清理，不适合做管外保温；此外，管外保温作用大多是减少能量损失，主要目的在于节能，一般情况下，管路内的介质是不允许被破坏或污染的。为了保障注浆站管路冬季正常施工，重点应是防冻而不是保温，中心目的是管内介质不被冻结，综合分析认为注浆站管路保温方案不适宜。

3.1.2 管道防冻方案

露天管网在不使用状况下，在冬季由于温度过低，管道内的水会结冰，导致管道涨裂[7]。笔者查阅了大量的管路防冻资料[8-14]发现，关于管路防冻多数企业采取的是管外保温或加热的方法，原因是管内介质不容置换。注2 注浆站管路在不使用的情况下，管内残留的介质是清水且没有实际价值，而这些清水是管路防冻结的根本所在。为保障管路处于未冻状态，最有效的方法是降低管内介质的冰点或清空管路，因此，高压空气吹空管路[15]和充填防冻液的防冻方案被项目部提出。

（1）高压空气吹空管路

该方法原理是使用高压空气设备吹扫管路，清空管路内部液体，达到防冻效果。由于注浆站有多根管路、管路较长、管径较粗、弯头太多、空间狭窄，使用空压机吹管实施有一定难度且成本较高，因此高压空气吹空管路防冻作为备用方案被暂时搁置。

（2）充填防冻液

其原理是将防冻液注入到管道清水中，保障管道内液体的冰点低于管道外环境温度，从而达到防冻目的。该方法成本较低，可操作性强，难点在于如何保证防冻液无毒，不具备助燃性、可燃性、腐蚀性，因此防冻液的配置成为该方法防冻的关键。

3.2 介质置换防冻方案提出

笔者结合管路布置情况和充填防冻液防冻方法提出了介质置换防冻方案，其原理与充填防冻液防冻原理相同，不同之处在于将管路中的液体完全置换。

关于防冻液的配置笔者使用了永冻层钻探施工冲洗液配方[16]，主要为NaCl、Na2CO3，成功克服了防冻液的难点。此外，注2 注浆站施工现场备有水泥浆添加剂工业用盐NaCl，适合配置防冻液，大大降低了成本。

综上分析，初步确定用工业用盐水置换注浆管路内的清水为本工程管路防冻的最佳方案。

3.3 用盐水置换管内清水方案的实施

3.3.1 盐水溶液浓度选取

为了配置出合适的防冻盐液，需了解氯化钠水溶液的浓度与冰点变化关系，笔者查阅相关资料获得了氯化钠水溶液的冰点[17]（表1），并绘制了氯化钠水溶液的浓度与冰点的变化关系图（图1）。

从表1、图1 可以看出，氯化钠水溶液浓度区间为0～23.3%时，氯化钠水溶液冰点随着浓度的增加而降低，冰点极值为-21.13℃；氯化钠水溶液浓度大于23.3%时，氯化钠水溶液冰点随着浓度的增加而升高。综上，当氯化钠水溶液浓度选取23%时，对应冰点为-20.68℃，理论上能够满足防冻需求。

表1 氯化钠水溶液冰点表 Table 1 Freezing point table of sodium chloride aqueous solution

图1 氯化钠水溶液的浓度与冰点变化关系图 Fig.1 Relationship between concentration and freezing point of sodium chloride aqueous solution

3.3.2 盐水溶液防冻试验

笔者依据氯化钠水溶液浓度与冰点的关系对注浆站工业用盐随机抽样，使用冰箱冷冻室进行调温实验，得到盐度与温度实际对应关系（表2）。

表2 盐度与温度对应关系实验数据 Table 2 Experimental data on the correspondence relationship between salinity and temperature

实验结果显示：在同一温度下，盐度高不易被冻结；过饱和盐液在-20°C 时，虽然部分盐液未冻结，但过饱和析出的盐分易结成盐冰，因此，管路防冻既要防止盐液冻结又要防止形成盐冰。综上所述，在满足防冻需要的情况下应尽可能降低盐度，根据气候气象数据和上表实验数据拟选用盐度为23%盐液作为防冻液。

3.3.3 盐水溶液配置量的确定

盐水溶液配置量（V）由管路系统的容积（V1）和制浆机残留盐液的体积（V2）确定：

其中，经验盈余系数K 取1.1～1.15。

3.3.4 盐水置换管路系统内的清水实操流程

（1）管路系统结构改制

为了实现盐液对注浆管路系统（图2）内清水的成功置换，在注浆管与注浆孔口装置间加装了一个自由球高压止回阀门。该止回阀与注浆管通过快速接头相连接，使得注浆管能够随时快速拆装，在供水管出井口处加装了一个供水阀门和一个注盐液用阀门，注盐液用阀门开口端加装有快速接头可实现与注浆管快速连接和拆卸（图3）。

图2 管路系统结构改制前示意图 Fig.2 Schematic diagram before the restructuring of the pipeline system structure

图3 管路系统结构改制后示意图 Fig.3 Schematic diagram after the restructuring of the pipeline system structure

（2）盐水溶液置换清水实操

当注浆结束达到标准，进行压水清洗制浆设备、注浆设备及注浆管路，压水结束后，注浆泵暂停工作，这时自由球高压止回阀门将自动关闭，打开泄压阀门，对注浆管路泄压，而后从止回阀上卸下注浆管，再把注浆管与注盐液用阀门的快速接头相联接，打开注盐阀门，关闭供水阀门，管路系统连接完成。注浆泵暂停工作的同时，用制浆机配置23%的盐水溶液，将配置好的盐液，通过注浆泵注入注浆管路，再由注浆管路进入供水管路，由供水管路流入清水池，直至盐溶液从供水管路出口处流出，至出口处盐液与制浆机配至的盐液比重(现场用同一支波美度计测量[18])相等时为止，完成盐水溶液对注浆管路和供水管路内残留清水的置换。

由于内供水管路较短，仅有35m，所以在管路最低处加装了一个泄水阀门，通过放空的方法解决内供水管路防冻问题。待下一注浆段钻孔施工完毕，注浆施工前，用注浆泵注入清水对管路内的盐水进行置换后，打开供水阀门，关闭注盐阀门，从与注盐阀门相连的快速接头卸下注浆管，重新把注浆管与注浆止回阀门相连的快速接头相联接，关闭内供水泄水阀门。完成注浆管路系统回复，可以进行注浆施工。

4 管路防冻效果

在冀中能源股份有限公司东庞矿西庞井地面区域治理二期工程中，注2 注浆站管路选用工业用盐水置换清水的方法取得了良好的防冻效果，在刚刚过去的2020～2021 年冬季没有因注浆管路系统冻结而影响到正常注浆工程施工，经受住了2021 年1 月5～7 日极端天气（温度分别降至-19°C、-21°C、-19°C）的考验，取得了良好的经济效益。