摘要：在單位施工的淮南楊村煤礦副井井筒凍結(jié)工程中，凍結(jié)孔出現(xiàn)了斷管現(xiàn)象，針對(duì)其原因從各方面進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：凍結(jié)管 斷裂 分析

自凍結(jié)法鑿井施工在我國應(yīng)用以來，早期對(duì)于較深井筒凍結(jié)由于經(jīng)驗(yàn)不足，凍結(jié)管斷裂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。尤其是兩淮地區(qū)，膨脹性粘土層厚，地質(zhì)條件復(fù)雜，斷管嚴(yán)重。隨著凍結(jié)工程的增多，施工經(jīng)驗(yàn)越來越豐富，針對(duì)各種地層的凍結(jié)施工技術(shù)也越來越完善，很少再出現(xiàn)凍結(jié)管斷裂現(xiàn)象。楊村煤礦副井凍結(jié)是中煤邯鄲特殊鑿井有限公司在淮南地區(qū)施工的特厚粘土層深井凍結(jié)施工。其凍結(jié)孔出現(xiàn)了凍結(jié)管斷裂現(xiàn)象，認(rèn)真分析其原因，總結(jié)好兩淮地區(qū)凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)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(tái)縣楊村鄉(xiāng)，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力5.0Mt/a，工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)設(shè)主、副、風(fēng)三個(gè)井筒，采用立井開拓，其副井設(shè)計(jì)井筒凈直徑為7.5m，凍結(jié)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(fēng)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(zhì)粘土層。由于其地質(zhì)條件復(fù)雜，普通法施工困難，為改善施工條件，加快礦井建設(shè)速度，業(yè)主確定采用凍結(jié)法施工。

2 凍結(jié)設(shè)計(jì)方案

井筒設(shè)計(jì)凍結(jié)深度725m，采用三圈孔加防片幫孔凍結(jié)方案，其中：防片幫孔采用插花、差異凍結(jié)方式，淺孔10個(gè)，孔深210m。深孔10個(gè)，孔深420m；內(nèi)圈孔25個(gè)，孔深660m；中圈孔采用差異凍結(jié)，淺孔26個(gè)，孔深687m。深孔26個(gè)，孔深725m；外圈孔56個(gè)，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(nèi)圈孔的作用是加強(qiáng)三系上部松軟地層的凍結(jié)壁厚度和強(qiáng)度，提高凍結(jié)壁的穩(wěn)定性；中圈孔的作用是加強(qiáng)沖積層的凍結(jié)壁厚度和強(qiáng)度，在基巖中達(dá)到封止水；外圈孔的作用是確保三系上部松軟地層的凍結(jié)壁厚度和強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。凍結(jié)壁設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度，粘土層埋深445.33m控制層凍結(jié)壁厚度10m；砂層埋深536.65m控制層凍結(jié)壁厚度10.2m；三系上部埋深641.7m控制層凍結(jié)壁厚度10.6m。凍結(jié)壁平均溫度-18℃。設(shè)計(jì)凍結(jié)鹽水溫度-31～-33℃。

3 凍結(jié)施工

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

4 斷管的發(fā)生

2013年1月1日掘進(jìn)407m，開始進(jìn)入厚38.05m的粘土層段。2013年1月4日井筒掘進(jìn)至412.95m，由于井幫位移和井筒底鼓量大，發(fā)生內(nèi)、中、外圈15個(gè)凍結(jié)孔的凍結(jié)管斷裂，當(dāng)日即停止掘進(jìn)，及時(shí)采取井內(nèi)設(shè)置工字鋼和打混凝土封底措施。為保證后續(xù)凍結(jié)的順利施工，斷管的凍結(jié)孔采取下置套管措施和斷管孔恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)后增加管道泵，并在斷管孔周圍的凍結(jié)孔加管道泵加大鹽水流量，凍結(jié)站積極降低鹽水溫度，井筒采取強(qiáng)化凍結(jié)措施。

5 原因分析

5.1 直接原因 ①砂質(zhì)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(zhì)報(bào)告及柱狀圖描述為砂質(zhì)粘土層，實(shí)際揭露的地層為鈣質(zhì)粘土及鋁質(zhì)粘土，與原地質(zhì)資料不符。由于鈣質(zhì)或鋁質(zhì)粘土的結(jié)合水、薄膜水、自由水難以凍結(jié)，結(jié)冰點(diǎn)低，凍結(jié)后凍脹性、膨脹性大，蠕變性強(qiáng)，遇水崩解等特性，凍土強(qiáng)度低。②井筒凍結(jié)發(fā)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(zhì)粘土地層，實(shí)際揭露的該段粘土層的測(cè)溫孔溫度普遍較上下溫度高6～8℃，凍土發(fā)展速度為6～9mm/d，砂層發(fā)展速度為15～20mm/d。經(jīng)底鼓量檢測(cè)，6小時(shí)底鼓量為360mm，之后底鼓量突然加快，40分鐘底鼓量達(dá)500-700mm，并有逐漸加快趨勢(shì)，隨后及時(shí)采取封底停掘措施。由于該地層的特殊性，使凍結(jié)壁不足以抵抗水土壓力、膨脹壓力、蠕變應(yīng)力，因此底鼓速度快，底鼓量大，造成凍結(jié)壁變形，使多個(gè)凍結(jié)管斷裂。

5.2 間接原因 ①凍結(jié)管在地層中埋設(shè)時(shí)間長(zhǎng)。正常情況下凍結(jié)孔施工完成后，在孔內(nèi)下置的凍結(jié)管與圍巖間有環(huán)狀間隙，緊接著制冷凍結(jié)后，凍結(jié)管有個(gè)自身伸縮彈性應(yīng)變空間，對(duì)防止凍結(jié)管破壞有利。楊村副井自2009年1月凍結(jié)鉆孔施工至2012年4月開機(jī)凍結(jié)已間隔3年多時(shí)間，由于凍結(jié)管在地層內(nèi)埋設(shè)時(shí)間長(zhǎng)，在地壓和水壓的作用下，地層圍抱力擠緊凍結(jié)管，引起附加內(nèi)應(yīng)力，凍結(jié)管沒有伸縮應(yīng)變力和彈性應(yīng)變力，造成凍結(jié)管縱向拉伸斷裂或剪切斷裂。②掘進(jìn)速度快，凍結(jié)時(shí)間不足。副井在開始積極凍結(jié)后，所設(shè)置的4個(gè)水文孔先后均已冒水，說明主要含水層凍結(jié)壁已交圈，經(jīng)測(cè)溫孔溫度計(jì)算上部?jī)鼋Y(jié)壁也有一定的厚度，井筒開始試挖。初期確定的綜合掘進(jìn)進(jìn)度為每月60-70m，為給掘進(jìn)單位創(chuàng)造良好的施工條件，凍結(jié)單位合理控制了防片幫孔的流量，鹽水降溫幅度符合設(shè)計(jì)要求。而在隨后的施工中，掘進(jìn)單位速度不斷加快，其最高掘進(jìn)速度甚至達(dá)126m/月，當(dāng)掘進(jìn)至井深402m處砂層時(shí)為-6.5～-8.5℃（符合要求），但結(jié)果仍出現(xiàn)底鼓、位移、造成凍結(jié)管斷裂。初步認(rèn)為凍結(jié)基本符合設(shè)計(jì)要求，但后期掘進(jìn)速度快，凍結(jié)時(shí)間還是不夠長(zhǎng)，這也是其中的一個(gè)因素。

6 經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)

①兩淮地區(qū)地層復(fù)雜，在凍結(jié)施工設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重視其超前變形，加大其凍結(jié)壁厚度、強(qiáng)度。②掘進(jìn)單位與凍結(jié)單位密切配合，及時(shí)核對(duì)地質(zhì)資料，適時(shí)調(diào)整掘進(jìn)方案，并加強(qiáng)凍結(jié)，確保掘進(jìn)安全。③加強(qiáng)特殊地層的井幫溫度和井幫位移、底鼓量的監(jiān)測(cè)，控制掘進(jìn)段高或掘砌時(shí)間，控制井幫位移和底鼓不超限值。④加強(qiáng)鹽水箱鹽水水位、凍結(jié)器流量、凍結(jié)器去回路鹽水溫度等有效監(jiān)控。⑤在施工中要做好防斷管應(yīng)急準(zhǔn)備，隨時(shí)關(guān)閉凍結(jié)孔，將斷管影響到最小。

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作者簡(jiǎn)介：王賀旗（1984-），男，2008年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任中煤邯鄲特殊鑿井有限公司凍結(jié)項(xiàng)目部技術(shù)部長(zhǎng)。