楊村煤礦副井井筒凍結斷管原因淺析

摘要：在單位施工的淮南楊村煤礦副井井筒凍結工程中，凍結孔出現了斷管現象，針對其原因從各方面進行了分析。

關鍵詞：凍結管 斷裂 分析

自凍結法鑿井施工在我國應用以來，早期對于較深井筒凍結由于經驗不足，凍結管斷裂現象時有發生。尤其是兩淮地區，膨脹性粘土層厚，地質條件復雜，斷管嚴重。隨著凍結工程的增多，施工經驗越來越豐富，針對各種地層的凍結施工技術也越來越完善，很少再出現凍結管斷裂現象。楊村煤礦副井凍結是中煤邯鄲特殊鑿井有限公司在淮南地區施工的特厚粘土層深井凍結施工。其凍結孔出現了凍結管斷裂現象，認真分析其原因，總結好兩淮地區凍結施工經驗意義重大。

1 工程概況

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楊村鄉，設計年生產能力5.0Mt/a，工業廣場內設主、副、風三個井筒，采用立井開拓，其副井設計井筒凈直徑為7.5m，凍結段最大井壁厚度2.303m，最大井筒荒直徑12.256m，井筒深度1001.9m。井筒沖積層厚度681.05m，其中：第四系底板埋深536.65m，第三系底板埋深681.05m，基巖風化帶底板埋深714.05m。在第四系378.2～398.9m和407.3～445.35m深度段為20.7m和38.05m的兩層特厚砂質粘土層。由于其地質條件復雜，普通法施工困難，為改善施工條件，加快礦井建設速度，業主確定采用凍結法施工。

2 凍結設計方案

井筒設計凍結深度725m，采用三圈孔加防片幫孔凍結方案，其中：防片幫孔采用插花、差異凍結方式，淺孔10個，孔深210m。深孔10個，孔深420m；內圈孔25個，孔深660m；中圈孔采用差異凍結，淺孔26個，孔深687m。深孔26個，孔深725m；外圈孔56個，孔深681m。防片幫孔的作用是起井筒防片幫，降低井幫溫度，減少井幫位移和井筒工作面底鼓量；內圈孔的作用是加強三系上部松軟地層的凍結壁厚度和強度，提高凍結壁的穩定性；中圈孔的作用是加強沖積層的凍結壁厚度和強度，在基巖中達到封止水；外圈孔的作用是確保三系上部松軟地層的凍結壁厚度和強度達到設計要求。凍結壁設計凍結壁厚度，粘土層埋深445.33m控制層凍結壁厚度10m；砂層埋深536.65m控制層凍結壁厚度10.2m；三系上部埋深641.7m控制層凍結壁厚度10.6m。凍結壁平均溫度-18℃。設計凍結鹽水溫度-31～-33℃。

3 凍結施工

楊村煤礦副井凍結站使用三代螺桿機26組，總裝機制冷量4498萬kcal/h。楊村副井凍結站于2012年4月8日開機凍結，凍結122天后正式開挖。至2013年1月4日凍結271天，井筒掘砌至412.95m，粘土層，當時凍結站開機14組，鹽水溫度去路-32℃，回路-30℃。

4 斷管的發生

2013年1月1日掘進407m，開始進入厚38.05m的粘土層段。2013年1月4日井筒掘進至412.95m，由于井幫位移和井筒底鼓量大，發生內、中、外圈15個凍結孔的凍結管斷裂，當日即停止掘進，及時采取井內設置工字鋼和打混凝土封底措施。為保證后續凍結的順利施工，斷管的凍結孔采取下置套管措施和斷管孔恢復運轉后增加管道泵，并在斷管孔周圍的凍結孔加管道泵加大鹽水流量，凍結站積極降低鹽水溫度，井筒采取強化凍結措施。

5 原因分析

5.1 直接原因 ①砂質粘土與粘土的物理性能差異，楊村副井通過的特厚38.05m的粘土層，原地質報告及柱狀圖描述為砂質粘土層，實際揭露的地層為鈣質粘土及鋁質粘土，與原地質資料不符。由于鈣質或鋁質粘土的結合水、薄膜水、自由水難以凍結，結冰點低，凍結后凍脹性、膨脹性大，蠕變性強，遇水崩解等特性，凍土強度低。②井筒凍結發展速度慢，底鼓明顯。楊村副井地層柱狀僅描述的地層為砂類地層和砂質粘土地層，實際揭露的該段粘土層的測溫孔溫度普遍較上下溫度高6～8℃，凍土發展速度為6～9mm/d，砂層發展速度為15～20mm/d。經底鼓量檢測，6小時底鼓量為360mm，之后底鼓量突然加快，40分鐘底鼓量達500-700mm，并有逐漸加快趨勢，隨后及時采取封底停掘措施。由于該地層的特殊性，使凍結壁不足以抵抗水土壓力、膨脹壓力、蠕變應力，因此底鼓速度快，底鼓量大，造成凍結壁變形，使多個凍結管斷裂。

5.2 間接原因 ①凍結管在地層中埋設時間長。正常情況下凍結孔施工完成后，在孔內下置的凍結管與圍巖間有環狀間隙，緊接著制冷凍結后，凍結管有個自身伸縮彈性應變空間，對防止凍結管破壞有利。楊村副井自2009年1月凍結鉆孔施工至2012年4月開機凍結已間隔3年多時間，由于凍結管在地層內埋設時間長，在地壓和水壓的作用下，地層圍抱力擠緊凍結管，引起附加內應力，凍結管沒有伸縮應變力和彈性應變力，造成凍結管縱向拉伸斷裂或剪切斷裂。②掘進速度快，凍結時間不足。副井在開始積極凍結后，所設置的4個水文孔先后均已冒水，說明主要含水層凍結壁已交圈，經測溫孔溫度計算上部凍結壁也有一定的厚度，井筒開始試挖。初期確定的綜合掘進進度為每月60-70m，為給掘進單位創造良好的施工條件，凍結單位合理控制了防片幫孔的流量，鹽水降溫幅度符合設計要求。而在隨后的施工中，掘進單位速度不斷加快，其最高掘進速度甚至達126m/月，當掘進至井深402m處砂層時為-6.5～-8.5℃（符合要求），但結果仍出現底鼓、位移、造成凍結管斷裂。初步認為凍結基本符合設計要求，但后期掘進速度快，凍結時間還是不夠長，這也是其中的一個因素。

6 經驗與教訓

①兩淮地區地層復雜，在凍結施工設計時，應重視其超前變形，加大其凍結壁厚度、強度。②掘進單位與凍結單位密切配合，及時核對地質資料，適時調整掘進方案，并加強凍結，確保掘進安全。③加強特殊地層的井幫溫度和井幫位移、底鼓量的監測，控制掘進段高或掘砌時間，控制井幫位移和底鼓不超限值。④加強鹽水箱鹽水水位、凍結器流量、凍結器去回路鹽水溫度等有效監控。⑤在施工中要做好防斷管應急準備，隨時關閉凍結孔，將斷管影響到最小。

參考文獻：

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作者簡介：王賀旗（1984-），男，2008年畢業于中國礦業大學，現任中煤邯鄲特殊鑿井有限公司凍結項目部技術部長。