煤礦大口徑保溫井保溫套管結構設計及下套管技術

緱延民

(河南省煤田地質局四隊，河南平頂山 467000）

煤礦大口徑保溫井保溫套管結構設計及下套管技術

緱延民

(河南省煤田地質局四隊，河南平頂山 467000）

通過中平能化集團某礦的工程實踐，研制出滿足煤礦高地溫礦井井下降溫工程需要的鋼基GFRP雙層復合保溫套管，對保溫套管的下套管技術和保溫套管接頭保溫方法進行了研究，對煤礦采用鉆井的方法實施井下降溫工程具有十分重要的意義。

煤礦;大口徑保溫井;保溫套管設計;下套管技術

0 引言

煤炭是我國的主要能源之一。隨著我國社會經濟的可持續發展要求和煤炭資源開發的日益加強，礦井的開采深度不斷增大。目前，世界各主要采煤國家相繼進入深部開采，開采深度的逐步增加，地溫也隨之升高，地溫對煤炭生產的制約和影響日趨增大。

據世界各地的測量資料，全球平均地溫梯度約為3℃/100 m，據全國礦井高溫熱害普查資料統計，我國目前已有近百對礦井出現了不同程度的熱害，其中超過50對礦井的采掘工作面氣溫超過30℃。據我國煤田地溫觀測資料統計，百米地溫梯度為2～4℃/100 m，例如平頂山八礦平均地溫梯度為3.4℃/100 m，－430 m水平的原始巖溫為33.2～33.6℃，采掘工作面的氣溫在29～32℃，最高已達34℃。世界各國對井下溫度也做出了相應規定，我國2005年1月1日起實施的新《煤礦安全規程》規定，生產礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26℃，機電設備硐室的空氣溫度不得超過30℃。

深井開采條件下，地溫不斷升高，熱害以及有毒有害氣體、粉塵的危害也日益增大。這些危害嚴重影響作業工人的工作效率及他們的身心健康，甚至很可能導致一些礦井惡性事故的發生，給礦井的安全生產及其日常管理帶來了極大的威脅。可見，煤礦井下降溫技術正成為國內外礦業開發研究的一個重要課題。

1 背景

目前國內外煤礦開展井下降溫工程研究的步伐還比較緩慢，煤礦開展井下降溫工程研究通過鉆井的方式建立礦井上下聯通保溫通道，開展大口徑輸冰井的鉆井施工尚處于試驗研究階段，尤其是大口徑保溫井的保溫套管結構設計、制造工藝，下套管工藝技術還沒有成熟的技術和經驗可以借鑒。一些煤礦為了改善井下采面的高溫現狀，開始與一些高校和降溫公司合作，對高地溫礦井井下降溫工程技術進行了積極的研究。

據了解，目前有少數高溫礦井采用冰冷卻系統方法，通過井上融冰和井下融冰方式實施了井下降溫工程，還有一些高溫礦井則采用雙井循環冷凍水的方式實施井下降溫工程。但由于這些已經實施的降溫工程大都是利用煤礦開拓的立井(或斜井）來敷設常規保溫管道，受煤礦立井(或斜井）等開拓通道位置的限制，位置較遠的采面實施井下降溫工程受到了很大限制，迫切需要在需要降溫的采區上部地面建設制冷系統，通過實施大口徑鉆井工程，下入保溫套管，在建立井上下保溫聯通通道的基礎上，實施井下降溫工程。

因此，研究煤礦大口徑降溫井保溫套管的結構設計和下套管技術，滿足輸冰和輸送冷凍水對管道保溫的要求，同時又要滿足鉆井下套管工藝技術要求，具有十分重要的意義。

2 工程概況

中平能化集團某礦己三采區是主力生產采區，主要開采標高－600～－850 m。采掘工作面的氣溫在夏季一般為33～35℃，個別高達36℃，熱害不但威脅煤礦職工身體健康，也嚴重影響礦井安全和正常生產。因此，為改善礦工在井下采掘工作面的生產條件，中平能化集團某礦決定實施煤礦井下降溫工程。我隊承擔了降溫工程中的輸冰井鉆井施工任務。

根據降溫公司設計的《制冷降溫工程設計方案》，制冷冰降溫工程主要由制冷制冰系統、輸冷輸冰系統、融冰系統、輸冷散冷系統組成。其中輸冷輸冰系統設計施工一口井深為600 m、井徑為650 mm的輸冰井，在井內下入 500 mm×10 mm/ 426 mm ×10 mm雙層保溫套管，井上下的輸冰管路通過保溫管道連接。該井主要用于地面制冰站向地下采區內輸送片冰，在井下建設融冰站，通過冰的溶解把水冷卻到2～3℃，然后把冰冷水送到各采掘工作面，對井下的采掘工作面實施噴灑降溫，達到降溫和除塵的雙重目的。

3 保溫套管結構設計

3.1 保溫套管原結構設計方案

降溫公司在《制冷降溫工程設計方案》中設計的大口徑輸冰井保溫套管的結構是外管為 500 mm×10 mm無縫鋼管，內管為 426 mm×10 mm無縫鋼管，中間填充聚氨酯保溫材料的鋼套鋼結構的雙層保溫套管。

3.2 保溫套管原結構設計方案存在的問題

(1）選用的無縫鋼管管壁太薄(δ=10 mm），經校核計算，其強度滿足不了井下下套管和固井要求;

(2）中間環空間隙中充填聚氨脂保溫材料(密度約60 kg/m3、壓縮強度約為0.3 MPa），環空厚度為27 mm，抗壓強度非常低;

(3）雙層套管質量大，600 m套管約重140 t(不含聚氨酯保溫材料），造價高，經濟技術性不合理;

(4）雙層套管中間充填的是聚氨酯保溫材料，雙層套管在井內承受雙向鉆井液(含固井水泥漿）液柱的壓力，極易導致內外層套管變形，造成整個工程報廢;

(5）套管接口焊縫多，套管焊接接口結構復雜，接頭現場充填保溫材料，接頭結構復雜，下套管作業施工難度大，周期長。

據了解，該結構主要應用于城鎮直埋供熱管道設計，在個別礦山利用井筒實施井下輸冰降溫工程中得到了初步應用，用于鉆井法下入保溫套管成井尚無先例，整體強度無法滿足下套管和固井要求。

3.3 新型保溫套管結構設計

由于設計部門提交的鋼套鋼聚氨酯雙層保溫套管的結構形式，抗壓強度低，只能用于城市直埋供熱管道和煤礦立井中向下敷設，無法采用浮力塞下套管方法和水泥固井方法，滿足不了本工程的施工要求。因此必須對原保溫套管的結構進行重新設計，使其既能簡化套管結構，起到保溫效果，又能滿足安全下入套管和水泥固井要求。

經過認真的調研，在多種方案對比分析研究基礎上，最終設計出鋼基GFRP雙層復合保溫套管，即以無縫鋼管為基體，在無縫鋼管外復合一層一定厚度GFRP管，使GFRP與無縫鋼管緊密的粘合在一起，形成一個整體結構雙層材質的保溫套管。

經過降溫公司和中平能化集團組織專家進行技術論證，一致認為該結構保溫套管與原設計相比具有結構更加簡單、施工技術更加可靠、造價更為低廉、保溫性能滿足設計要求等諸多優點，最終同意并予以采納。

本工程采用的鋼基GFRP雙層復合保溫套管的規格是在 426 mm×14 mm無縫鋼管外復合一層厚度為10 mm的GFRP管，經過對無縫鋼管套管強度計算，其強度滿足工程設計要求。復合保溫套管與單體無縫鋼管相比，整體抗擠毀強度得到了大幅提高。

3.4 鋼基GFRP雙層復合保溫套管的優點

(1）GFRP材料具有優良的保溫性能和抗拉、抗壓強度。采用纖維纏繞工藝制造的GFRP管與無縫鋼管的復合，與原設計鋼套鋼雙層套管結構相比，整體強度得到大幅提高，能夠滿足下套管和固井要求;

(2）發生腐蝕，GFRP管依然能確保使用;

(3）GFRP材料密度不足鋼的1/4，與其它材料的雙層套管相比，可大幅降低套管串的質量、工程造價和下套管作業難度;

(4）GFRP材料的導熱系數小，不足鋼的1%，其保溫性能良好，完全能夠滿足煤礦井下降溫工程需要;

(5）復合保溫套管結構簡單，下套管作業效率高，套管兩端預留一定長度接頭，在完成接頭斷面焊接后，接頭預留部分的保溫工作可以現場實施。

3.5 GFRP管與鋼管的性能對比(表1）

表1 GFRP管與普通鋼管性能對比

3.6 鋼基GFRP雙層復合保溫套管的制造工藝

GFRP復合套管是以除過銹的 426 mm×14 mm無縫鋼管為基體，按照設計要求，采用成熟的GFRP管制造工藝，利用模具在無縫鋼管外壁以高強度的連續無堿無捻玻璃纖維粗紗浸漬環氧樹脂交叉纏繞制作而成，GFRP具有優異的物理機械性能，在高溫條件下仍具有優良的性能保持率，同時具有優異的操作性能和加工性能。設計GFRP管的纏繞厚度為10 mm，復合套管的GFRP層與鋼管外壁緊密粘結在一起，形成一個有機整體。GFRP復合后整體套管的抗壓強度在無縫鋼管的基礎上又有了大幅度的提高。圖1為 426 mm×14 mm鋼基GFRP雙層復合保溫套管示意圖。

圖1 426 mm×14 mm鋼基GFRP雙層復合保溫套管

4 下套管工藝

4.1 保溫井基本數據

設計井深600 m，一開孔徑1080 mm，下入 820 mm×12 mm螺旋鋼管150 m，二孔孔徑650 mm，下入 446 mm×12 mm鋼基GFRP雙層復合保溫套管600 m，全井水泥固井完井。

4.2 鉆井設備

鉆機為GZ2600型，鉆塔為JJ110/28－A型(配2.3 m平臺），鉆機、鉆塔、天車和大鉤的承載能力最大為1100 kN。

4.3 下套管方法

(1）表層套管總質量為35.87 t，可以采用直接提吊法下入。

(2）鋼基GFRP雙層復合保溫套管總質量101.79 t，鉆井液的密度按1.20 g/cm3計算，保溫套管懸重788.8 kN;工作套管的最大懸重雖然沒有超出鉆機和鉆塔的最大承載能力，但已接近設備的最大負荷。為保證套管安全下入防止意外發生，鉆機提升能力必須預留一定能力儲備。為此，保溫套管采用“提吊+浮力塞”下管方法，利用浮力降低載荷，確保下套管作業時鉆機鉤載在安全合理范圍內。

4.4 套管連接

套管之間的連接采用打坡口對焊連接的方法。下套管前，按設計在套管一端切割出穿杠孔，下套管時插入穿杠，用鋼繩連接游車大鉤起吊套管。套管對接時，使用自制井口套管對接扶正器進行找正，保證兩根連接套管管口合縫、同心;點焊牢固后，按要求完成套管接頭的焊接。套管管口焊接完畢，應在焊縫外均勻加焊一定數量的加強筋板。套管對接完成后，開車上提套管，抽出下部的穿杠，將從套管上切下的圓板補焊到套管穿杠孔處，圓板焊牢后，再在圓板外補焊加強筋。依照上述步驟根據套管的入井編號依次下入井內。需要注意的是，套管接頭焊接完成后，應保證一定的自然降溫時間，待焊縫溫度降到合理值方可將其下入井內。內管焊接完成后，還須進行套管接頭保溫，接頭保溫完成后，保溫套管方可下入井內。

4.5 保溫套管接頭的保溫方法

保溫套管內管接頭焊接工作完成后，套管接頭處裸露的部分須進行現場保溫處理。方法一是使用經環氧樹脂浸漬的玻璃絲布(厚度0.7 mm）對套管的裸露部分進行纏繞，直至接頭部位的纏繞厚度達到玻璃鋼管的厚度并直到完全硬化后方能下入井內。為減少固化時間，提高下套管作業的效率，環氧樹脂中可以添加一定比例的固化劑。固化劑的加量應綜合考慮氣溫、作業速度等因素的影響。中平能化集團輸冰保溫井項目采用了此種接頭保溫辦法。在淮南煤業集團顧橋礦和潘三礦的4口保溫井項目中，為提高接頭保溫速度，我們采用的另一種方法是在無縫鋼管焊接后，在裸露的鋼管部分刷上環氧樹脂，利用事前預制好的GFRP半合管扣上，上下用鋼帶緊固后，在外面纏繞經環氧樹脂浸漬的玻璃絲布的方法。該方法下套管施工速度快、外觀質量好，保溫效果滿足工程要求。

5 結語

中平能化集團某礦大口徑保溫井項目的順利完井，其井身質量、固井質量、保溫效果等技術指標均滿足設計要求，項目順利通過竣工驗收并投入運營，井下高溫作業的環境得到明顯改善。在安徽淮南礦業集團顧橋礦和潘三礦開展的冷媒輸送工程中又獲得成功應用，施工的4口保溫井順利通過驗收，保溫效果滿足降溫工程要求。鋼基GFRP雙層復合保溫套管的研制和成功應用，對全國礦山企業高地溫礦井實施井下輸冰降溫、輸送須保溫介質等施工領域具有重大的借鑒意義和推廣價值。

［1］緱延民，耿建國，等.煤礦大口徑輸冰井施工技術研究報告［R］.河南省煤田地質局四隊，2011.

［2］趙金洲，張桂林.鉆井工程技術手冊［M］.北京:中國石化出版社，2011.

［3］袁志堅，白領國.大口徑瓦斯抽放井鉆探施工［J］.西部探礦工程，2007，19(10）:80－82.

［4］袁志堅，提吊加浮力塞下管法在大口徑瓦斯抽排孔的應用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程），2008，35(1）:27－29.

［5］金涌.煤礦大口徑瓦斯抽排孔施工技術［J］.中國煤炭地質，2009，21(11）:68－69.

Structure Design of Insulation Case for Large Diameter Insulating Well in Coalmine and the Casing Technology

GOU Yan-min(The 4th Team，Coalfield Geology Bureau of Henan Province，Pingdingshan Henan 467000，China）

Based on the engineering practice，a steel matrix GFRP double-layer composite insulating case for underground cooling engineering in high temperature coalmine was developed.The study was made on the casing technology and the insulating method of insulation case joint，which are very important for underground cooling engineering with drilling in coalmine.

coalmine;large diameter insulating well;insulation case design;casing technology

P634

:A

:1672－7428(2012）10－0063－03

2012－07－16;

2012－09－20

緱延民(1967－），男(漢族），山東齊河人，河南省煤田地質局四隊黨委書記、副隊長、高級工程師，機電工程專業，從事煤田地質勘探、地質鉆具加工、石油和煤層氣鉆井、大口徑特鑿鉆井技術與管理工作，河南省平頂山市礦工中路185號，gym2819@163.com。