巨厚表土層條件下井筒凍結管斷裂的影響因素及預防

摘要：深井凍結管斷裂的防治是一個長期困擾凍結井筒施工的問題，口孜東礦井深超過千米，煤系地層上覆巨厚、富含水松散層，三井井筒在松散層前期施工中多次發生凍結管斷裂事故，通過認真分析研究，采取有效應對措施，在后期施工中基本控制了凍結管斷裂事故的發生，保證了井筒安全順利施工，也為類似條件下的井筒建設提供了寶貴的經驗。

關鍵詞：千米井筒 巨厚表土層 凍結管斷裂原因及預防

口孜東礦井深超過千米，井筒附近覆蓋于煤系地層上方的新生界松散層厚569.8-575.5m，其中粉、細、中砂及礫石層累厚268.4-309.5m，占表土段厚度的47-54%，屬深厚、富含水松散層，流沙層厚且富含水。該礦主、副、風井筒均采用凍結法施工，三井井筒凈直徑7.5-8.0m，井壁厚度1.1-2.55m，最大掘進直徑14.8m，凍結深度617-737m，井深1005-1050m。口孜東礦是當時國內穿過松散層最厚、井筒最深、直徑最大的井筒。

1 問題的提出

三井井筒在松散層前期施工中曾多次發生凍結鉆孔中冷凍套管斷裂、潰冷凍鹽水事故，最大冷凍鹽水泄露量70 m3，多次造成井筒停掘，對工程進度造成較大影響。為保證工程安全順利進行，必須認真分析斷裂影響因素，采取有效措施，盡量減少凍結管斷裂及對施工的影響。

2 井筒凍結施工方式

2.1 凍結孔布置方式

口孜東礦井筒凍結方式設計為：外排孔+中排孔+內排孔+防片孔凍結方式。

防片孔主要作用為470m以上防片幫，深孔深度為470m，淺孔深度為220m。內排孔主要作用為上部降低凍結壁平均溫度、470m以下降低井幫溫度、防底鼓，凍結深度為569m。外排孔主要作用為增加凍結壁厚度、降低凍結壁平均溫度、增大凍結壁穩定性，即362m以上采取隔溫措施，362m以下進行凍結，凍結深度為578m。中排孔為主凍結孔，主要作用為保證凍結壁厚度，降低凍結壁平均溫度，深孔深度為737m，淺孔深度為608m，其中深孔起基巖段封水作用。

2.2 凍結套管及供液管型號

凍結管選用大口徑厚壁凍結管，優點是增加凍結管的強度、抗變形能力及為處理事故創造條件。

2.2.1 外排凍結管：局部凍結段以上采用Ф168×7mm低碳鋼無縫鋼管，內管箍焊聯接，內下雙Ф62×5mm聚乙烯塑料軟管；局部凍結段以下采用Ф149×8mm低碳鋼無縫鋼管，內管箍對焊聯接，內下Ф62×5mm聚乙烯塑料軟管。

2.2.2 中排凍結管：選用Ф159×7-8mm低碳鋼無縫鋼管（350m以上選用Ф159×7mm低碳鋼無縫鋼管，350m以下選用Ф159×8mm低碳鋼無縫鋼管），內管箍對焊聯接，內下Ф75×6mm聚乙烯塑料軟管。

2.2.3 內排凍結管:選用Ф159×7-8mm低碳鋼無縫鋼管（400m以下選用Ф159×8mm低碳鋼無縫鋼管），內管箍對焊聯接。管內下放Ф75×6mm聚乙烯塑料軟管。

2.2.4 防片孔凍結管：選用Ф159×7mm低碳鋼無縫鋼管，內管箍對焊聯接，內下Ф75×6mm聚乙烯塑料軟管。

3 井筒凍結管斷裂情況

2007年9月10 日至12月2日三井共發生17次冷凍管斷裂事故，其中主井10 次、副井4次、風井3次，直接影響井筒凍結效果。

4 井筒凍結管斷裂影響因素分析

4.1 凍結管斷裂外在原因分析

4.1.1 井筒凍結管斷裂外界影響因素

井筒外排孔距井中15.4-16.7m，中排孔距井中11.8-13.2m，內排孔距井中8.7-9.5m，防片孔距井中6.3-7.8m，統計數據表明發生凍結管斷裂的凍結鉆孔全部位于內排以內，其中內排孔10 個（深度575m），防片孔1個（深度470m），是距離井幫最近又最深的凍結孔，而距離較遠的中排、外排凍結孔均未發生斷裂現象，所有斷裂的凍結孔都是距施工井壁3.5m以內的較深孔。據此可知：達到一定深度后受地應力和凍脹力的作用，凍結管距井筒施工地點越近越容易誘發斷裂，井筒施工破壞凍結管四周壓力平衡是引發凍結管斷裂的主要因素。

4.1.2 松散層凍脹力作用

為了分析方便，可將松散層中凍脹力簡單的分為縱向凍脹力和橫向凍脹力。

縱向凍脹力：統計數據表明三井的凍結管斷裂深度在257.0-474.5m之間，絕大多數在400m以下松散層中，在此深度以下破壞影響力增大，斷裂層位正好位于第四松散層第三含水層（257.0-322.0m）和第三隔水層段（430.0-474.5m）。

第三含水層段在-15℃以下的條件下，含水層和套管凍結在一起時，含水層的膨脹率遠大于套管的膨脹率，使套管強力拉伸，當達到極限時凍結管就發生拉伸斷裂。

第三隔水層段在-15℃以下的條件下，粘土層或砂質粘土層的抗壓強度平均在3.4~3.95MPa，凍結后的中、細砂層的抗壓強度平均在5.46~6.67MPa，粘土層或砂質粘土層的抗壓強度普遍偏低，埋藏較深的部分土層蠕變量較大，致使凍結壁的強度偏低和穩定性偏差，對凍結管的影響較大，易使凍結管壓裂。

橫向凍脹力：井筒鑿掘期間，大量凍結的松散土層被取出后，使凍結壁內部凍脹應力釋放，原有的平衡被打破。凍結土層在凍脹應力的作用下產生較緩慢的形變，致使凍結管發生彎曲斷裂。

在凍結土層中所做的12份凍脹力試驗中凍脹力、凍脹率不盡相同，不同成分粘土層之間即使是成分比較相近的粘土層之間也存在較大的差異性。同樣為鈣質粘土的凍脹力、凍脹率差別較大，由于“凍脹應力”的差異性使凍結管受力不均變形趨向嚴重，當達到凍結管受力極限時，凍結管就會發生斷裂。

4.1.3 井筒施工期間溫度效應

井筒在鑿砌形成空間后，凍結的荒掘斷面暴露在外，風機將大量空氣送到井下，特別是在春、夏、秋季節，地面與井下溫度差異較大，長期通風使井壁溫度升高，形成凍結層里外溫差較大，井筒中心地帶溫度高，凍結層里溫度低，使四周凍結管受力向井筒中心彎曲，同時還存在各自的差異性，當超過凍結管彎曲受力強度時，從而發生凍結管斷裂，特別是在松散層的四個“含水層”處這種問題更為突出。

4.1.4 井筒變徑影響

風井的3次斷裂均發生在變徑處向下8~32m處，副井的3次斷裂均發生在井壁5.3~81.5m處的增厚段，主井的4次斷裂均發生在井壁4~22m處的增厚段，說明井筒變徑、井壁變厚施工對凍結管斷裂有一定影響。

4.1.5 井筒施工期間凍結井筒之間相互影響

主井和副井中心之間距離137.9m，井壁之間距離125m，外排凍結孔之間距離105.75m，主井和風井中心之間距離136m，井壁之間距離123.3m，外排凍結孔之間距離104.9m，主井斷裂凍結孔都在西邊（偏南）的方向，副井斷裂凍結孔都在東邊的方向，風井斷裂凍結孔都在東南的方向，均為井筒距另兩個井筒最近的方向。

主井和副井凍結圈距離較近，相互影響也較大，兩井的施工互相影響大，斷裂凍結孔在兩井之間較多；主井和風井凍結圈距離較近，相互影響也較大，兩井的施工進度差別較大，由于相互影響，斷裂凍結孔大都在兩井之間；由于風井和副井相距較遠，主井受副井、風井的影響比副井和風井之間影響要大的多。

4.2 凍結管斷裂內在原因分析

4.2.1 低溫影響

凍結管的材質一般為低碳鋼無縫鋼管加工而成，在零度以下和松散層固結后，長期在-15~-30℃的低溫條件下，凍結管在部分地段長期處于強拉伸狀態和壓縮狀態，加之碳素鋼材質相對變脆，凍結管強度降低，容易發生斷裂。

4.2.2 凍結管接口焊接質量影響

凍結管是由6~8m長管一節節焊接后下入地下鉆孔內的，如果按照7m計算，一個井筒凍結管的總長度約為94488.0m，大約有13500個接頭，靠人工操作難以確保不出現任何質量問題，給接頭開焊留下了隱患。

5 井筒凍結管斷裂預防措施

5.1 合理選擇掘砌段高度和井幫施工時間

在第四系巨厚松散層中掘進，井筒段高和暴露時間是關鍵性因素。合理選擇掘砌段高度，及時調整井幫暴露時間，能夠減小凍結壁變形量，減少影響井筒凍結管斷裂因素。

5.2 增加內排水凍結管與施工井壁距離

三井井壁距凍結管的水平距離為2.0~2.85m，其中防片孔距離為2.0m，內排凍結孔的距離為2.275~2.875m。在巨厚表土層中，為減少井筒施工產生的凍結壁變形量，對凍結壁內凍結孔的破壞作用，可適當增加內排凍結管與施工井壁設計水平距離，即在條件許可的情況下適當增大凍結圈的范圍，可有效防止凍結管斷裂。

5.3 提高凍結管接口焊接質量

選擇技術高超的焊工操作，加強焊接處的工序檢查工作，上一道工序沒有驗收不準進入到下一道工序的施工。焊接過程中使用先進的焊接質量探測儀器，認真做好現場質量監督，確保焊接質量。

5.4 減少井筒凍結圈的相互影響

為減少井筒凍結圈的相互影響，消除井筒凍結圈凍脹力對相鄰井筒凍結管的破壞作用。在礦井設計時可考慮適當增加主井與副井、主井與風井之間距離，減少井筒凍結圈凍脹力相互作用，以防止井筒凍結圈內凍結管的斷裂。

6 結論

6.1 引起凍結管斷裂的因素有很多，可認為是在綜合因素下共同作用發生的。在各種因素中，主要有凍脹力、施工方法、凍結溫度、松散層性質與組合等，但在不同的地質及施工條件下某個階段可能有一至二個因素起主導作用。

6.2 口孜東礦凍結管斷裂鉆孔全部位于內排孔以內，施工時可對預計可能很少發生凍結管斷裂的外排孔適當減小套管直徑，減少打鉆和套管成本；在預計內排孔和防片孔區域內某些可能發生斷裂的可前提采取針對性治理方案，如增大套管直徑，便于損毀凍結管重新下套管和塑料軟管，為處理事故創造條件，使補救措施施工更有成效，較快恢復已損壞凍結管的運轉，確保井筒安全順利施工。

6.3 深井凍結管斷裂的防治是一個長期困擾凍結井筒施工的問題，通過認真分析研究，采取有效應對措施，在三井后期施工中基本控制了凍結管斷裂事故的發生，保證了井筒安全順利施工，也為類似條件下的井筒建設提供了寶貴的經驗。