聶新明 王夢國 代曉光 胡中國 付龍劍

1 中化地質(zhì)礦山總局河北地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050031

2 冀中能源股份有限公司東龐礦西龐井，河北 邢臺 054200

3 中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，北京 100101

通過地面定向水平多分支鉆孔，實施高壓注水泥漿改造煤礦頂?shù)装搴畬痈羲Ч姆椒ㄔ诿旱V防治水領域已普遍應用[1-2]。一個漏失點或一個漏失段往往需要注入成百上千甚至上萬噸的水泥量，需要多臺注漿泵同時注漿，在注漿過程中，根據(jù)實際情況，需要隨時增減注漿泵的數(shù)量。傳統(tǒng)方法是在注漿管路混合裝置[3-4]前加裝高壓球閥門，但當注漿壓力達到一定值時，漿液高壓作用或水泥固結(jié)，普通高壓球閥門很容易失效[5-6]，即不是打不開就是關(guān)不上，難以實現(xiàn)隨時增加或撤出注漿泵的目的。此時需要將整個注漿管路徹底泄壓后才能夠進行增加或撤出注漿泵，這嚴重影響注漿效率和注漿質(zhì)量，增加了工人的勞動強度。為解決注漿過程中注漿管路在高壓狀態(tài)下能夠順利地實現(xiàn)增加或減少注漿泵的難題，項目人員研制出一種多泵注漿自由球單向閥混合裝置。

1 注漿管路混合裝置的定義

在多泵注漿過程中，每個注漿泵泵出漿液需要匯入同一個容器內(nèi)，然后通過一個出口與注漿管路相連接，將漿液送至目的層位，這個漿液匯合的容器稱之為混合器。每個混合器有若干個進口和一個出口構(gòu)成，混合器上加裝一些其它功能件后稱之為混合裝置。

2 注漿管路混合裝置的研發(fā)

2.1 傳統(tǒng)注漿管路混合裝置

傳統(tǒng)混合裝置注漿系統(tǒng)[7]為每個注漿泵出漿管通過一個普通高壓球閥與混合器進口連接（圖1，圖 2），混合器上方安裝注漿壓力傳感器或壓力表來檢測注漿壓力，注漿管路泄壓通過注漿泵上的泄壓閥門來完成。注漿過程中由于漿液高壓作用或水泥固結(jié)的原因普通高壓閥門很容易失效。

圖1 傳統(tǒng)混合裝置注漿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of grouting system of traditional mixing device

圖2 傳統(tǒng)管路混合裝置實物Fig.2 Traditional pipeline mixing device

傳統(tǒng)混合裝置在注漿使用過程中，每個注漿泵通過普通高壓球閥與混合器相連接，當注漿壓力達到一定值時，由于高壓和水泥固結(jié)雙重作用，閥門常常處于失效狀態(tài)，很難關(guān)閉，導致與混合器相連的所有注漿泵相互貫通。當某個注漿泵需要維修或需要撤出時，必須對整個管路系統(tǒng)進行壓水替漿清洗，將注漿泵全部停下，然后待整個注漿管路徹底泄壓后，才能關(guān)閉要撤出的注漿泵對應的高壓球閥門。若該泵與混合器相連接的高壓閥門失效，還需要卸掉本高壓閥門換用專用的封堵封閉混合器，該泵才完成撤出，其他泵方可重新開啟注漿。每次換泵也同樣需要先進行壓水沖洗注漿管路系統(tǒng)，待整個注漿管路完全泄壓后，才能實施。另外，當某個注漿泵注漿過程中需要更換活塞、缸套或出現(xiàn)其它設備故障時，同樣需要上述撤泵、換泵程序。

傳統(tǒng)混合裝置在注漿工作中存在以下問題：注漿混合器屬于高壓容器，與之相連的普通高壓球閥需要人工操控，存在巨大安全隱患；在注漿過程中，每次撤泵、換泵需要耗費大量時間，嚴重降低了注漿效率；每次撤泵、換泵前，為防止水泥漿沉淀固化堵塞注漿管路，需要壓入大量的清水清洗整個注漿管路系統(tǒng)，人為稀釋了漿液密度，影響了注漿效果；每次撤泵、換泵需要長時間停止注漿，造成了人為的間歇注漿，嚴重影響了注漿質(zhì)量；注漿泵設備出現(xiàn)故障需要停泵維修時，存在與撤泵、換泵同樣的問題。總之，傳統(tǒng)混合裝置在注漿過程中，暴露的問題是要求所有工作的注漿泵“共進退”。

2.2 自由球止回閥門

為克服傳統(tǒng)混合裝置因高壓球閥門失效帶來的諸多問題，筆者所在團隊曾嘗試卸掉高壓球閥門，結(jié)果與傳統(tǒng)混合裝置使用效果沒有太大的區(qū)別[8]；隨后研制出一種自由球止回閥門（圖3），用其代替?zhèn)鹘y(tǒng)混合裝置上的普通高壓球閥門，制造出自由球止回閥注漿管路混合裝置，使得混合裝置性能大為改善。

圖3 自由球止回閥門示意圖Fig.3 Schematic diagram of free ball check valve

（1）自由球止回閥門的結(jié)構(gòu)：它是由閥體、上端蓋、下端蓋和一個鋼球構(gòu)成。閥體內(nèi)加工有球閥座，球閥座與一個自由活動的鋼球構(gòu)成球閥，閥體側(cè)面加工有閥門出口。閥門體上端蓋下加工有一個鋼球限位桿，用以防止鋼球堵塞閥門的出口，上端蓋與閥體間加密封圈并用高強度螺栓緊固。下端蓋上加工有閥門入口，與閥體間加密封圈并用高強度螺栓緊固。

（2）自由球止回閥門工作原理：當有液體從單向閥入口進入時，鋼球?qū)灰毫鲏毫斊?，液流進入閥腔，由單向閥出口流出；當液流停止進入單向閥時，鋼球在自重和液體回流壓力作用下將自動關(guān)閉。

2.3 自由球止回閥注漿管路混合裝置

每個注漿泵的出漿管通過一個特制的高壓自由球單向止回閥門與混合器進口連接（圖4），混合器的上方同樣安裝有注漿壓力傳感器或壓力表用來檢測注漿壓力。在混合器上加裝一個泄壓閥門，實現(xiàn)對注漿管路的泄壓，注漿泵至混合器間的出漿管路通過注漿泵上的泄壓閥門來完成泄壓。

圖4 自由球止回閥混合裝置注漿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of grouting system of free ball check valve mixing device

自由球單向止回閥門混合裝置（圖 5）主要是由自由球止回閥、混合器、泄壓閥和壓力信息顯示裝置構(gòu)成。其工作原理是：當注漿泵開始工作時，漿液在液流壓力作用下將止回閥鋼球頂開即止回閥開啟進入閥腔；當注漿泵停止工作時，在鋼球自重和注漿管路混合器回流返向回壓的作用下止回閥自動關(guān)閉。

圖5 自由球止回閥注漿管路混合裝置構(gòu)造Fig.5 free ball check valve grouting line mixing device structure

現(xiàn)場實用自由球止回閥混合裝置（圖6）突出優(yōu)點：自由球單向止回閥在注漿過程中，鋼球處于高頻振動旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，不易失效，開啟和關(guān)閉無需人工操作，實現(xiàn)了開啟關(guān)閉的自動化，降低了安全風險和工人的勞動強度；自由球單向止回閥結(jié)構(gòu)簡單，用法蘭連接而成，拆裝清理便捷，易于推廣；在注漿過程中，每次撤泵、換泵無需耗費大量時間，極大提高注漿效率；每次撤泵、換泵前，僅需撤出的注漿泵壓入1～2min清水對該泵和與其相連接的止回閥門進行清洗，不需要清洗整個注漿管路系統(tǒng)，漿液密度幾乎不受影響，提高了注漿效果；每次換泵或設備維修需要撤泵時，隨時可以停止，不會影響其它泵的正常工作而造成人為的間歇注漿，極大提高了注漿質(zhì)量；加裝了泄壓閥門，不僅可以實現(xiàn)注漿管路的泄壓，而且還能進行分流，提高了注漿管路的安全性。

圖6 自由球止回閥混合裝置現(xiàn)場實物圖Fig.6 Site physical picture of free ball check valve mixing device

3 兩種混合裝置在實際工程中應用

3.1 工程概況

冀中能源股份有限公司東龐礦西龐井地面區(qū)域治理注漿工程，是中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院通過招投標承攬的一項煤礦底板注漿防治水工程，本工程治理范圍為西龐井9煤底板-300m以深-480m以淺區(qū)域，分支孔間距40m，治理層位為奧灰頂界面下25m。該工程共設計注1和注2兩個地面主孔，同時建設注1和注2兩個注漿站。其中注1孔包含6個水平分支鉆孔，鉆探工程量6864m，注漿量52116t；注2孔包含26個水平分支鉆孔，鉆探工程量17447m，注漿量115017t。兩孔總鉆探工程量24311m，注漿工程量167133t。注漿技術(shù)以相關(guān)要求為準[9-10]。

3.2 注漿設備

注漿施工設備應包含制漿設備、輸漿設備、監(jiān)測設備。本工程建設有兩個注漿站，配套設備基本一樣。每個注漿站配備三臺 NBB-390/15型泥漿泵（其變速器檔位與流量對應關(guān)系見表 1）和一臺NBB260/7型泥漿泵（其變速器檔位與流量對應關(guān)系見表2）。其中三臺NBB-390/15型泥漿泵為主輸漿設備，正常注漿使用時用二備一，一臺NBB260/7型泥漿泵為輔助輸漿設備，在每次注漿結(jié)束前使用。

表1 NBB-390/15型泥漿泵變速器檔位與流量對應關(guān)系Table 1 Corresponding relationship between gear and flow of NBB-390/15 type mud pump transmission

表2 NBB260/7型泥漿泵變速器檔位與流量對應關(guān)系Table 2 Corresponding relationship between gear and flow of NBB-260/7 type mud pump transmission

3.3 兩種混合裝置的實用效果

3.3.1 注漿流量的實操

根據(jù)注漿技術(shù)要求，每個注漿段注漿前必須先進行壓水實驗，根據(jù)壓水情況確定注漿起始流量。壓水無壓力時，由15m3/h流量開始注漿；壓水有壓力時，由取得穩(wěn)定壓力時所用的泵量開始注漿。當由起始注漿流量注漿時間達到1h，注漿壓力無改變或改變不顯著時，應逐級增大注漿流量，可逐級升至30m3/h即雙泵4檔。如在某級注漿流量下，注漿壓力持續(xù)平穩(wěn)上升，則保持該注漿流量，直至達到設計注漿壓力。達到注漿設計壓力后，如注漿壓力持續(xù)上升，則應在保持設計壓力的情況下，注漿泵逐級降檔減小注漿流量。當NBB-390/15型泥漿泵降至雙泵2檔時，壓力達到注漿結(jié)束標準，這時就撤出一臺注漿泵，留下一臺NBB-390/15型泥漿泵2檔繼續(xù)注漿，如果壓力再次達到注漿結(jié)束標準，就撤出該泵，換用NBB260/7型泥漿泵繼續(xù)注漿，直至壓力和流量均達到注漿結(jié)束標準。

3.3.2 兩種混合裝置實際應用效益分析

（1）傳統(tǒng)混合裝置

本工程開始，注1-4、注1-5、注1-6和注2-1、注2-2、注2-3、注2-4使用的是傳統(tǒng)混合裝置，每次撤泵或換泵、換缸套活塞均需約2h。實際應用中撤泵或換泵、換缸套活塞次數(shù)統(tǒng)計見表3。

表3 使用傳統(tǒng)混合裝置撤泵或換泵、換缸套活塞次數(shù)統(tǒng)計表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統(tǒng)計可知進尺5444.01m，注漿過程中撤泵、換泵或換缸套活塞（含維修）166次，每次需耗時約2h，總耗時332h。也就是說平均每個注漿段需撤泵、換泵或換缸套活塞（含維修）4.15次，耗時約8.3h。

（2）自由球止回閥混合裝置

從注2-5開始，注2-6、注2-7應用該混合裝置注漿，注漿過程中某個注漿泵需要撤出、換泵、更換活塞、缸套或出現(xiàn)其它設備故障，只需要對該泵和混合器間的管路（含自由球止回閥）進行3～5min的壓水沖洗即可，每個注漿泵能夠隨時叫停。實際應用中撤泵、換泵、換缸套活塞次數(shù)統(tǒng)計見表4。

表4 使用自由球止回閥混合裝置撤泵或換泵、換缸套活塞次數(shù)統(tǒng)計表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統(tǒng)計可知注 2孔三個水平分支進尺2613.37m，注漿期間需要撤泵、換泵或換缸套活塞（含維修）73次，平均每次耗時5min，總耗時365min。也就是說平均每個注漿段需撤泵、換泵、換缸套活塞（含維修）4.06次，耗時約 20.3min（0.34h）。

3.3.3 效益分析

由表4和表5分析可以看出，無論使用上述哪種混合裝置，每個注漿段需撤泵、換泵、換缸套活塞（含維修）的次數(shù)均不少于4次，使用傳統(tǒng)混合裝置比自由球止回閥混合裝置多耗時7.96h。本次區(qū)域治理工程按照設計后續(xù)剩余工作量16253.62m，即不少于110個注漿段，使用自由球止回閥混合裝置將比使用傳統(tǒng)混合裝置節(jié)約875.6h，大幅度縮短了工期，目前自由球止回閥混合裝置在注1和注2注漿站開始全面推廣應用。

4 結(jié)語

自由球止回閥高壓注漿管路混合器裝置，用自由球止回閥代替了普通的高壓球閥，在高壓狀態(tài)下開啟或關(guān)閉閥門由人工變?yōu)樽詣踊?，根?jù)需要可以隨時實現(xiàn)注漿泵的增加或撤出，節(jié)省了大量的增、減泵用時，提升了裝置安全性，降低了工人勞動強度，極大的提高了注漿效率。該注漿管路混合器裝置，增加注漿泵或撤出注漿泵不再需要壓入大量的清水沖洗管路以及長時間泄壓等待，避免了人為地改變漿液密度和人為的間歇注漿，進而提升了注漿質(zhì)量。自由球單向閥混合器裝置，加裝有泄壓閥門，不僅可以用來泄壓還可作為分流裝置使用。自由球止回閥高壓注漿管路混合器裝置設計科學、性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、可拆性好、便于清理、實用性強、耐用，在諸如高壓注漿、壓水、送水、分水等類似工程中具有巨大的推廣空間。