楊村煤礦主井凍結(jié)工程凍結(jié)管斷裂的防治

高輝

【摘要】凍結(jié)管斷裂問題一直是凍結(jié)法鑿井的一大難題。特別是近幾年，隨著用凍結(jié)法鑿井深度的增加，凍結(jié)管斷裂問題日趨嚴重。我國采用凍結(jié)法開鑿的井筒中，有70%的井筒施工中出現(xiàn)過凍結(jié)管斷裂。本文分析了淮南楊村煤礦主井凍結(jié)工程凍結(jié)管斷裂的防治，對同類工程施工有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】楊村煤礦：斷管；原因分析：防治處理

【中圖分類號】TD322 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04-0266-01

國投新集能源股份有限公司楊村煤礦，位于安徽省淮南市鳳臺縣。礦設(shè)計年生產(chǎn)能力5.0MT/a。該礦主井所穿越的表土厚度為538.25m，屬于特厚表土層，施工技術(shù)難度較大。該區(qū)粘土層凍土單軸抗壓強度偏低，且在407.40～441.90m處存在34.5m巨厚黏土層，蠕變量大，并且該礦區(qū)地溫較高，恒溫帶深度為30m，溫度為16.8℃。井底巖溫為38.8℃（980.30m）。地溫梯度為2.47℃/100m。主井基巖風(fēng)化帶較厚，且存在不穩(wěn)定紅層地層，巖石的抗壓強度較低，工程地質(zhì)基本和松散層相近，屬中等復(fù)雜地層?，F(xiàn)介紹楊村煤礦主井井筒掘砌工程施工過程中凍結(jié)管斷裂防治的基本經(jīng)驗。

一、凍結(jié)管斷裂原因分析與判斷

凍結(jié)管斷裂一是凍結(jié)壁變形大，如凍結(jié)壁厚度偏薄，凍結(jié)壁實際溫度偏高，凍結(jié)黏土強度低，沖積層埋藏深度大，掘進段高大，臨時井壁承壓能力小等。二是鉆孔及凍結(jié)管質(zhì)量差，如凍結(jié)管材及接頭強度低，套管式凍結(jié)管易擠扁，鉆孔偏斜和彎曲大。三是爆破震動力過大，炮眼深，裝藥多時，產(chǎn)生的沖擊力能影響到凍結(jié)管。

凍結(jié)管事故多發(fā)生在強化凍結(jié)積極期。首先發(fā)生斷管的是內(nèi)圈管，在井筒表土段掘砌施工過程中，靠近井幫的凍結(jié)管發(fā)生斷裂，并伴隨凍結(jié)壁發(fā)生位移。其次是中圈管斷裂。若內(nèi)圈管斷裂沒有得到足夠重視，或掘砌過快，凍結(jié)壁沒有發(fā)展到位、平均溫度過高等。最后是外圈管斷裂，這種現(xiàn)象較為少見，但危害極大。一旦外圈管斷裂，會造成凍結(jié)壁直接受到鹽水侵蝕融化，強度大為降低。凍結(jié)管將會接二連三的斷裂。

凍結(jié)管出現(xiàn)斷裂后，在井簡掘進工作面、冷凍站房內(nèi)鹽水箱、凍結(jié)溝槽內(nèi)均會有反常的現(xiàn)象。比如工作面底鼓量大，井幫位移量增大；迎頭空氣溫度下降明顯；井幫或井壁出鹽水，鹽水味道苦澀而渾濁；凍結(jié)站鹽水箱內(nèi)鹽水水位下降明顯，報警器報警；凍結(jié)溝槽內(nèi)，鹽水流動的聲音明顯，有咚咚的響聲；斷裂的凍結(jié)管頭部塑料管受大氣壓作用而發(fā)生變形等。

二、凍結(jié)管斷裂預(yù)防

凍結(jié)管斷裂可能是多方面因素引起的，甚至是多種因素的共同影響結(jié)果，應(yīng)該采取綜合措施，重點應(yīng)該防止凍結(jié)壁變形過大。楊村礦主井工程凍結(jié)壁的設(shè)計運用國內(nèi)成熟的深井凍結(jié)設(shè)計經(jīng)驗，采用解析計算并結(jié)合工程類比的方法綜合確定。

1、凍結(jié)孔質(zhì)量、鉆孔質(zhì)量和凍結(jié)管質(zhì)量符合要求

楊村煤礦主井凍結(jié)孔實行鉆進、測斜、糾偏交叉作業(yè)，及時糾偏，確保終孔間距不大于設(shè)計值。做好凍結(jié)孔的驗收和漏孔處理工作。開鉆時嚴格控制凍結(jié)孔的徑向偏值和凍結(jié)孔最大孔間距在設(shè)計要求范圍之內(nèi)，確保凍結(jié)壁形成之后的厚度、均勻性及穩(wěn)定性。

楊村煤礦主井凍結(jié)孔鉆進采用燈光配合陀螺儀測斜，每30～50m布置1個測點，逐點把關(guān)，確保鉆孔質(zhì)量。終孔后按50m布置1個測點進行成孔測斜，并繪制鉆孔偏斜平面圖。

凍結(jié)管使用20號低碳無縫鋼管，凍結(jié)管進場后根據(jù)相關(guān)規(guī)范進行地面試壓，合格后方可用于本凍結(jié)工程。管箍材質(zhì)與凍結(jié)管相同，且焊接采用J422低碳鋼焊條，焊縫應(yīng)飽滿無砂眼，焊接完成后冷卻10分鐘方可下入鉆孔。自制的低碳鋼底錐，應(yīng)增設(shè)加強板。每孔凍結(jié)管下完后，試漏壓力分別為：中排深孔5.6 Mpa；中排淺孔、內(nèi)排孔、外排孔均為4.9 Mpa；淺防片孔為2.5 Mpa；深防片孔為3.6 Mpa。經(jīng)30分鐘壓力下降不超過0.05Mpa，再延長15分鐘壓力不下降為合格，然后加蓋密封。

凍結(jié)管應(yīng)進行地面配組，丈量全長，做好記錄；凍結(jié)管在地面打好坡口，下管時應(yīng)清除管內(nèi)異物，保持清潔；電焊工要一次焊完一個成孔，不得中途換人接焊；試壓封口后，應(yīng)及時將凍結(jié)管周圍的空隙用土填實，防止泥漿串孔；凍結(jié)管下入深度應(yīng)和孔深相符，與設(shè)計孔深的誤差為0～+500mm。

加強鉆孔質(zhì)量的監(jiān)督，凍結(jié)孔的偏斜及下管質(zhì)量符合技術(shù)規(guī)范及設(shè)計要求。提高造孔質(zhì)量、控制凍結(jié)孔偏斜率，提高管箍連接接頭的焊接質(zhì)量，保證凍結(jié)管接頭的抗變形能力超過管體；凍結(jié)管材應(yīng)選用了塑性大和韌性好的無縫鋼管，能適應(yīng)持續(xù)的低溫工作條件。在施工長短腿凍結(jié)孔時，應(yīng)先施工深凍結(jié)孔，如果深孔偏斜質(zhì)量超出設(shè)計要求時，改兩深孔之間的淺孔為深孔，采用此方法仍然無效時，必須進行補孔。

2、凍結(jié)、掘砌科學(xué)施工

凍結(jié)期間，楊村煤礦主井凍結(jié)工程凍結(jié)器、鹽水干管的鹽水流量與溫度的檢測裝置和安裝質(zhì)量應(yīng)符合凍結(jié)施工組織設(shè)計要求。凍結(jié)初期鹽水應(yīng)該逐漸降溫，減少由于鹽水降溫過快引起的溫度應(yīng)力導(dǎo)致凍結(jié)管斷裂。合理安排各圈凍結(jié)孔投入運行的順序和時間，盡可能減少內(nèi)部凍脹力對凍結(jié)管的影響。凍結(jié)壁形成后，厚度和強度都滿足設(shè)計和施工要求，及時調(diào)整鹽水溫度，盡量減少凍結(jié)器在超低溫（<-32℃）條件下的運行時間；加強凍結(jié)管去回路鹽水溫度監(jiān)測，防止鹽水在凍結(jié)管某部位形成短路而削弱下部凍結(jié)壁厚度，影響其強度，進而造成凍結(jié)管受力大，甚至斷裂；保持凍結(jié)站運行穩(wěn)定，防止鹽水溫度起伏波動，使凍結(jié)管因熱脹冷縮產(chǎn)生溫度應(yīng)力，沿管壁形成縱向拉應(yīng)力，使焊接薄弱處產(chǎn)生拉裂，導(dǎo)致凍結(jié)管泄漏鹽水。

井筒掘砌堅持“以凍結(jié)為主，掘砌服從于凍結(jié)”的原則。認真推算掘進至各層位的凍結(jié)壁厚度及平均溫度。確保井幫不出現(xiàn)片幫，滿足凍結(jié)壁設(shè)計強度，減少位移量、底鼓量，不使凍結(jié)管受力不均勻，產(chǎn)生拉、彎、扭等變形，進而產(chǎn)生裂縫、斷裂，泄漏鹽水。井筒掘砌至黏土層特別是深厚的膨脹性黏土層中，安全段高段高不大于2.5米，一個段高的循環(huán)時間不超過18小時，應(yīng)嚴格控制掘進段高不大于設(shè)計值；（重點控制）加強鹽水箱水位檢測工作，如發(fā)現(xiàn)液位下降，應(yīng)立即關(guān)閉所有凍結(jié)管去回路閥門，查明斷管并切斷其鹽水循環(huán)，然后恢復(fù)其它凍結(jié)管。加強對井幫位移量進行檢測，準確掌握凍結(jié)壁穩(wěn)定情況；并按照井壁設(shè)計要求，鋪設(shè)聚苯乙烯泡沫板，控制砼人模溫度，提高砼早期強度。

楊村主井井筒工作面采用鉆爆法施工時，在掘進段高內(nèi)，對距井幫不足1.2m凍結(jié)管的方位應(yīng)在井幫作出標(biāo)記。安全上堅持“淺打眼少裝藥，以松動凍土”。爆破時先關(guān)閉距井壁近的凍結(jié)孔，結(jié)束時檢查凍結(jié)器情況正常后方可運行。

放炮時應(yīng)關(guān)閉靠近井筒荒徑的凍結(jié)器閥門，加強監(jiān)測鹽水循環(huán)系統(tǒng)。放炮后觀察井下工作面及凍結(jié)器無異常現(xiàn)象后，恢復(fù)鹽水循環(huán)。同時要注意在深厚粘土層中掘進段高和暴露時間的控制，確保凍結(jié)壁變形量在控制范圍之內(nèi)。

三、斷管發(fā)生時的應(yīng)急處理

楊村煤礦主井凍結(jié)工程一旦發(fā)生凍結(jié)管斷裂鹽水流人工作面，或發(fā)現(xiàn)井幫有滲鹽水等凍結(jié)管斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)時，項目部應(yīng)在礦方的總協(xié)調(diào)下，啟動《凍結(jié)管斷裂緊急預(yù)案》。

1、及時關(guān)閉總鹽水去路。停止向凍結(jié)管送冷，井筒掘砌施工同時停止。

2、根據(jù)報警鹽水箱箱號判斷出斷管發(fā)生的供液路徑，快速找出斷管，將其鹽水開關(guān)關(guān)閉。配合礦方以及掘進單位迅速地清理工作面泄漏的鹽水，防止流動的鹽水融化凍結(jié)壁。

3、斷管若不影響井筒施工安全，將其關(guān)閉，同時加大斷管周邊孔凍結(jié)，即增大周邊孔的鹽水流量、必要時可增設(shè)獨立泵供液。若此斷管必須繼續(xù)循環(huán)鹽水，可將管口上方的溝槽板開出200的圓孔，采用內(nèi)管箍連接的方式，進行焊接。保壓后即投入運行，并加強觀測。

4、現(xiàn)場要提前采取相應(yīng)的措施防止其他凍結(jié)管的斷裂。積極處理斷管，必要時可將井筒完全凍實。

5、因局部凍結(jié)管的斷裂造成鹽水泄漏，并引起了連鎖斷管反應(yīng)，導(dǎo)致凍結(jié)壁融化，井內(nèi)涌水涌砂，采取向井內(nèi)注水，充填砂土直至靜水位。