杨村煤矿副井井筒冻结断管原因浅析

摘要：在单位施工的淮南杨村煤矿副井井筒冻结工程中，冻结孔出现了断管现象，针对其原因从各方面进行了分析。

关键词：冻结管 断裂 分析

自冻结法凿井施工在我国应用以来，早期对于较深井筒冻结由于经验不足，冻结管断裂现象时有发生。尤其是两淮地区，膨胀性粘土层厚，地质条件复杂，断管严重。随着冻结工程的增多，施工经验越来越丰富，针对各种地层的冻结施工技术也越来越完善，很少再出现冻结管断裂现象。杨村煤矿副井冻结是中煤邯郸特殊凿井有限公司在淮南地区施工的特厚粘土层深井冻结施工。其冻结孔出现了冻结管断裂现象，认真分析其原因，总结好两淮地区冻结施工经验意义重大。

1 工程概况

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杨村乡，设计年生产能力5.0Mt/a，工业广场内设主、副、风三个井筒，采用立井开拓，其副井设计井筒净直径为7.5m，冻结段最大井壁厚度2.303m，最大井筒荒直径12.256m，井筒深度1001.9m。井筒冲积层厚度681.05m，其中：第四系底板埋深536.65m，第三系底板埋深681.05m，基岩风化带底板埋深714.05m。在第四系378.2～398.9m和407.3～445.35m深度段为20.7m和38.05m的两层特厚砂质粘土层。由于其地质条件复杂，普通法施工困难，为改善施工条件，加快矿井建设速度，业主确定采用冻结法施工。

2 冻结设计方案

井筒设计冻结深度725m，采用三圈孔加防片帮孔冻结方案，其中：防片帮孔采用插花、差异冻结方式，浅孔10个，孔深210m。深孔10个，孔深420m；内圈孔25个，孔深660m；中圈孔采用差异冻结，浅孔26个，孔深687m。深孔26个，孔深725m；外圈孔56个，孔深681m。防片帮孔的作用是起井筒防片帮，降低井帮温度，减少井帮位移和井筒工作面底鼓量；内圈孔的作用是加强三系上部松软地层的冻结壁厚度和强度，提高冻结壁的稳定性；中圈孔的作用是加强冲积层的冻结壁厚度和强度，在基岩中达到封止水；外圈孔的作用是确保三系上部松软地层的冻结壁厚度和强度达到设计要求。冻结壁设计冻结壁厚度，粘土层埋深445.33m控制层冻结壁厚度10m；砂层埋深536.65m控制层冻结壁厚度10.2m；三系上部埋深641.7m控制层冻结壁厚度10.6m。冻结壁平均温度-18℃。设计冻结盐水温度-31～-33℃。

3 冻结施工

楊村煤矿副井冻结站使用三代螺杆机26组，总装机制冷量4498万kcal/h。杨村副井冻结站于2012年4月8日开机冻结，冻结122天后正式开挖。至2013年1月4日冻结271天，井筒掘砌至412.95m，粘土层，当时冻结站开机14组，盐水温度去路-32℃，回路-30℃。

4 断管的发生

2013年1月1日掘进407m，开始进入厚38.05m的粘土层段。2013年1月4日井筒掘进至412.95m，由于井帮位移和井筒底鼓量大，发生内、中、外圈15个冻结孔的冻结管断裂，当日即停止掘进，及时采取井内设置工字钢和打混凝土封底措施。为保证后续冻结的顺利施工，断管的冻结孔采取下置套管措施和断管孔恢复运转后增加管道泵，并在断管孔周围的冻结孔加管道泵加大盐水流量，冻结站积极降低盐水温度，井筒采取强化冻结措施。

5 原因分析

5.1 直接原因 ①砂质粘土与粘土的物理性能差异，杨村副井通过的特厚38.05m的粘土层，原地质报告及柱状图描述为砂质粘土层，实际揭露的地层为钙质粘土及铝质粘土，与原地质资料不符。由于钙质或铝质粘土的结合水、薄膜水、自由水难以冻结，结冰点低，冻结后冻胀性、膨胀性大，蠕变性强，遇水崩解等特性，冻土强度低。②井筒冻结发展速度慢，底鼓明显。杨村副井地层柱状仅描述的地层为砂类地层和砂质粘土地层，实际揭露的该段粘土层的测温孔温度普遍较上下温度高6～8℃，冻土发展速度为6～9mm/d，砂层发展速度为15～20mm/d。经底鼓量检测，6小时底鼓量为360mm，之后底鼓量突然加快，40分钟底鼓量达500-700mm，并有逐渐加快趋势，随后及时采取封底停掘措施。由于该地层的特殊性，使冻结壁不足以抵抗水土压力、膨胀压力、蠕变应力，因此底鼓速度快，底鼓量大，造成冻结壁变形，使多个冻结管断裂。

5.2 间接原因 ①冻结管在地层中埋设时间长。正常情况下冻结孔施工完成后，在孔内下置的冻结管与围岩间有环状间隙，紧接着制冷冻结后，冻结管有个自身伸缩弹性应变空间，对防止冻结管破坏有利。杨村副井自2009年1月冻结钻孔施工至2012年4月开机冻结已间隔3年多时间，由于冻结管在地层内埋设时间长，在地压和水压的作用下，地层围抱力挤紧冻结管，引起附加内应力，冻结管没有伸缩应变力和弹性应变力，造成冻结管纵向拉伸断裂或剪切断裂。②掘进速度快，冻结时间不足。副井在开始积极冻结后，所设置的4个水文孔先后均已冒水，说明主要含水层冻结壁已交圈，经测温孔温度计算上部冻结壁也有一定的厚度，井筒开始试挖。初期确定的综合掘进进度为每月60-70m，为给掘进单位创造良好的施工条件，冻结单位合理控制了防片帮孔的流量，盐水降温幅度符合设计要求。而在随后的施工中，掘进单位速度不断加快，其最高掘进速度甚至达126m/月，当掘进至井深402m处砂层时为-6.5～-8.5℃（符合要求），但结果仍出现底鼓、位移、造成冻结管断裂。初步认为冻结基本符合设计要求，但后期掘进速度快，冻结时间还是不够长，这也是其中的一个因素。

6 经验与教训

①两淮地区地层复杂，在冻结施工设计时，应重视其超前变形，加大其冻结壁厚度、强度。②掘进单位与冻结单位密切配合，及时核对地质资料，适时调整掘进方案，并加强冻结，确保掘进安全。③加强特殊地层的井帮温度和井帮位移、底鼓量的监测，控制掘进段高或掘砌时间，控制井帮位移和底鼓不超限值。④加强盐水箱盐水水位、冻结器流量、冻结器去回路盐水温度等有效监控。⑤在施工中要做好防断管应急准备，随时关闭冻结孔，将断管影响到最小。

参考文献：

[1]丛培友.郭屯矿井主井井筒冻结造孔工程项目进度管理研究[D].南京理工大学，2009.

[2]韩振.陕西长武高家堡煤矿井筒冻结孔施工工艺[J].科技创业家，2012（13）.

[3]陈自钊.井筒冻结法井筒施工[J].黑龙江科技信息，2013（08）.

作者简介：王贺旗（1984-），男，2008年毕业于中国矿业大学，现任中煤邯郸特殊凿井有限公司冻结项目部技术部长。