井筒冻结（精选7篇）
井筒冻结 篇1
摘要：通过对近十年来冻结法凿井的冻结设计理论和工程实例进行分析总结, 认为我国华东地区冲积层厚度超过400 m厚的冻结设计缺少统一的理论指导和大量的实验研究, 造成方案设计五花八门, 冻结管断裂时有发生。因此, 只有通过精心冻结设计, 严格的施工过程控制, 才能实现不断裂冻结管和冻结施工安全, 确保井筒安全、快速、连续施工。
关键词：深厚冲积层,冻结管断裂,冻结设计,冻结管焊接
0 引言
我国从1955年首次应用地层冻结技术成功开凿了开滦矿林西风井以来, 计施工了470个立井井筒, 累计冻结总深度达75 km。实践表明:冻结法已成为我国解决深厚冲积层凿井困难的最主要特殊施工方法。应当指出, 随着冲积层厚度的增大, 地压和水压增大, 地温升高, 特别是深部粘土层的冻土扩展速度慢和强度低, 冻结壁的蠕变位移大, 对冻结凿井产生不利的影响, 成为导致冻结管断裂、井壁破裂、井筒漏水的主要原因, 轻则延长工期和增加工程造价, 重则导致透水淹井和危及施工安全, 造成重大损失。国内、外冻结凿井资料表明, 在深厚粘土层中都存在较为严重的冻结管断裂问题, 因此搞好深厚冲积层的冻结设计具有重要的意义。
1 深厚冲积层地层特点及冻结管断裂的主要原因
深厚冲积层的地层特点:华东地区的深厚冲积层具有第三系厚度大, 粘性土层多且单层厚度大、埋藏深度大、含水量低和呈半固结状、固结状等特点, 另根据土工试验数据、冻土抗压强度试验数据和冻土蠕变试验数据分析得出第三系深部粘土层普遍结冰点低、冻土抗压强度低、蠕变特性显著均对冻结凿井产生不利的影响。
根据分析, 深厚粘土层中冻结管断裂的主要原因有: (1) 冻结壁的有效厚度和有效强度未能满足强度条件和变形条件的要求; (2) 粘土层的埋藏深度大, 地压大, 起始冻结温度低, 承压能力小, 蠕变特性显著, 易于产生径向位移; (3) 掘砌段高大, 冻结壁裸露时间长, 位移大, 使冻结管处在冻结壁的塑性变形区内工作; (4) 冻结管材脆化温度转化点高, 低温韧性差, 管接头抗弯密封性能差。
2 合理的冻结设计是防止冻结管断裂的前提
2.1 冻结深度的确定
《矿山井巷工程施工及验收规范》第4.2.2条规定, 立井井筒的冻结深度必须深入不透水的稳定岩层10 m以上。当基岩下部30 m左右仍有含水岩层时, 应延深冻结深度, 并宜采用差异冻结法施工。根据国内深井冻结的实践经验, 冻结进入不透水基岩的深度宜考虑下列因素: (1) 钻孔提供的风化带深度与井筒横断面实际穿过的风化带最大深度之间的误差, 一般取2 m; (2) 钻孔偏斜或钻杆弯曲以及泥浆沉淀等造成下冻结管深度的减少, 按冲积层深度1%估算; (3) 冻结段底部采用爆破时要考虑爆破对冻土松动范围的影响, 按爆破松动圈实测范围1.2～1.8 m分析取值; (4) 《矿山井巷工程施工及验收规范》第4.2.26规定, 冻结法施工的井筒, 冻结段的掘砌深度应比井筒的冻结深度浅5～8 m。
2.2 冻结壁厚度的设计
2.2.1 设计指导思想
(1) 冻结壁既能满足强度条件又能满足变形条件的要求;
(2) 运用冻结壁的有效厚度、有效平均温度、有效强度等概念, 严格控制冻结孔的终孔间距和内侧径向偏值, 积极冻结期和维持冻结期实行全过程低温冻结, 确保深部冻结壁的有效厚度、有效强度和稳定性;
(3) 选取埋深最大的砂性土层和厚粘性土层作为冻结壁强度设计和稳定性验算的控制地层;
(4) 坚持冻结段不间断地施工的原则, 协调好冻结与掘砌的关系, 在确保安全条件下加快掘砌速度, 实现稳进高速;
(5) 坚持外层井壁短段掘砌, 严格控制冻结壁的裸露时间和径向位移, 使冻结管处在冻结壁的弹性变形区内。
2.2.2 厚度设计公式的选取
根据国内深厚冲积层冻结壁设计经验, 砂性土层和粘性土层分别按强度条件和变形条件的理论公式计算。基本上是取最大埋深的砂性土层, 按多姆克的无限长弹塑性厚壁筒公式计算冻结壁厚度。
E=R{0.29×P÷[K]+2.3× (P÷[K]) 2}
式中E—按强度条件计算的冻结壁厚度, m;
R—井筒掘进半径, m;
P—计算水平的地压, MPa;
K—砂性土层的冻土计算强度, MPa。
2.2.3 厚度计算基本参数的优选
设计控制地层一般取冲积层底部具有代表性的主要砂性和粘性土层;设计控制地层的地压值一律按悬浮体理论计算;冻结盐水温度一般选取较低的盐水温度在-32℃～-34℃之间。
2.2.4 冻结壁平均温度计算
冻结壁平均温度是确定冻土强度的基本依据, 它主要取决于冻结壁厚度、冻结盐水温度、冻结孔间距、井帮冻土温度诸因素。根据《冻结法施工》等多年的试验实测研究, 提出深厚冲积层冻结壁有效厚度的平均温度等于按冻结壁0边界线计算的平均温度值与井帮冻土温度对冻结壁有效厚度的平均温度影响值之和。
式中tc—按冻结壁有效厚度计算的平均温度, ℃;
toc—按冻结壁0边界线计算的平均温度, ℃;
te—井帮冻土温度对冻结壁有效厚度的平均温度影响值, ℃;
tb—冻结盐水温度, ℃;
L—计算水平的冻结孔最大间距, m;
E—冻结壁有效厚度, m;
tn—计算水平的井帮土壤温度, ℃;
△—井帮冻土温度每升高或降低1℃对冻结壁有效厚度的平均温度影响系数, 一般取0.25～0.3, 可近似取0.27, 当井帮土壤为正温时, 取0。
2.2.5 冻土计算强度的选取
冻土计算强度 (K) 可直接按持久强度选取或冻土极限抗压强度 (σc) 除以安全系数 (m0) 求得, 在缺乏系统的冻土持久抗压强度试验资料的情况下, 按K=σc/m0的计算方法较为符合实际, 并摸索出一定的经验, 一般砂性土的m0取2.0～2.2, 粘性土的m0取2.5。
国内在冻结壁厚度设计中, 一直沿用50 mm×50 mm×50 mm立方体冻土试件快速加载 (30±5) 的无侧限瞬时抗压强度 (σs) 。从1985年开始改用国际冻土强度试验的圆柱体试件 (φ61.8×150 mm) 和恒应变速度轴向加载方法获得的无限瞬时抗压强度 (σφ) , σs与σφ之间的一定比例关系, 试验初步得出, 砂性土的σs=1.7～1.9σφ, 粘性土的σs=1.8～2.2σφ。
2.2.6 深部粘土层安全掘进段高验算
按维亚洛夫-扎列茨基的有限长塑性厚壁筒公式验算安全掘进段高。
H=Eδ/ηP
式中H—按变形条件计算的安全掘进段高, m;
E—按变形条件计算的冻结壁厚度, m;
δ—粘土土层的冻土持久抗压强度或计算强度, MPa;
P—计算水平的地压, MPa;
η—工作面冻结状态系数, 掘进工作面为冻实状态时取0.865, 掘进工作面为非冻结状态时取1.73, 即η在0.865～1.73之间。为了便于计算, 工作面冻土扩展范围为0、1/4、2/4、3/4、4/4时, η值可相应地取1.732、1.516、1.299、1.082、0.865。
3 施工中解决冻结管断裂的有效措施
3.1 冻结管焊接过程控制措施
工程实践与室内试验充分证明, 外接箍接头焊接强度均低于母体强度, 而且接头又无延伸性能, 不适应冻结壁变形, 易造成冻结管接头断裂。鉴于内衬箍对焊接头强度高于母体强度, 提高了冻结管的整体变形能力, 近几年各冻结单位普遍采用内衬箍对焊接头和低碳钢无缝钢管组成的冻结管。从目前国内深立井井筒冻结工程施工情况来看, 发生冻结管断裂的主要原因是内衬箍焊接质量差, 其焊接强度低于母体强度, 降低了冻结管的整体变形能力。综上所述, 内衬箍焊接质量差是冻结管断裂的直接原因。针对冻结管焊接质量问题, 应从以下几个方面进行控制:
(1) 应建立造孔分项工程组织管理机构, 分工明确, 责任到人;制定并实施焊接质量监检员全过程监督的办法。
(2) 施焊过程中, 必须按照《焊接作业指导书》要求去执行。
(3) 冻结管、管箍材质应一致, 必须采用塑性大、韧性好的20#低碳钢流体无缝钢管;使用前必须进行材质化验和超低温力学试验。
(4) 焊接采用J422低碳钢酸性焊条, 其焊条特性应与母材匹配。
(5) 每根冻结管使用前, 管口内、外均应当在地面打倒角, 其倒角应符合要求。
(6) 施焊前, 管端污物必须清理干净, 如:水、泥土、油污等。
(7) 冻结管焊接接头试件应现场随即取样, 并送至具有相应资质的实验室进行常温、低温抗拉、挠度两种试验, 检验冻结管接头焊接强度是否与母体相适应。
(8) 配管、下管期间应逐根检查冻结管管材质量, 不得使用弯曲、变形或有夹皮等问题的管材。
(9) 电焊工应持证上岗, 其证件 (SMAW) 必须符合压力管道焊接工艺要求。
(10) 电焊条贮存、烘烤及领用应严格按照规范要求去执行。
(11) 针对深冻结孔冻结管焊接, 一般施焊作业总时间都较长, 有的需要10 h时之上。焊接时, 应充分考虑人的疲劳状态因素。由于电焊操作工施焊时间过长, 易引起焊接质量问题。建议电焊工施焊时间不宜超过4 h;需分班作业时, 必须将两班交接焊接部位或垂深进行记录, 以保证每个钻孔冻结管的焊接质量具有可追溯性。
(12) 每根管材接头焊接完成后, 必须进行冷却一定时间而后再下管, 冷却时间至少6～10 min。
(13) 冻结管焊接时, 管端应分层施焊, 焊缝应饱满无砂眼。施焊电流、电压, 必须严格执行《压力管道焊接工艺要求》。禁止电焊工根据自己的焊接习惯行为人为调节施焊电流、电压。
(14) 每次施焊前, 应仔细检查电焊机的工作性能。若电焊机存在故障 (比如施焊电流不能正常调节等) , 必须及时进行修理并保持完好状态, 否则不得投入使用。
3.2 掘砌施工过程控制措施
目前冻结井外壁掘砌基本上采用大模板、大吊桶、挖掘机、中心回转抓岩机等设备, 机械化程度高, 为井筒快速施工创造外部条件。井筒正式开挖后的1～2个月内, 速度快的月进尺在150 m左右, 有的甚至达200 m之多, 相应造成冻结时间减少, 直至出现冻结壁厚度、强度满足不了井筒施工, 最终发生冻结管断裂。鉴于此, 建议采取小段高、快速施工, 缩短作业循环时间及井帮围岩暴露时间, 控制井帮位移总量;或根据冻结壁形成分析和掘砌施工单位实际施工能力, 合理确定井筒正式开挖时间, 以确保井筒安全、快速、连续施工。
4 结论
(1) 根据地层性质、冻土力学实验, 结合目前优秀冻结施工单位的经验, 对冻结方案进行优化设计。
(2) 在冻结管材材质选用上, 要对各生产厂家材质进行超低温条件下力学试验, 保证用材质量。
(3) 冻结施工与井筒掘砌施工要密切配合。通过现场实测数据的采集, 及时了解冻结状态, 合理确定井筒开挖时间, 科学预测冻结壁交圈和发展状况, 合理组织井筒掘砌施工。
(4) 井筒掘砌过程中, 要及时采集有关数据, 作出科学分析、预测和预报, 确保掘砌施工安全。
井筒冻结 篇2
冻结管断裂问题一直是冻结法凿井的一大难题,特别是近几年,随着井筒冻结凿井深度的增加,该问题日趋严重。据统计,我国采用冻结法凿井的实例中,有70%的井筒出现过冻结管断裂,尤其是淮南谢桥矸石井,断管34根,占该井筒冻结管总数37根的91.9%,几乎全部断裂,严重危及施工安全。冻结法施工中,一旦发生断管事故,轻者停工停产,重者透水淹井,严重的影响了我国深立井的发展。
2 冻结管断裂原因概述
通常情况下,冻结立井施工过程中,冻结管受力主要来自于三方面。
2.1 冻结管冷缩过程中,冻土对其外壁的摩擦力
冻结法施工过程中,随着冻结系统的运转,冻结管及周边土的温度会逐渐降低,其中冻结管温度的降低会使冻结管沿轴线方向的尺寸因热胀冷缩的原因而缩短或具有缩短的趋势,而周边土的冻胀又会使冻结管受到径向压力,使两者之间的摩擦力显著增加。因此,冻结管在冷缩过程中会受到较大摩擦力的作用。摩擦力对冻结管的影响最大,在冻结管的断裂中起主要作用。
2.2 冻结管的侧向弯曲变形
在井筒掘砌过程中,新开挖的冻结壁在地压作用下,必然会产生一定的径向位移,置身其中的冻结管就必然会发生侧向弯曲,而摩擦力使得段高范围内冻结管的上下两端成为固定端,形成一静不变梁,导致冻结管的弯曲变形能力变弱,在较小的侧向位移的情况下,即会产生较大的弯曲应力。弯曲应力的作用虽然比摩擦力小,但却是导致冻结管断裂的最后一击。
2.3 冻土的外压力、盐水的内压力
在低温盐水对冻结管内壁的压力和冻土对管外壁的压力作用下,冻结管内会产生径向、环向、竖向应力。这些应力沿冻结管轴线呈线性规律变化,且数值不大,故对冻结管断裂影响不大。
3 防止冻结管断裂措施
分析上述原因并结合以往施工经验,总结出以下措施。
3.1 降低摩擦力
降低摩擦力对防止冻结管断裂有举足轻重的作用,而要降低摩擦力的主要办法是减小摩擦力系数。
摩擦力与摩擦力系数成正比,因此,通过减小摩擦力系数即可达到大幅降低摩擦力的目的。
减小摩擦力系数的主要方法有:
1)冻结管采用内衬管(内管箍)焊接连接,以避免冻结管接头部位向外凸出,保证冻结管的整体平直。2)对冻结管表面进行打磨处理,保证表面的光洁度,这样可以使冻结管与冻土之间的摩擦系数降低40%左右,摩擦力降低约30%,效果极为明显。3)在使用前认真检查冻结管质量,严禁使用弯曲、变形的冻结管,以减小摩擦系数。
3.2 减小弯曲变形
减小冻结管的侧向弯曲变形主要方法就是降低弯曲应力,而降低弯曲应力的主要方法有:1)减小冻结管直径。由于冻结管最大弯曲应力与冻结管外径是成正比例的,因此,冻结管直径的减小会使最大弯曲应力成正比例的减小。2)冻结管材质。冻结管选择20号低碳钢流体无缝钢管,20号低碳钢的硬度、强度较高,流体无缝钢管较普通钢管的承压能力大,且低温环境下的韧性高、抗弯曲。因此选择综合性能较好的20号低碳钢流体无缝钢管,以减小弯曲应力对冻结管的影响,达到减小冻结管弯曲变形的目的。3)提高管接头强度。冻结管接头的强度对断管的影响极大,由于接头的存在使冻结管的整体强度降低了40%左右。因此,提高管接头的焊接强度,从而提高冻结管整体强度和抗变形能力,降低应力对冻结管的破坏。提高冻结管接头强度的主要方法有:a.采用内管箍焊接连接,管端打坡口分层焊接,上下管距控制在4 mm～7 mm之间。b.管箍材质与冻结管相同,且焊接采用J422低碳钢焊条,焊缝饱满无砂眼,焊接完成后冷却5 min方可下入钻孔。4)增加冻土强度。由于冻结壁弹性区的内外半径较大,故可将弹性区看成由若干个等尺寸对称梁组成。而冻结管既是冻结壁中的冷冻设备,同时又是对称梁中的钢筋。冻土强度的增大会使得冻结壁弹性区内半径减小,按照材料力学理论,当管处于梁中中性层位置处时,管根本不会因为梁(冻结管)的弯曲变形(弹性)而断裂;另外冻土强度的增大还会使冻结管弯曲应力迅速下降,因此加强冻结同样是防止断管的重要手段。5)控制掘进段高。由于弯曲应力与1-1/(1+h2)成正比(h为掘砌段高),因此适当的减小掘砌段高会使最大弯曲应力减小。
3.3 防止过分内偏
由于冻结壁井帮位移比冻结管所处位置的径向位移大,因此冻结管向内偏斜极易引起断管事故,必须防止冻结孔过分内偏。
3.4 冻结管焊缝位置
许多研究表明:深厚粘土层尤其是钙质粘土和铝质粘土(高膨胀性),膨胀性粘土与砂层交界处易发生破坏,因此要尽量确保上述地层无焊缝。另外为防止大面积断管,焊缝要错位,即焊缝不要在同一断面,尽量错开。
3.5 冻结制冷控制
冻结施工过程中,当盐水达0℃左右时,应缓慢降温,使冻结管尽可能在低温下自由收缩,减少拉应力局部集中。
当两排或多排孔冻结时,应合理控制各排孔的供冷,尽可能降低排间(冻结壁内部)冻胀力。
3.6 注重主排孔布置及其管径的选择
当表土层较深时,主排孔布置距开挖荒径一般不应小于2.0 m。
另外,主排孔冻结管直径不应小于133 mm,以便万一断管可以顺利下套管恢复冻结。
4 冻结管断裂的处理方法
断管事故发生后,主要处理方法有强行通过、重新打钻冻结、套小直径冻结管等。
若断管较多,冻结壁强度很低,强行通过风险很大,不宜采用;重新打钻冻结固然可靠,但耗时耗资;套小直径冻结管也存在着能否套进及小直径冻结管冻结效果如何等未知问题。
通过比较,建议优先考虑套管二次冻结方案。因此在冻结施工前,应购置89 mm的无缝钢管(套管)和50 mm的塑料管(供液管)备用,以便万一断管时使用。
5 结语
从冻结管断裂分析可以明显看出,由于摩擦力具有使冻结管成为两端固定的静不定梁的作用以及其引起的竖向应力值(断管范围)在断裂应力中占有较大的比重,因此,它是构成冻结管断裂的一个重要因素。而冻结管弯曲变形才是导致冻结管破裂的最终因素。
因此针对这两个方面采取措施以防止冻结管断裂是非常合理的。大量实践也证明了以上防止冻结管断裂的措施是很有效的,是切实可行的。
摘要：对立井冻结法凿井施工过程中的冻结管断裂问题进行了分析,找出了冻结管断裂的主要原因,分析原因并结合以往施工经验,总结出一套切实有效的处理措施,并通过实践证明了该处理措施的可行性。
关键词：冻结法,摩擦力,弯曲应力,冻结管断裂,预防措施
参考文献
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井筒冻结法矿建施工技术 篇3
岩土工程冻结法一般是利用物理吸热现象将土体中的水冷却使之结冰。它的制冷系统通常采用氨这种化学物质。整个制冷系统由氨循环系统, 盐水系统, 冷却水循环系统构成。开挖前需要在井筒周围钻进一定数量的冻结孔。低温盐水吸收周围热量形成冻结圈, 然后冻结圈扩大逐步形成冻结壁。在地下水 (是冻结壁, 不是地下水) 的保护下实施工程, 因为冻结法施工有很多不确定性, 因此容易发生冻结管的断裂, 工作面底部冻结壁的变形等问题。
2 井筒冻结技术和问题
2.1 井筒冻结方式
2.1.1 差异冻结处理
差异冻结是按照地层深度对冻结壁做出不同要求的冻结方式, 又称长短管冻结。冲积层以下基岩风化带厚度较大且围岩稳定性较好, 或靠近风化带下部赋存含水层, 或井筒全深内有数层含水层, 采用其他施工方法难以通过时, 宜采用差异冻结法。使用差异冻结法时应注意短冻结管必须穿过冲积层和强风化带, 长冻结管应穿过含水层进入不透水的稳定基岩。
如果想要确保长孔底部的冻结厚度, 需要控制长孔间距, 最大间距不能大于4.5米, 这样才能保证挖到短孔底部时长孔部分的冻结壁能满足要求。为了加快形成冻结壁, 需要提前开挖, 并且早日保证下部冻结壁尽早完成, 这时候需要长短冻结孔同时开始进行冻结。
2.1.2 局部冻结处理
如果不稳定含水层在冲积层的中下部, 那么上部不需要冻结, 如果不稳定含水层在上部和下部, 则中部不需要冻结, 如果不稳定含水层地形复杂或者是曾经出过事故需要冻结处理时候, 需要采用普通法, 因为这时候的土层比较稳定。和全深冻结相比, 局部冻结消耗量比较小, 冻结时间短, 可以省下很多费用。
2.1.3 分期冻结
分期冻结是把井筒分段处理, 形成冻结壁, 然后不断进行挖掘工作。这主要依靠冻结器来进行。分期冻结法分为三个冻结期。第一个冻结期是上段冻结期。这需要达到冻结壁厚度才能进行, 第二冻结期是下段冻结期, 这时候上段维护, 下段冻结;第三冻结期是当井筒挖掘通过上段进入下段后进行的。这时候要求冻结壁达到标准要求, 然后才转入深层维护冻结。选择分期冻结方式必须满足一定地质条件才能进行。首先上下段冻结分界线需要有含水量大, 且含水厚度超过十米的土层, 需要把他作为井筒隔水垫子, 这样能有效防止工作面下方涌水导致破坏冻结工作。
2.2 钻孔冻结法
2.2.1 检查钻孔
钻孔冻结时候, 需要先检查井筒钻孔的位置, 个数, 深度等。钻孔需要布置在井筒范围之外, 检查钻孔需要距离井筒25米之内。通常为1个, 深度要超出井筒设计的深度。
检查钻孔施工要求的方法是首先取心, 采取率要大于百分之七十五, 在砂层, 夹层和一些充填物中要大于百分之六十。第二要采取每层取样, 然后进行力学测定。最后一步是取样进行冻土力学测定。
2.2.2 水文观察
水文观察一般在井筒中心一米远的位置, 最好不要影响吊桶的提升, 一般要打一到三个孔数。水文观测孔应进入冲积层最下部的主要含水层, 其含水层下部应有隔水层, 孔深不得穿过冲积层。
2.2.3 测温和冻结
测量温度需要根据需要, 一般测量三到五个孔。偏斜率需要与冻结孔一致, 一般国内采用铜热线测量和温度传感器进行测量。冻结法钻孔主要用于输送盐水, 以便冻结周围岩土层。按照冻结的深度确定冻结孔的圈数。如果表土层小于二百米, 则土层比较浅, 需要采用单圈冻结;如果土层大于三百米, 则采用双圈冻结或者三圈冻结。
冻结孔测斜分为钻孔测斜和成孔测斜。常见测斜方法包括灯光法和陀螺法。经纬仪经常会受到钻孔弯曲的影响, 深度需要受到限制, 一般深度要小于一百五十米。
2.3 冻结掘进法
冻结井筒通常分为分区掘进, 短段掘进和全面掘进等方法。在进行冻结掘进时, 需要到冻结孔交圈时试挖, 采用小绞车、0.7m3小吊桶提升, 1.7~2.1m段高绳捆模板短段掘筑22.6m。试挖表明, 上段含水层的冻结壁已交圈, 且冻结壁厚度和强度符合设计要求。试挖后正式开挖。在掘进时, 需要确定掘段高度, 在试挖阶段, 掘进段高一般不宜超过1m, 试挖结束后, 掘进段高不宜超过3.8m, 最高不应超过4m;膨胀粘土层段, 掘进段高不宜超过2.5米, 并且需要加快速度, 时间要控制在二十小时内, 最多不超过二十四小时。深厚膨胀粘土层施工方法及措施。深冻结井施工, 最关键的技术难题是深厚膨胀粘土层施工。事实上按照地质情况, 井深251.51m下依次为厚7.72m粘土层、厚7.73m砂质粘土层和厚27.84m铝质膨胀粘土层。最终决定在井深253~264.1m粘土层段采用原3.1m高模板中间浇筑口浇筑混凝土, 即以1.6m段高连续施工厚7.73m砂质粘土层;以下铝质膨胀粘土层采用1.1~1.2m段高限时快速间断施工, 以等待混凝土强度增长。除此之外为提高混凝土早期强度, 要使得混凝土1d强度达到31.2MPa;同时把井帮位移控制在50mm/d以内, 把底鼓控制在200mm以内。这样才能确保井壁完好和保证施工过程中无断管事故。
2.4 常见问题和防治措施
2.4.1 冻结管断裂
在进行冻结井筒挖掘时, 经常会出现冻结管断裂的现象。最近几年, 因为冻结深度越来越大, 进行挖掘时厚黏土层越来越多, 冻结管断裂的现象变严重。发生这种现象的主要原因是, 冻结壁发生变形, 冻结孔偏大, 冻结管接头焊接质量有偏差。
要解决这个问题, 需要合理布置和安排冻结孔布置圈直径, 不要让他过大或者过小, 如果布置圈太小, 会造成井壁变形。因此需要确定布置圈直径, 以此保证冻结壁有足够的厚度防止井壁变形。一般情况下, 冻结管选用优质碳钢或者无缝钢管, 当使用无缝钢管时候, 外箍需用丝扣连接, 并且要保证冻结管的质量。在进行冻结井筒挖掘时候, 需要控制掘进段数, 尤其是要控制好深厚粘土层。
2.4.2 井壁破裂
冻结井壁很容易发生破裂, 可能是因为地层土质含有膨胀性矿物, 冻结井壁强度低, 因此容易导致外层胀裂。还可能是因为冻结壁形状和厚度不规则, 容易导致冻结受力不均, 施工不均匀等导致。要解决这一问题, 首先要弄清楚土层的物理力学性质, 在井筒施工前, 需要弄清楚土层的矿物质成分和力学性质, 对施工需要专们研究的井检孔, 如果他要穿过比较厚重的土层, 则要保证取样完整, 精确测定其物理力学参数, 尤其是和土体膨胀相关参数, 这样能更好的确定冻结方案。
其次, 还要尽可能降低冻结温度, 加强冻结, 延长时间。据分析一般冻结层温度要控制在零下十度以下。提高井壁混凝土的早期强度也是必要的。这就需要在混凝土中添加外加剂, 这样能延长冻结土强度, 防止井壁破裂。
再次要改善冻结壁和外壁的夹层的保温功能, 延缓压力, 通常的做法是在冻结壁和外壁之间加入泡沫塑料板。最后一点是要加强施工管理保证施工质量, 这是防止井壁被破坏和改善井壁质量最有效的方案。这就需要保证井壁开挖时间合适, 不能为了赶工在各方面都不符合要求时候就贸然开挖。
3 总结
在井筒施工中, 经常会用到冻结法。而现在经济发展和地下空间的发展又要求冻结法能有效的实施和使用, 因此冻结法需要得到广泛的应用和迅速发展。地下空间的发展归结于人口压力和经济压力, 冻结法的使用能有效缓解压力, 因此需要更好的改进井筒冻结法技术, 正确认识冻结法技术存在的问题, 并加以防范和改善, 只有这样才能更好的应用冻结法。
摘要：井筒冻结法有大量优点, 它适应性强, 井架结构容易控制, 比较灵活, 对环境影响小, 因此在井筒施工中, 尤其在不稳定表土层施工中被广泛应用。这种技术比较先进, 但还存在很多问题。文中介绍冻结法施工原理和问题, 并且提出必要的防治措施。
关键词：井筒冻结法,矿建施工,冻结钻孔,井筒掘砌施工
参考文献
[1]张和, 李雯.冻结法技术的应用和研究[J].地下空间建设, 2014 (05) .
[2]张晓峰.冻结法技术存在的问题和解决办法[J].冻结法研究, 2009 (01) .
井筒冻结 篇4
关键词：井筒围岩加固,药量计算,装药容器,装药结构,爆破冻结管,注浆加固
1 概况
1.1 工程概况
平煤某矿北二风井井筒设计净直径7.5 m, 深度946.3 m, 其中表土段96 m, 风化基岩段60 m, 基岩段790.3 m。表土及风化基岩段为双层钢筋混凝土井壁, 强度为C30, 壁厚800 mm;基岩段为单层钢筋混凝土井壁, 强度为C30, 壁厚500 mm。该井前期采用普通法施工, 遇含水层采取工作面预注浆通过含水层。由于井筒所处位置地质复杂, 在掘进至450 m位置时, 井帮西北方448 m位置发生突水, 最大涌水量490 m3/h, 造成淹井。后经施工水下止浆垫, 重新从378 m位置采取工作面超前注浆方法施工。施工至430 m位置, 在工作面西北方施工注浆孔期间, 孔内多次发生喷砂石现象, 最大水达6.7 MPa, 施工注浆孔异常困难。45 d注浆孔延深不足2 m, 考虑到工期及井筒后期使用, 决定在原井位采取局部冻结法施工含水层段。
在井间半径8 250 mm圆弧上施工的冻结孔, 开孔弦长1.466 m, 小计29个孔, 风道口附近的冻结孔共8个, 合计37个冻结孔, 孔深580 m, 3个测温孔, C1、C2测温孔深580m, C3测温孔深100 m, 如图1所示。
注浆管壁厚7 mm, 上部管径127 mm (外径) , 下部管径159 mm (外径) 。经专家论证, 在冻结法施工完成后, 采用壁间注浆+壁后注浆+冻结管注浆加固围岩的方法, 确保井筒后期使用安全。同时, 考虑到其他集团、其他井筒地面割管注浆工期较长, 为了减少工期, 决定实行爆破冻结管施工。
1.2 水文地质
根据钻探、物探资料分析, 在井筒中心西北方向存在着一个导水富水构造裂隙带, 推断该裂隙带倾角在81°左右, 宽度1.4 m左右, 向下逐渐向井筒内部延伸, 预计在井深480 m左右进入井筒, 575 m离开井筒5 m。338.6~496 m的地层分别为:338.6~366.4 m中粒砂岩、366.4~373.1 m泥岩、373.1~380 m砂质泥岩、380~496 m中粒石英砂岩 (平顶山砂岩) , 中间夹数层砂质泥岩及泥岩, 为主要含水层。
2 爆破相关参数
2.1 炸药
炸药是聚能破甲的能源, 炸药爆炸后将能量传递给药型罩, 药型罩在轴线上闭合碰撞产生高速的金属射流, 然后通过射流来击穿目标, 炸药影响破甲威力的最主要因素是爆轰压力。因此, 为了提高破甲能力, 必须选用高爆轰压、高装药密度的炸药。冻结管射孔注浆技术在国内应用较为广泛, 但炸药的运输、使用手续较为繁琐且费用较高。经技术论证, 决定采用煤矿应用广泛、取之相对容易、一般建井处具备资质的3级煤矿许用乳化炸药进行破管实验。若实验效果达不到要求, 则及时更换炸药。
2.2 装药量计算
根据冻结孔测斜资料, 冻结管距离井壁只有4 m, 因此炸药量的大小一定要控制在一个合理的范围内, 不能对已施工井壁造成破坏。根据相关资料, 矿山巷道爆破震动安全允许震速在深孔爆破时为10~20 cm/s。
2.2.1 爆破振动强度计算[1]
爆破振动强度计算公式为:
式中:V为控制的震动速度, cm/s;K为与爆破介质性质、爆破方式有关的系数;Q为一次起爆最大药量, kg;R为装药中心至保护目标的距离, m;a为与传播方式及地形有关的常数。
根据井筒实际揭露岩性, 爆破冻结管段岩性为坚硬岩石, 根据实际岩石条件, K取100, a取1.4, R为4 m。
为确保爆区周围井筒安全, 必须将爆破震动效应控制在允许范围之内, 根据井筒相关条件, 本次采取限制一次爆破的最大用药量来控制爆破地震效应。则:由以上震动公式得:
震动速度取20 cm/s时, Q=2.03 kg;
震动速度取10 cm/s时, Q=0.46 kg;
所以, 一次爆破的炸药量应在0.46~2.03 kg之间。
2.2.2 装药长度
随着装药长度的增加, 破甲深度也增加。实验表明:当装药长度增加到装药直径3倍以上时, 破甲深度不再增加。
2.3 药型罩
2.3.1 药型罩锥角
小锥角时射流速度较高, 有利于提高破甲深度;大锥角时射流质量较大, 破甲深度降低;破甲稳定性较好, 破甲孔径增大, 后效作用增强。且药型罩锥角大于90°以上时, 药型罩在变化过程中发生翻转现象, 出现反射流。经比对, 选用军用反坦克破甲弹通常采用的锥角35°~60°。
2.3.2 药型罩壁厚
药型罩的壁厚随着药型罩材料、锥角、直径以及有无外壳而变化, 一般随着罩锥角的增大而增大, 随着罩口径的增加而增加, 随着外壳的加厚而加厚。
2.3.3 药型罩形状
药型罩的形状是多种多样的, 一般采用锥形、半圆形、喇叭形、双曲线形等。为方便操作, 这次爆破拟采用角钢做一个聚能槽, 对无缝钢管进行爆破切割。
2.4 最佳装药高度
装药高度对破甲威力的影响存在两方面:一是随着装药高度的增加, 射流变长有利于提高破甲深度;二是随着装药高度的增加, 射流产生径向分散和摆动, 使射流产生断裂, 破甲深度降低[2]。所以最佳破甲深度对应一个最佳炸高, 最佳炸高实际是一个区间, 它随着药型罩锥角的增加而变大。一般常用药型罩, 最佳炸高是罩底径的1~3倍[3], 本次取1.2~1.3倍。
3 现场实验
实验计划设计一个圆柱形外壳, 里面装满炸药, 在外壳的一侧开一条楔形的槽, 用角钢焊死 (即锥角) , 楔形槽及圆柱形装药外壳的结构以及爆炸装置放入钢管中, 如图2、3、4所示。
关于爆炸装置的外形, 可使用无缝钢管规格为D60×4、D76×4;D89×5无缝钢管;D108×5的钢管, 各做1个外壳进行爆破实验。其装药量应满足之前计算的0.46~2.03 kg。为确保爆破安全可靠, 其装药量建议最好在1 kg以内, 最终的装药量需根据现场爆破实验来确定, 外壳高度根据实际装药量多少来调整。
以500 g 3级煤矿许用水胶炸药为例, D60×4, D76×4, D89×5, D108×5无缝钢管的开口宽度分别为:17 mm、21 mm、25 mm、30 mm;圆柱体的高度分别为:240 mm、128 mm、93 mm、61 mm。
本次在野外空旷地共做4次实验, 被爆破钢管采用与冻结管用材料一致的无缝钢管, 长度2 m左右, 用机械深挖埋管, 进行爆破作业。经实验, 一次装药量为350 g时爆破效果即能满足要求。考虑到冻结管上下的200 m左右空气, 爆破冻结管最大装药量选3级煤矿许用水胶炸药400 g, 根据实验, 选取规格为D76×4 mm、长度60 mm的无缝钢管装药容器作为破管容器。
4 现场施工
4.1 爆破作业前准备
为增强爆破效果, 需将冻结管内水位抽至爆破位置以下。本次抽水采用水文工程抽水实验中常用的方法, 分层次将水位抽至400 m以下 (本次专家论证确定爆孔在330~380 m位置) 。
4.2 起爆电缆及起放设备
选用水文工程施工中常用的水下摄像用钢丝外套电缆, 耐压等级1 500 V, 长度约600 m。起放设备采用专用限速电动小绞车 (与起爆电缆配套, 由专业厂家生产) 。在冻结孔正上方安装滑轮及支架, 支架上安装计数器。下放时, 通过计数器确定下放位置。
4.3 爆破
安装爆破药后下放至爆破位置, 连接爆破网络, 采用FMB-200型起爆器, 通电爆破。起收电缆后向冻结孔内压水确认是否破管。经验证冻结管已破损, 达到注浆要求。
5 结论
经现场实施, 29个冻结孔及风道周围的8个冻结孔爆孔均一次成功, 共注浆876 m3, 用时30 d, 与平煤另一煤矿井筒采用钻机割孔注浆工期相比, 工期提前35 d左右。通过对比, 得出结论如下: (1) 与钻机割管相比, 采用定位爆破法冻结管工期较短, 费用低, 可操作性强, 现场操作人员不需要特殊培训; (2) 与采用射孔法破冻结管相比, 采用煤矿许用水胶炸药、毫秒电雷管, 可就地取材, 不需要特殊资质审批, 减少了程序; (3) 与钻机割管、射孔法破冻结管相比, 采用煤矿用3级炸药爆破冻结管, 极大地降低人工、机械和材料费用支出; (4) 该技术的成功应用, 对其他类似工程施工注浆加固具有较好借鉴意义。
参考文献
[1]王文良, 兀帅东.爆破孔单孔影响范围的理论计算与现场考察[J].能源技术与管理, 2011 (3) :95-96.
[2]朱绪强, 成一, 李德才, 等.大炸高下破甲强度的侵彻性研究[J].爆破器材, 2013 (1) :47.
井筒冻结 篇5
关键词：巨厚表土层,冻结技术方案,凿井,快速施工,倒模法施工
国外冻结法凿井技术的表土层厚度纪录为571.2 m (前苏联雅可夫列夫铁矿2号井) , 国内纪录为587.5 m (山东郭屯矿井主井) 。通过长期分析研究, 攻克了我国近700 m厚表土层冻结法凿井技术难题, 创造了冻结法凿井通过表土层厚度世界纪录 (675.6 m) , 为井工开采我国近700 m厚表土层下的矿物资源扫除了技术障碍, 使我国的冻结法凿井技术水平跨上了一个新台阶[1,2,3]。
1 工程概况
龙固煤矿北风井井筒设计净直径为6 m, 井筒深747.797 m, 井筒工程合同价约9 440万元。其中:表土层厚度达675.6 m, 冲积层和基岩风化带采用冻结法施工, 冻结深度730 m。基岩段采用普通凿井法施工。冻结段井壁厚度900~2 200 mm, 基岩段井壁厚度1 250 mm。支护方式为冻结段双层钢筋混凝土复合井壁;基岩段双层钢筋混凝土复合井壁。外层井壁和内层井壁580 m以下采用CF80高强钢纤维混凝土。
2 冻结技术方案
2.1 设计原则
(1) 设计的冻结壁厚度和强度满足井筒安全掘砌施工的要求, 井筒掘砌中不发生因冻结壁原因引起的人员和工程质量事故。
(2) 设计应确保基岩段封水及冻结岩帽的形成。
(3) 根据国内外及该公司深厚表土冻结井施工经验, 以满足冻结壁强度, 防止冻结壁变形及冻结管断裂为目的选择合理的施工方案及施工参数。
(4) 以施工安全为前提, 减少工程量、提高工程效率、降低工程造价, 达到施工安全、快速、高效的目的。
2.2 冻结方式
根据目前国内同类型矿井冻结方式并结合龙固北风井实际情况, 确定风井采用三圈孔加防片孔冻结方案[1,2]。
(1) 外圈孔深度。外圈孔采用双供液管局部冻结, 冻结范围300~676 m, 冻结深度穿过第三系。目的是上部节省冷量, 300 m以下确保表土层及风化带冻结壁厚度和强度。
(2) 中圈孔深度。中圈孔采用齐腿冻结, 梅花布置;钻孔深度730 m终止在泥岩层, 风井下部回风总巷道以上。提高300~676 m冻结壁的强度, 靠中圈孔降低冻结壁温度, 676~730 m基岩段靠中圈封水。
(3) 内圈孔深度。风化基岩段为一含水层位, 为保证该含水层位的交圈封水, 内圈孔采用差异冻结, 长腿695 m、短度676 m。目的是风化基岩以上与中圈孔一起形成有效冻结壁, 降低井帮温度、提高冻结壁强度, 防止冻土蠕变;风化基岩段与中圈孔一起封水。676 m以下在中圈孔内部形成降温区, 与中圈孔长腿一起确保基岩段封水且形成冻结岩帽。
(4) 防片孔深度。由于上部井壁较薄 (0~332m井壁厚度为0.90~1.30 m) , 内圈孔上部离荒径较远 (1.75~1.35 m) , 上部冻土因动水影响发展速度较慢, 试挖时间又短, 开挖时易塌帮, 影响井壁质量和施工安全及施工速度, 增加工程成本。借鉴龙固副井和郭屯副井冻结设计经验教训, 设防片孔, 深度332 m (深度可根据井壁变截面情况而定) 。
2.3 冻结深度
北风井冻结深度730 m, 终止在泥岩中, 不穿过下部总回风巷连接处, 对井底向水平巷道施工时比较方便, 避免了冻结管的影响, 简化施工难度。
2.4 冻结壁
根据北风井表土层赋存特点, 冻结壁设计分别以422.6~425.6 m粗砂层作为控制层, 以663.9~675.6 m黏土层作为冻结壁变形校核层。根据计算结果并结合国内外已施工或正在施工的深冻结井冻结壁设计厚度, 确定龙固北风井冻结壁厚度为:425.6 m处控制层7.0 m、675.6 m处控制层11.3m。
3 快速施工机械化配备
(1) 以2台HZ-6型中心回转抓岩机装矸;选用1台SJZ6.10型伞型钻架, 配备6部YGZ70型凿岩机打眼;采用大容积溜矸槽储矸, 自卸汽车排矸至指定地点;选用2台JKZ-2.8/15.5型提升绞车, 均配备5 m3 (4 m3) 大吊桶出矸;1台YC60-8型小型挖掘机为主要特征的大型机械化配套设备作业线和立井井筒短段掘砌平行交叉混合作业的施工方法[3]。
(2) 正常基岩段采用减震、弱冲、光底、中深孔光面爆破技术。
(3) 冻结段外壁及正常基岩段砌壁采用段高4m的MJY型单缝液压整体金属模板。
(4) 内壁采用利用14套段高为1 m的组装式金属模板 (块模) , 采用倒模法自下而上连续进行套壁施工。
4 北风井冻结段倒模法套砌内壁
北风井井筒进行了2次套壁, 第1次在井深480 m位置 (结合冻结壁发展情况、冻结表土段外壁变形情况及监测结果) , 第2次在冻结段全部施工结束后 (即当井筒掘至设计壁座底板标高时) 。
每次套壁前先将井筒工作面的矸石清理干净, 铺设一层300~600 mm厚混凝土垫层, 防止套壁混凝土养护水浸泡岩层, 引起岩层膨胀、底鼓等现象发生。在垫层上组装段高为1 m的组装式金属模板 (块模) , 利用14套段高为1 m的组装式金属模板 (块模) 采用倒模法自下而上连续进行套壁施工。
采用倒模法套壁时, 利用二层凿井吊盘改造为三层凿井吊盘和吊盘下二层拆模辅助盘作为工作平台。
5 技术保证措施
5.1 预防及处理冻结管断裂
(1) 先从设计入手, 科学合理地设计冻结壁厚度、冻结壁平均温度、井帮温度及冻结管布置方式。
(2) 采用靶域施工, 防止冻结管向内偏斜值过大。靶域半径表土段0.8 m, 基岩段1.0, 防片孔偏斜率≤2.5‰;内圈、防片孔向内最大偏值≤0.5 m。根据《矿山井巷工程施工验收规范》要求, 外圈、中圈两孔最大孔间距冲积层≤2.8 m, 基岩段≤3.2 m。以上条件必须同时满足。
(3) 通过有效的监测方式, 确保掘至深厚黏土层时, 冻结壁有效厚度、强度达到设计和施工安全要求。
(4) 根据冻土试验资料, 在抗压强度低、蠕变变形大的黏土层采用小段高、减少井帮暴露时间的方式快速通过, 通过后迅速套筑内壁。
(5) 加强冻结壁位移、井帮位移监测, 及时确定合理的掘砌段高和暴露时间, 严格控制冻结壁内表面位移量, 使其小于50 mm。
(6) 在通过深厚黏土层前, 降低盐水温度至-34℃左右, 降低冻结壁平均温度, 强化冻结, 提高冻结壁强度。
(7) 严格控制冻结管材质量, 选用20#优质低碳钢无缝钢管 (GB8163—99) ;选用大直径、厚皮冻结管, 规格为Ø159 mm× (6~7) mm, 确保冻结管的韧性和强度。
(8) 冻结管采用内衬箍坡口对接焊, 达到母材强度的90%。
(9) 加大盐水流量, 降低盐水温度。采用大流量、高扬程盐水泵, 加大盐水流量, 向井下输送更多的冷量。提高设备运转效率, 加快盐水降温速度, 从而加快冻土发展速度, 提高冻结壁强度。
(10) 准备好2个孔的套管, 以备急需。
5.2 防止冻结壁内冻胀水
根据龙固北风井地质资料和冻结管布置方式, 由于外圈采用局部冻结, 330 m以上主圈与辅助孔之间不存在封闭的冻胀水。在330 m以下为防止2圈孔之间出现封闭的冻胀水, 必要时采用外圈部分冻结孔 (均匀间隔) 减少盐水流量, 减缓外圈冻土交圈速度, 或在两圈之间施工卸压孔等措施, 为冻胀水留有出口, 防止冻胀水积存。
5.3 冻结管防挤扁措施
冻结管在冻结前应向环形空间内充填细砂, 边充填边晃动冻结管, 保证环形空间充填密实, 尽可能将环形空间内的水排尽, 防止水冻胀将冻结管挤扁[4,5,6]。
6 冻结与掘砌配合
(1) 冻结。 (1) 冻结为掘砌提供足够厚度和强度的冻结壁抵抗外力, 封堵住动水流砂, 控制冻土蠕变, 确保井筒掘砌施工安全。 (2) 冻为掘服务, 确保安全、可靠, 创造最佳掘砌施工条件。
(2) 掘砌。 (1) 掘砌确保试挖段高≤1.5 m, 控制层及深厚黏土层段高≤2.0 m, 空帮时间小于20 h, 必要时, 段高和暴露时间还要缩短。 (2) 基岩段放炮时严格限制周边眼深度、角度及总体装药量, 严格按规范执行。放炮时应通知冻结站, 加强盐水观测, 防止震断冻结管泄漏盐水。 (3) 掘砌中水文孔上端加盖, 不可人为堵塞, 保证水文孔畅通无阻。 (4) 为冻结检测人员下井提供方便条件, 确保正常检测。
7 结论
(1) 施工组织合理, 在保证安全和质量的前提下提高了施工进度, 安全无事故。该井筒于2011年12月19日开工并于2012年12月29日竣工, 综合成井62 m/月, 冻结段综合成井90 m/月以上。其中2012年1月完成单月进尺130 m的好成绩。
(2) 采用信息化施工, 应用“近700 m厚表土层冻结法凿井关键技术研究”科技成果, 保障了该工程的安全、优质、高效施工。
(3) 对近700 m厚表土层冻结法凿井关键技术进行研究, 解决了近700 m厚表土层冻结法凿井的理论、设计、施工关键难题, 取得主要创新成果有: (1) 研究了径向卸载情况下冻结壁与围岩 (土) 的力学相互作用规律, 建立了新的冻结壁弹塑性设计理论。该理论更符合实际的冻土力学特性和冻结壁受力特点, 为合理设计近700 m厚表土层冻结壁提供了理论依据。 (2) 研发了“分散布管”冻结技术, 揭示了该布管方式对冻结壁温度场的影响规律, 为快速提高冻结壁的承载力提供了技术支撑。 (3) 阐明了冻结管变形能力与内衬管接头参数间的关系, 获得了不同规格冻结管的最优内衬管接头参数, 提高了冻结管适应冻结壁大变形的能力。 (4) 确定了合理的CF80钢纤维混凝土的配合比, 揭示了井壁中钢纤维高强混凝土的强度增长规律、井壁温度分布和变化规律, 提出了CF80钢纤维高强混凝土井壁极限承载力计算方法, 开发出CF80钢纤维高强混凝土井壁施工技术。
(4) 研究成果成功应用于龙固煤矿北风井冻结凿井工程, 创造了冻结法凿井通过表土厚度世界纪录 (675.6 m) 。
参考文献
[1]沈季良.建井工程手册[M].北京:煤炭工业出版社, 1986.
[2]陈文豹, 汤志斌.冻结法施工[M].北京:煤炭工业出版社, 1993.
[3]洪黎明, 吴志一.立井井筒冻结段快速施工[J].建井技术, 2007 (2) :9-11.
[4]李功洲, 陈文豹.深厚冲积层冻结凿井技术问题的探讨[C]//全国矿山学术论集.徐州:中国矿业大学出版社, 2004.
[5]陈文豹, 李功洲, 吴里扬, 等.程村矿主副井深厚冲积层冻结法凿井技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2008.
井筒冻结 篇6
立井井筒施工是地下岩土工程施工的难点, 立井快速施工技术近10 a中取得了突破, 通过一系列新技术的应用[1], 如伞钻、整体浇注模板、中心回转抓岩机、高效水胶炸药等, 形成中深孔爆破, 缩短了循环时间, 简化了地面吊挂布置等措施, 整体提升了基岩段掘进速度[2]。
针对神华宁煤集团金家渠煤矿 (以下简称金家渠煤矿) 副立井和风井施工遇见的油气层, 实施以液氮四项泡沫介质联合排放为先、远距离爆破过油气层、注浆加固和堵塞通道为后的方案进行论证分析, 为我国西部煤、油混层的矿井工程施工做出新的探索。
1 井筒过油气层施工方案
井筒施工前, 根据建设方提供的油气层资料, 做好相应的施工准备。井筒在穿过油气层段破碎围岩地层时, 采取缩小掘进段高为2.5 m、提高光爆效果、小进尺少药量爆破、及时支护、辅助锚网等措施, 尽量减少爆破对井筒围岩的破坏, 保持围岩的完整性, 充分利用其自身稳定性;同时适当缩小掘进段高, 采用锚喷或锚网喷联合支护, 尽量缩短围岩的暴露时间, 必要时增设槽钢井圈复合支护, 确保安全顺利通过油气层段不良地层[3]。
根据《煤矿防突规定》, 结合施工现场实际, 经甲、乙等单位协商确定副立井、风井揭露含油层前进行探油层层位, 并测定CH4、CO、H2S动力现象和混合气体压力是否达到或超过临界值[4]。
井筒施工至含油层法线距离约6 m处, 利用伞钻施工10 m探孔, 若打钻过程中无瓦斯喷孔、顶钻等动力现象, 工作面迎头CH4、CO、H2S浓度不超过规定要求, 采取远距离放炮过含油地层;每一炮超前探排10 m, 先探, 无异常情况下再进行打眼放炮, 保留6 m岩柱, 防止含油地层异常变化, 保证气体浓度不超限;如果工作面迎头CH4浓度大于1%和CO浓度大于24×10-6, 通过加强通风, 浓度仍然不能降到规定要求, 补打钻孔增加排放通道, 加强排放。
爆破后, 延长炮后通风时间。通过监控探头观测井筒工作面的各气体浓度, 待工作面气体浓度符合安全要求后, 方可入井检查, 待检查安全后, 开始出矸作业, 出够段高后, 及时下放整体浇灌模板, 浇灌井壁, 如此循环作业, 安全通过油气层段。
2 井筒过油气层施工
2.1 探油气层
在施工到距油气层10 m时停止掘进, 利用DZ-1200B型钻机配取芯钻头, 在井筒内对称打4个探油气层钻孔 (孔径φ75 mm) , 以查明油汽层的赋存情况及油气的突出危险性、成分。探孔应超前于掘进工作面5 m以上距离, 且探孔不得作为炮孔使用。
在探孔见油层时, 必须钻透两油层全厚, 通过钻孔验证油层厚度, 测定油层气体压力, 预测有无突出危险。若测定油层气体压力在0.74 MPa以下, 则可以结合远距离放炮, 分段分次揭过油气层。若测定煤层气体压力在0.74 MPa以上时, 须在距油层不小于5 m的位置施工排放钻孔进行排放。排放钻孔必须穿过油层全厚, 且进入第二油层 (下油气层) 底板岩层500 mm。经一定时间排放且检查无灾害危险后, 可再采用远距离放炮、分段揭过油气层。
测试钻孔施工完毕后, 在孔中插入带有压力表接头的φ12.5 mm镀锌管制做的导气管, 上油气层导气管长50 m, 下油气层导气管长90 m。其中导气管节长2 m, 中间用管箍联接, 在联接前将丝扣用生料带缠好, 以确保其气密性。
由于钻孔施工水量很大, 钻孔施工完毕后, 不能排尽孔内积水, 用常规方法无法保证封孔质量, 现场决定采用自下而上注双液浆的方法进行封孔。
2.2 油气排放
金家渠煤矿风井油气层含量高, 压力大, 围岩松软, 具有严重的突出危险性, 且井筒冻结和钻孔积水比较严重, 如果仅依靠自然排放, 则揭过近100 m油气层工期可能需要1 a多时间, 不仅耽搁时间长, 而且由于油气缓慢释放, 也极不利于工作面施工安全。为快速达到排放效果, 缩短过油气层工期, 保障气候适宜期间施工完井筒等工作需要, 根据本次测定和分析结果, 对油气上层考虑采取液氮四项泡沫排放油气层油气措施, 且液氮泡沫排放油气在石油开采领域已有很好的应用研究, 是相对比较成熟的科研成果。
液氮泡沫排放油气技术利用均匀布置在石油岩层内的大量钻孔, 先通过钻孔预先压注高压的液氮四项泡沫体。液氮经一定时间自我膨胀、挥发、卸压, 同时液氮中添加有机溶剂, 溶解吸收油气, 携带油气排出, 经一定时间排放后, 降低含油层的油气压力与油气含量, 并利用由此引起油层围岩, 即砂岩层的收缩变形、地应力下降、颗粒充填物促使强度增高等效应, 使油气层失去突出的危险性。因此, 对立井井筒施工揭过油气层如何排放油气层, 开展液氮泡沫排放技术研究, 进一步提高施工应用范围和效果, 有着长远的经济意义。
3 油层封堵和井壁加固技术
3.1 油气藏封堵的基本原理
高渗透和裂缝性油气藏易发生较严重的固相堵塞损害, 不易发生水锁损害。稠油藏和高渗透油气藏易产生出砂损害。低渗和特低渗油气藏易发生较严重的水锁和水敏损害, 不会发生严重的固相堵塞损害。低渗透的气藏比低渗透的油藏水锁损害更严重。高粘油藏易发生有机沉淀堵塞损害。多数砂岩油藏都存在程度不同的速敏和水敏损害。油气层的储集空间主要是孔隙, 渗流通道主要是喉道, 喉道是指连通孔隙的狭窄部分, 是容易受损害的敏感部位。孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其连通性关系, 称为油气层的孔隙结构。可将油气层孔喉划分为缩颈喉道、点关喉道、片状或弯片状喉道、管束状喉道4种。
岩石表面被液体润湿的情况称为岩石的润湿性, 液体能够在岩石表面铺展, 称为岩石对这各液体润湿, 反之, 则为不润湿或非润湿。完全润湿角为0°, 润湿角为<90°, 中性润湿角为90°, 非润湿角为>90°, 完全不润湿润角为180°。
金家渠煤矿中部风井井筒施工冻结段过油气层施工, 主要是利用完井液的逆运用, 采用注浆法封堵孔隙和油层喉道, 通过水、酸的敏感损害, 达到井筒周围的阻油防渗、注浆加固井壁周围围岩和井壁的目的。
3.2 油气层段井壁注浆加固、堵气防渗措施
揭过油气层后, 待冻结壁解冻后, 为合理加固油气层松软围岩、外围油层和油气压力影响等问题, 利用注浆泵通过最外两圈预埋注浆管的排放钻孔对上、下油气层进行高压注浆[5]。为提高封闭圈的强度, 封孔、注浆前, 在孔内预埋导流筋。
金家渠煤矿风井、副井对上、下油气层分别实施注浆, 注浆量为243 m3和196 m3 (混合量) 。注浆过程中, 周围井壁接茬处有出浆现象, 注浆压力达到设计要求。注浆后井筒中闻不到柴油气味, 说明浆液渗入油气层有效作用范围, 堵塞了油气的释放、运移。注浆固化4 d后, 打开注液管球阀, 无反水、排气现象。
4 技术研究成果应用比较
立井井筒施工工程因现场施工工艺、技术装备和人员管理等限制, 井筒揭过高压瓦斯煤层一般以钻孔排放降低煤层气体含量和压力的方法居多, 此法所占工期长, 自然排放效果慢, 钻孔布置对排放影响大。为减小上述排放难题对本次油气层排放的影响, 本次采用全深冻结立井井筒揭过油气岩层的方法。因冻结法施工对该冻结井的排放钻孔的控制范围需做适当调整, 缩小排放半径, 不打穿冻结壁, 不伤害冻结圈, 防止冻结圈外围岩含水层影响施工及冻结壁防水功能。排放达标后, 采用远距离爆破揭过油气层后, 待后期井筒成井后, 按油层气藏理论的相应参数, 进一步防范和减少油气层及油气对井筒井壁的危害和油气渗漏运移带来的隐患, 通过预埋注浆管路对油气层段注浆封堵油气, 加固井壁, 消除隐患, 避免后期处理井壁的复杂施工。
5 结论
研究采取对全深冻结立井井筒揭过油气岩层施工, 实施以液氮四项泡沫油气排放为先、远距离爆破过油气层、注浆加固和堵塞通道为后的研究方案。通过现场应用实践, 效果显著, 成功解决了全深冻结井筒施工过油气岩层的相关方法和参数研究, 为井筒揭过油气层提供科学依据。
摘要：为探讨全深冻结立井井筒揭过油气岩层技术, 对井筒过油气层施工方案进行研究, 对油气层进行钻孔探测, 并运用液氮泡沫技术排放油气, 采用注浆法封堵孔隙和油层喉道以阻油防渗, 同时加固井壁围岩和井壁。宁煤金家渠煤矿现场运用该研究技术的效果表明:实施以液氮四项泡沫油气排放为先、远距离爆破过油气层、注浆加固和堵塞通道为后的方案, 安全顺利实现了全冻结立井井筒过油气岩层施工, 为井筒揭过油气层提供科学依据。
关键词：全深冻结,油气岩层,液氮排放,揭过油气岩层
参考文献
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井筒冻结 篇7
虎豹湾矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗境内。由济南设计研究院负责设计, 设计生产能力为5.0 Mt/a, 采用立井开拓, 工业场地内布置主、副、风及二副4条立井, 其中副井及二副井井筒掘砌工程均由中煤五建三处施工。副井井筒净直径7.0 m, 井深582.38 m, 采用全深冻结, 冻结深度600 m, 双层钢筋混凝土井壁结构, 并设有3个壁座。井壁主要技术参数如表1所示。
该矿井位于毛乌素沙漠的东部, 具有高原沙漠地貌的典型特征, 地表均被第四系风积砂覆盖, 无基岩出露。根据钻孔揭露地层由老至新有:侏罗系中统延安组 (J2y) 150.35 m、侏罗系中统直罗组 (J2z) 155.5 m、侏罗系中统安定组 (J2a) 97.94 m、白垩系下统志丹群洛河组 (K1zh) 117.93 m、新近系上新统保德组 (N2b) 14.55 m和第四系 (Q3+4) 69.39 m, 即表土段83.94 m。该矿为低瓦斯矿井。
因井筒穿过多层强含水层且井底无隔水层, 预计井筒涌水量510.7 m3/h, 故采用全深冻结法。
2 施工方案
2.1 井筒冻结方案
该井筒采用两圈冻结孔共同运转的施工方案。外圈冻结孔作为主冻结孔, 采用差异冻结, 其中21个深孔孔深600 m、21个浅孔孔深242 m;内圈冻结孔14个作为辅助冻结孔, 孔深93 m;并设有3个测温孔和1个水文观测孔。
特点:既能保证各控制层位的冻结壁厚度和平均温度均满足设计要求, 而且能保证井筒开挖时表土段冻结壁接近井帮, 避免出现跨帮、抽帮现象, 满足井筒安全、快速、连续施工。
2.2 井筒开挖条件
当井筒冻结具备下列条件, 方准开挖: (1) 井筒内水文观测孔的水位由开始缓升、后下降而趋于稳定, 然后逐渐稳定上升, 直到迅速上升并溢出孔口; (2) 根据测温孔和水文孔资料分析, 冻结壁已发展到设计厚度, 且能满足井筒快速连续施工; (3) 经过试挖, 证明冻结壁已实际形成, 并与分析的结果一致; (4) 凿井施工设备及设施已安装并调试完毕; (5) 已做好开挖前的施工准备。
2.3 井筒掘砌施工方案
根据设计的井壁结构图, 以壁座为分界线, 井筒分三次套内壁施工。即先掘砌施工至220 m的壁座位置, 进行第一次套内壁施工;再掘砌施工至525.5 m位置, 进行第二次套内壁施工;井筒掘砌施工到底后, 进行第三次套内壁施工, 同时预留相关硐室的开口位置;最后施工相关硐室。
井筒第四系和新近系段采用小型挖掘机直接挖掘装入吊桶, 基岩段钻爆法施工, 整体下行金属模板浇筑外壁, 其中表土段掘砌高为2.5 m, 基岩段掘砌高3.6 m, 并采用12套高度为1.2 m的装配式金属模板倒模法浇筑内壁, 并留2套模板备用。
3 机械化配套施工设备
井筒内设置双层凿井吊盘, 下层吊盘安设2台中心回转抓岩机出矸, 上层吊盘作为施工保护盘。吊盘主提喇叭口设计成方形, 便于挖掘机上下井。喇叭口一侧设扶梯, 便于人员上下吊桶。压气管、供水管、排水管及风筒等沿井壁吊挂。主要机械化配套设备如表2所示。
4 施工工艺
4.1 井筒表土段施工
井筒冻结具备开挖条件后, 即可施工6 m临时锁口。挖掘机挖土, 提升机提升, 锚网喷+井圈临时支护, 装配式金属模板自下而上砌壁。
表土段采用小型挖掘机挖土。掘进时, 先挖井筒净径以内的土体, 然后逐渐刷大至设计荒径。
工作面掘够砌壁段高找平后, 开始绑扎井壁钢筋, 最后找正整体金属模板浇筑混凝土。
4.2 井筒基岩段施工
井筒基岩段采用光面、光底、弱震、弱冲爆破技术钻爆法掘进。FJD-6G型伞钻配YGZ-70型凿岩机凿岩, B25 mm×5 m六角中空合金钢钎杆和φ55 mm十字形合金钎头。8个直眼掏槽, 眼深4.7 m, 其余炮眼深4.5 m, 周边眼间距550 mm。爆破材料选用T220型防冻水胶炸药和抗杂散电流毫秒延期电雷管, 雷管脚线长6.5 m, 地面动力电源起爆。采用CX55B型电动挖掘机配合HZ-6型中心回转式抓岩机装矸入吊桶, 提升机提至地面。找够砌壁段高后, 绑扎钢筋、校模 (段高3.6 m) 、浇筑混凝土, 之后用CX55B型电动挖掘机清底。
4.3 壁座施工
该井筒分别在220 m、525.5 m设钢筋砼筒形壁座, 井底设钢筋砼锥形壁座。壁座一次掘完后绑扎钢筋, 并采用装配式金属模板砌筑壁座及内壁施工。掘进时进行锚网喷临时支护。采用φ45×1 800 mm缝管式锚杆, 间排距900 mm×900 mm。喷射混凝土厚80 mm, 混凝土等级C20。
4.4 井筒内壁施工
井筒内壁使用12套段高1.2 m的装配式金属模板分3次自下而上倒模法完成套砌施工。利用凿井吊盘和拆模盘作为工作盘和保护盘。上层盘用于铺设塑料板和放灰, 盘上设人员躲避室;下层盘用于绑扎钢筋、组装模板、浇筑混凝土。吊盘下悬吊的刚性连接双层拆模盘用于拆模及井壁修饰、洒水养护。井筒内层井壁厚度大、强度高, 为高强度大体积混凝土工程。为了保证内壁质量, 采用水淹法养护井壁, 防止井壁因温度应力出现裂纹。
4.5 井筒相关硐室施工
相关硐室在井筒套壁结束并进行探水后, 利用吊盘下悬挂的工作盘施工。
施工顺序:管子道→马头门→井底清理硐室;施工期间做好锚网喷临时支护;采用钻爆法掘进, 气腿式凿岩机凿岩、光面爆破, 耙矸机配合中心回转抓岩机装罐。
硐室揭露冻结管后, 先放出管内盐水并割除冻结管, 再用钢板封严, 在冻结管外预埋2根注浆管 (孔内管端形成2 m高差) , 便于后期注浆充填和泄压, 之后砌筑硐室混凝土支护, 待井壁混凝土达到龄期强度后, 在注浆管内注浆充填冻结管以外的孔内空间, 封堵冻结孔的涌水通道。
4.6 综合防治水
该井筒穿过多层含水层, 且水量较大, 但因井筒采用全深冻结, 故井筒施工期间不考虑水患;但因井筒冻结段底部无隔水层, 故井筒落底前, 坚持“先探后掘”原则通过, 即采用伞钻在井筒中心打一个探孔, 探明下部含水层水量及冻结情况, 同时完善排水系统, 防突水事故。
井筒解冻前, 应进行壁间注浆充填, 保证井筒解冻后的总涌水量符合规范要求。
5 施工效果
该井筒于2009年2月1日开挖, 并于2009年9月30日井筒及马头门掘砌施工结束, 并分别在2009年3、5、6月份取得外壁掘砌单进142.6 m、151.2 m和140.4 m的施工佳绩;相关硐室在冻结壁的保护下快速施工, 避免了因解冻出现水患, 实现了安全施工并保证了工程质量;该矿井的另一个井筒的相关硐室施工期间, 因施工速度慢, 造成冻结壁解冻突水淹井;后应业主要求, 对该被淹的井筒成功地进行治水, 达到了业主的满意。
6 结论