寒冷地區(qū)基建礦井井筒結(jié)冰的危害及預(yù)防措施

苗耀龍

(通化鋼鐵集團(tuán)樺甸礦業(yè)有限責(zé)任公司)

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寒冷地區(qū)基建礦井井筒結(jié)冰的危害及預(yù)防措施

苗耀龍

(通化鋼鐵集團(tuán)樺甸礦業(yè)有限責(zé)任公司)

我國(guó)北方地區(qū)冬季氣溫較低，當(dāng)?shù)V井基建施工進(jìn)入冬季，進(jìn)風(fēng)井溫度低于 0 ℃,且井壁有淋水時(shí)，井筒會(huì)產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。井筒結(jié)冰不僅會(huì)影響基建施工進(jìn)度，還對(duì)施工人員及井筒內(nèi)設(shè)施的安全帶來極大威脅。以通化鋼鐵集團(tuán)樺甸礦業(yè)公司基建礦井施工為例，對(duì)基建礦井井筒結(jié)冰的原因、預(yù)防措施及井筒結(jié)冰后除冰和應(yīng)急措施進(jìn)行了探討。

寒冷地區(qū)基建礦井井筒結(jié)冰危害預(yù)防

在寒冷的冬季，我國(guó)北方高緯度地區(qū)礦井都會(huì)出現(xiàn)不同程度的井筒結(jié)冰，尤其是在礦井基建期間，未形成供暖系統(tǒng)和穩(wěn)定的通風(fēng)系統(tǒng)。當(dāng)基建施工進(jìn)入冬季以后，氣溫急速下降，如果入風(fēng)井筒未提前采取有效的防凍措施，井筒淋水會(huì)在井壁、罐梁罐道、提升容器、梯子間、電纜、水管等處結(jié)冰。井筒結(jié)冰后，一方面使井筒提升受限，影響正常的基建進(jìn)度；另一方面還可引起卡罐、防墜保險(xiǎn)失靈等, 嚴(yán)重時(shí)大塊冰塌落, 造成井筒設(shè)施損壞和人員傷亡的重大事故, 影響礦井安全建設(shè)。

1　井筒結(jié)冰的危害

(1)井筒結(jié)冰導(dǎo)致提升容器與井壁間的安全距離變小，致使提升容器與井壁冰層產(chǎn)生摩擦，甚至發(fā)生卡罐，導(dǎo)致提升受阻。

(2)井筒內(nèi)梯子間結(jié)冰，堵塞安全出口，緊急情況下，井下人員無法安全升井。

(3)井筒內(nèi)提升鋼絲繩、提升容器連接裝置結(jié)冰，強(qiáng)度降低，安全系數(shù)不能得到保證，存在安全隱患；沿井筒敷設(shè)的供電及通訊電纜表面結(jié)冰，隨著冰層加厚，致使電纜支架斷裂、電纜拉斷，造成井下供電和通訊中斷，嚴(yán)重影響礦井的安全建設(shè)。

(4)井筒內(nèi)提升設(shè)施的防墜器結(jié)冰，導(dǎo)致抓捕機(jī)構(gòu)動(dòng)作不靈活或失效，一旦鋼絲繩或罐籠連接裝置斷裂，防墜器不能可靠抓捕 ，將導(dǎo)致墜罐事故。

(5)井筒結(jié)冰的最大危害是在氣溫回暖結(jié)冰融化時(shí)，井壁以及井筒裝備上的冰層會(huì)突然垮落，輕則造成井筒裝備損壞，重則造成斷繩、提升容器墜落，造成人身傷亡事故和巨大經(jīng)濟(jì)損失[1]。

(6)井筒或井筒內(nèi)設(shè)施一旦結(jié)冰，除冰工作難度很大，井筒內(nèi)的除冰工作屬于高空作業(yè)，稍有不慎可能發(fā)生跌傷或墜井事故；除冰時(shí)的落冰可能砸壞井筒內(nèi)已敷設(shè)好的電纜、管路等設(shè)施。

2　礦井結(jié)冰案例分析

礦井結(jié)冰必須具備兩個(gè)條件：水源和溫度低于0 ℃以下的冷空氣。北方高緯度地區(qū)冬季最低氣溫均在0 ℃以下，甚至更低，而礦井井筒一般都要穿過地下或大或小的含水層，井壁淋水是不可避免的。因此，井壁淋水遭遇溫度低于0 ℃的冷空氣，就會(huì)在井壁、罐梁罐道、提升容器以及管路和電纜表面結(jié)冰。

對(duì)于基建期的礦井來說，自然風(fēng)壓對(duì)于井筒結(jié)冰也起到了關(guān)鍵作用，自然風(fēng)壓可以使原本已做好的防凍措施失效。礦井基建期，當(dāng)主、副、風(fēng)井貫通后，井筒裝備時(shí)間長(zhǎng)，期間均采用臨時(shí)性的供暖和防凍措施，在未安裝永久通風(fēng)機(jī)之前，主要是以自然風(fēng)壓為主形成的臨時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)。自然風(fēng)壓是礦井客觀存在的一種自然通風(fēng)現(xiàn)象，隨著季節(jié)和溫度的變化，進(jìn)回風(fēng)井空氣密度也隨之變化，此時(shí)自然風(fēng)壓對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的作用越來越明顯，繼而會(huì)造成井筒反風(fēng)，日夜溫差大的地區(qū)，在一天內(nèi)也往往會(huì)出現(xiàn)反風(fēng)[2]，從而造成通風(fēng)系統(tǒng)紊亂。通風(fēng)系統(tǒng)的不受人為控制性，加之井筒淋水和低溫作用，致使井筒結(jié)冰。

(1)通化鋼鐵集團(tuán)樺甸礦業(yè)有限責(zé)任公司大西溝東山二區(qū)，采用主副井開拓方式，中央對(duì)角式通風(fēng)，副井進(jìn)風(fēng)、兩翼風(fēng)井回風(fēng)，主副井及東風(fēng)井標(biāo)高460m、西風(fēng)井標(biāo)高426m。當(dāng)?shù)V山完成了主副井與西風(fēng)井的貫通之后，形成主副井進(jìn)風(fēng)、西風(fēng)井出風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)，但礦井在繼續(xù)基建時(shí)已進(jìn)入冬季，由于西風(fēng)井井口標(biāo)高低于主副井井口標(biāo)高，自然風(fēng)壓的作用造成井筒反風(fēng)，寒冷的風(fēng)流從西風(fēng)井進(jìn)入、副井排出，造成西風(fēng)井井壁結(jié)冰，而原本副井已做好的防冰措施未能發(fā)揮作用。

(2)通化鋼鐵集團(tuán)樺甸礦業(yè)有限責(zé)任公司小葦廈子鐵礦，采用主副井開拓方式，中央對(duì)角式通風(fēng)，副井進(jìn)風(fēng)、兩翼風(fēng)井回風(fēng)，主井標(biāo)高460m、副井標(biāo)高450m。工程于2010年7月開工，2011年6月主、副井貫通后進(jìn)行副井井筒的永久裝備，井下其他掘進(jìn)工程經(jīng)措施巷道、主井吊桶提升。進(jìn)入冬季，由于副井標(biāo)高低于主井10m，自然風(fēng)壓造成副井進(jìn)風(fēng)，主井出風(fēng)，當(dāng)時(shí)井口供暖設(shè)施沒有完成，由于溫度驟降，井筒內(nèi)迅速結(jié)冰，而副井淋水點(diǎn)在井筒中部未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，最終導(dǎo)致大面積結(jié)冰，局部區(qū)域還出現(xiàn)了卡罐現(xiàn)象。井筒內(nèi)罐梁、罐道、梯子間、風(fēng)水管路、電纜均掛著厚厚的冰層，除冰工作難度非常大，花費(fèi)大量的人力物力，經(jīng)過近2個(gè)月的時(shí)間才徹底清除井筒凍冰及再次結(jié)冰的問題。2012年10月，開始進(jìn)行主井的永久裝備，將副井井架用彩鋼瓦保溫封閉，將副井井筒接高20m，自然風(fēng)壓的作用使風(fēng)流從主井進(jìn)入、副井排出，此時(shí)副井保溫房及保溫設(shè)施已竣工，但副井井口熱風(fēng)不能克服自然風(fēng)壓，導(dǎo)致主井井筒結(jié)冰，由于主井裝備尚未完成，井筒提升仍然用吊桶，φ5.2m的井筒除冰極為困難。該礦主、副井先后凍井，均是由于寒冷冬季自然風(fēng)壓作用及經(jīng)驗(yàn)不足、提前預(yù)防措施不到位所致。

3　井筒結(jié)冰的處理

根據(jù)基建期井筒除冰和應(yīng)急措施的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提出井筒結(jié)冰的處理措施：①制定除冰應(yīng)急預(yù)案，以便結(jié)冰后及時(shí)應(yīng)對(duì)；②發(fā)現(xiàn)井筒有結(jié)冰跡象或輕度結(jié)冰時(shí)，緊急購(gòu)進(jìn)臨時(shí)塔衣和熱風(fēng)幕，給井架穿好塔衣并將熱風(fēng)幕固定在井口，提高井筒的進(jìn)風(fēng)溫度，在結(jié)冰不嚴(yán)重時(shí)，可有效解決井筒結(jié)冰問題；③除冰作業(yè)一般選在白天作業(yè)，在氣溫較低的夜間，提升機(jī)需定時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，安排專人不間斷巡查結(jié)冰情況，必要時(shí)先簡(jiǎn)單處理，確保提升容器與井壁冰層間有一定距離，保證白天除冰時(shí)提升容器的正常運(yùn)行；④除冰時(shí)作業(yè)人員站在罐籠頂或吊桶內(nèi)，其上部掛上保險(xiǎn)傘，由上至下清理冰塊，除冰人員一定要系好保險(xiǎn)繩，必要時(shí)做多重保險(xiǎn)，以防井筒內(nèi)突然大面積落冰產(chǎn)生巨大沖擊波，導(dǎo)致人員受沖擊發(fā)生墜井事故；⑤井筒內(nèi)有電纜時(shí)，除冰需要輕敲破冰，確保不損壞電纜，并有專人在下方用桶接住落冰并裝入編織袋內(nèi)，切忌大面積破冰，以免掉下砸壞井筒下部電纜和其他設(shè)施。

4　井筒結(jié)冰的預(yù)防措施

根據(jù)《采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定[3]，結(jié)合礦井風(fēng)壓變化特點(diǎn)，提出以下預(yù)防措施：

(1)有結(jié)冰危害的礦井，基建期在井口必須安裝空氣加熱裝置，人工調(diào)節(jié)入井空氣的流速與溫度，使自然風(fēng)壓和入風(fēng)溫度控制在合理范圍。冬季低溫時(shí)，在進(jìn)風(fēng)井設(shè)置臨時(shí)井口房，設(shè)置空氣加熱室，加熱后的混合空氣進(jìn)入井下[4]。此加熱方式熱量損失大，但系統(tǒng)簡(jiǎn)單，因此基建礦井常采用此方法。

(2)治理井筒淋水也是防止井筒結(jié)冰的有效措施。目前各種堵水技術(shù)已相對(duì)成熟，用各種方法和材料(如水泥、水玻璃、化學(xué)漿液、高分子化學(xué)注漿材料等)堵塞井筒內(nèi)滲水點(diǎn)，可以有效避免井筒淋水及結(jié)冰。

(3)新設(shè)計(jì)礦井在選擇開拓方案、擬定通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮利用地形和當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，使全年大部分時(shí)間內(nèi)自然風(fēng)壓作用的方向與機(jī)械通風(fēng)風(fēng)壓的方向一致，以便利用自然風(fēng)壓，并利用預(yù)先建立的防凍措施，不致于發(fā)生突發(fā)凍井。

(4)礦井基建時(shí)期，適當(dāng)調(diào)整巷道施工順序，不斷優(yōu)化和完善礦井通風(fēng)系統(tǒng)。要因地制宜、因時(shí)制宜地控制和利用自然風(fēng)壓通風(fēng)，如在表土施工階段可利用自然通風(fēng)，在主副井與風(fēng)井貫通之后，有時(shí)也可利用自然通風(fēng)。有時(shí)需要人工調(diào)整進(jìn)、回風(fēng)井內(nèi)空氣的溫差，采取增設(shè)熱風(fēng)幕、電暖氣，設(shè)置局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)調(diào)節(jié)。有條件時(shí)還可利用鉆孔構(gòu)成回路進(jìn)行調(diào)節(jié)，穩(wěn)定通風(fēng)系統(tǒng)，避免因通風(fēng)系統(tǒng)紊亂造成的井筒凍害。

(5)增設(shè)臨時(shí)風(fēng)門，在主要的進(jìn)風(fēng)巷道或主副井聯(lián)絡(luò)巷道內(nèi)設(shè)置風(fēng)門，風(fēng)門上留設(shè)風(fēng)窗，結(jié)冰季節(jié)關(guān)閉風(fēng)門并利用風(fēng)窗調(diào)節(jié)風(fēng)流大小，在滿足井下生產(chǎn)需風(fēng)量的同時(shí)，降低井筒進(jìn)風(fēng)量，提高進(jìn)風(fēng)流溫度[5]。

5　結(jié)　語(yǔ)

礦井基建期井筒冬季結(jié)冰問題是我國(guó)北方寒冷地區(qū)礦井面臨的共性問題，為避免冬季井筒結(jié)冰，需要礦山專業(yè)人員從控溫、堵水、優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)等方面認(rèn)真研究，應(yīng)根據(jù)自身?xiàng)l件，因地制宜，選擇適合的方法，尤其值得注意的是自然風(fēng)壓的影響。只要對(duì)具體情況認(rèn)真分析，提前做好應(yīng)對(duì)措施，可以避免井筒凍冰事故。

[1]劉志峰.礦井井筒結(jié)冰對(duì)礦井的危害及預(yù)防措施[J].礦業(yè)論壇科技信息，2012(13)：412-412.

[2]蔣增京.自然風(fēng)壓對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的影晌[J].河北煤炭,2003(5)：3.

[3]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50830—2013冶金礦山采礦設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2013.

[4]崔云龍.簡(jiǎn)明建井手冊(cè) [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2003.

[5]張國(guó)樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2000.

2016-03-22)

苗耀龍(1982—)，男，工程師，132409 吉林省吉林市樺甸市夾皮溝鎮(zhèn)錦山村。