杨村煤矿主井冻结工程冻结管断裂的防治

高辉

【摘要】冻结管断裂问题一直是冻结法凿井的一大难题。特别是近几年，随着用冻结法凿井深度的增加，冻结管断裂问题日趋严重。我国采用冻结法开凿的井筒中，有70%的井筒施工中出现过冻结管断裂。本文分析了淮南杨村煤矿主井冻结工程冻结管断裂的防治，对同类工程施工有借鉴意义。

【关键词】杨村煤矿：断管；原因分析：防治处理

【中图分类号】TD322 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0266-01

国投新集能源股份有限公司杨村煤矿，位于安徽省淮南市凤台县。矿设计年生产能力5.0MT/a。该矿主井所穿越的表土厚度为538.25m，属于特厚表土层，施工技术难度较大。该区粘土层冻土单轴抗压强度偏低，且在407.40～441.90m处存在34.5m巨厚黏土层，蠕变量大，并且该矿区地温较高，恒温带深度为30m，温度为16.8℃。井底岩温为38.8℃（980.30m）。地温梯度为2.47℃/100m。主井基岩风化带较厚，且存在不稳定红层地层，岩石的抗压强度较低，工程地质基本和松散层相近，属中等复杂地层。现介绍杨村煤矿主井井筒掘砌工程施工过程中冻结管断裂防治的基本经验。

一、冻结管断裂原因分析与判断

冻结管断裂一是冻结壁变形大，如冻结壁厚度偏薄，冻结壁实际温度偏高，冻结黏土强度低，冲积层埋藏深度大，掘进段高大，临时井壁承压能力小等。二是钻孔及冻结管质量差，如冻结管材及接头强度低，套管式冻结管易挤扁，钻孔偏斜和弯曲大。三是爆破震动力过大，炮眼深，装药多时，产生的冲击力能影响到冻结管。

冻结管事故多发生在强化冻结积极期。首先发生断管的是内圈管，在井筒表土段掘砌施工过程中，靠近井帮的冻结管发生断裂，并伴随冻结壁发生位移。其次是中圈管断裂。若内圈管断裂没有得到足够重视，或掘砌过快，冻结壁没有发展到位、平均温度过高等。最后是外圈管断裂，这种现象较为少见，但危害极大。一旦外圈管断裂，会造成冻结壁直接受到盐水侵蚀融化，强度大为降低。冻结管将会接二连三的断裂。

冻结管出现断裂后，在井简掘进工作面、冷冻站房内盐水箱、冻结沟槽内均会有反常的现象。比如工作面底鼓量大，井帮位移量增大；迎头空气温度下降明显；井帮或井壁出盐水，盐水味道苦涩而浑浊；冻结站盐水箱内盐水水位下降明显，报警器报警；冻结沟槽内，盐水流动的声音明显，有咚咚的响声；断裂的冻结管头部塑料管受大气压作用而发生变形等。

二、冻结管断裂预防

冻结管断裂可能是多方面因素引起的，甚至是多种因素的共同影响结果，应该采取综合措施，重点应该防止冻结壁变形过大。杨村矿主井工程冻结壁的设计运用国内成熟的深井冻结设计经验，采用解析计算并结合工程类比的方法综合确定。

1、冻结孔质量、钻孔质量和冻结管质量符合要求

杨村煤矿主井冻结孔实行钻进、测斜、纠偏交叉作业，及时纠偏，确保终孔间距不大于设计值。做好冻结孔的验收和漏孔处理工作。开钻时严格控制冻结孔的径向偏值和冻结孔最大孔间距在设计要求范围之内，确保冻结壁形成之后的厚度、均匀性及稳定性。

杨村煤矿主井冻结孔钻进采用灯光配合陀螺仪测斜，每30～50m布置1个测点，逐点把关，确保钻孔质量。终孔后按50m布置1个测点进行成孔测斜，并绘制钻孔偏斜平面图。

冻结管使用20号低碳无缝钢管，冻结管进场后根据相关规范进行地面试压，合格后方可用于本冻结工程。管箍材质与冻结管相同，且焊接采用J422低碳钢焊条，焊缝应饱满无砂眼，焊接完成后冷却10分钟方可下入钻孔。自制的低碳钢底锥，应增设加强板。每孔冻结管下完后，试漏压力分别为：中排深孔5.6 Mpa；中排浅孔、内排孔、外排孔均为4.9 Mpa；浅防片孔为2.5 Mpa；深防片孔为3.6 Mpa。经30分钟压力下降不超过0.05Mpa，再延长15分钟压力不下降为合格，然后加盖密封。

冻结管应进行地面配组，丈量全长，做好记录；冻结管在地面打好坡口，下管时应清除管内异物，保持清洁；电焊工要一次焊完一个成孔，不得中途换人接焊；试压封口后，应及时将冻结管周围的空隙用土填实，防止泥浆串孔；冻结管下入深度应和孔深相符，与设计孔深的误差为0～+500mm。

加强钻孔质量的监督，冻结孔的偏斜及下管质量符合技术规范及设计要求。提高造孔质量、控制冻结孔偏斜率，提高管箍连接接头的焊接质量，保证冻结管接头的抗变形能力超过管体；冻结管材应选用了塑性大和韧性好的无缝钢管，能适应持续的低温工作条件。在施工长短腿冻结孔时，应先施工深冻结孔，如果深孔偏斜质量超出设计要求时，改两深孔之间的浅孔为深孔，采用此方法仍然无效时，必须进行补孔。

2、冻结、掘砌科学施工

冻结期间，杨村煤矿主井冻结工程冻结器、盐水干管的盐水流量与温度的检测装置和安装质量应符合冻结施工组织设计要求。冻结初期盐水应该逐渐降温，减少由于盐水降温过快引起的温度应力导致冻结管断裂。合理安排各圈冻结孔投入运行的顺序和时间，尽可能减少内部冻胀力对冻结管的影响。冻结壁形成后，厚度和强度都满足设计和施工要求，及时调整盐水温度，尽量减少冻结器在超低温（<-32℃）条件下的运行时间；加强冻结管去回路盐水温度监测，防止盐水在冻结管某部位形成短路而削弱下部冻结壁厚度，影响其强度，进而造成冻结管受力大，甚至断裂；保持冻结站运行稳定，防止盐水温度起伏波动，使冻结管因热胀冷缩产生温度应力，沿管壁形成纵向拉应力，使焊接薄弱处产生拉裂，导致冻结管泄漏盐水。

井筒掘砌坚持“以冻结为主，掘砌服从于冻结”的原则。认真推算掘进至各层位的冻结壁厚度及平均温度。确保井帮不出现片帮，满足冻结壁设计强度，减少位移量、底鼓量，不使冻结管受力不均匀，产生拉、弯、扭等变形，进而产生裂缝、断裂，泄漏盐水。井筒掘砌至黏土层特别是深厚的膨胀性黏土层中，安全段高段高不大于2.5米，一个段高的循环时间不超过18小时，应严格控制掘进段高不大于设计值；（重点控制）加强盐水箱水位检测工作，如发现液位下降，应立即关闭所有冻结管去回路阀门，查明断管并切断其盐水循环，然后恢复其它冻结管。加强对井帮位移量进行检测，准确掌握冻结壁稳定情况；并按照井壁设计要求，铺设聚苯乙烯泡沫板，控制砼人模温度，提高砼早期强度。

杨村主井井筒工作面采用钻爆法施工时，在掘进段高内，对距井帮不足1.2m冻结管的方位应在井帮作出标记。安全上坚持“浅打眼少装药，以松动冻土”。爆破时先关闭距井壁近的冻结孔，结束时检查冻结器情况正常后方可运行。

放炮时应关闭靠近井筒荒径的冻结器阀门，加强监测盐水循环系统。放炮后观察井下工作面及冻结器无异常现象后，恢复盐水循环。同时要注意在深厚粘土层中掘进段高和暴露时间的控制，确保冻结壁变形量在控制范围之内。

三、断管发生时的应急处理

杨村煤矿主井冻结工程一旦发生冻结管断裂盐水流人工作面，或发现井帮有渗盐水等冻结管断裂现象出现时，项目部应在矿方的总协调下，启动《冻结管断裂紧急预案》。

1、及时关闭总盐水去路。停止向冻结管送冷，井筒掘砌施工同时停止。

2、根据报警盐水箱箱号判断出断管发生的供液路径，快速找出断管，将其盐水开关关闭。配合矿方以及掘进单位迅速地清理工作面泄漏的盐水，防止流动的盐水融化冻结壁。

3、断管若不影响井筒施工安全，将其关闭，同时加大断管周边孔冻结，即增大周边孔的盐水流量、必要时可增设独立泵供液。若此断管必须继续循环盐水，可将管口上方的沟槽板开出200的圆孔，采用内管箍连接的方式，进行焊接。保压后即投入运行，并加强观测。

4、现场要提前采取相应的措施防止其他冻结管的断裂。积极处理断管，必要时可将井筒完全冻实。

5、因局部冻结管的断裂造成盐水泄漏，并引起了连锁断管反应，导致冻结壁融化，井内涌水涌砂，采取向井内注水，充填砂土直至静水位。