花园煤矿主井井筒冻结法凿井施工实践

　第29卷第2期

　建　井　技　术　

Vol 129　No 12　2008年　4月 MIN E CONSTRUCTION TECHNOLO GY

Apr 1 2008

花园煤矿主井井筒冻结法凿井施工实践

马永贞

(济宁矿业集团公司,山东济宁,272000)

摘　要:简要介绍了花园煤矿主井井筒深厚冻结粘土层段的掘砌施工方法,以及冻结表土

段掘砌施工中发生的冻结管断裂事故及处理方法;并对断管原因进行了分析,提出了深冻结井筒防止冻结管断裂的措施。 关键词:冻结法;井筒;深厚粘土层;冻结管断裂;防片帮孔 中图分类号:TD26513+

4 文献标识码:B 文章编号:1002-6029(2008)02-0006-03

收稿日期:2007-11-28

1　工程概况

济宁矿业集团花园煤矿位于山东省金乡县境内,设计年产量45万t ,采用立井开拓方式。主井井筒设计净直径415m ,井深570m 。井筒穿过的第四系冲积层厚478m ,其中钙质粘土所占比例较大,单层厚度最大达5115m (埋深370～42115m )。检查孔资料及冻土试验结果显示,粘土含水率较低,个别层位含水率不足10%。钙质粘土单轴蠕变变形较大,-10℃时最大达14%;冻胀率也较大,-10℃时最大达25%;冻土强度偏低,-20℃时仅为3M Pa ;冻结冰点为-213℃。

井筒表土段采用冻结法施工,设计冻结深度512m 。井筒冻结段为钢筋混凝土井壁,厚800～1550mm 。共布置3圈冻结孔:内圈为防片帮孔(13个孔),圈径918m ,孔间距2.35m ,深210m ,

冻结管为<159mm ×5mm 无缝钢管;中圈为主冻结孔(31个孔),圈径13115m ,孔间距1.28m ,深512m ,冻结管为<140mm ×(5～7)mm 无缝钢管;

外圈为加强冻结孔(40个孔),圈径2113m ,孔间距1163m ,深483m ,上部200m 冻结管为<159mm

×5mm 无缝钢管,下部283m 冻结管为<140mm ×7mm

无缝钢管。井筒冻结孔平面布置见附图。

主井井筒设计冻结需冷量为119万MJ /h ,冻结站制冷能力为813万MJ /h ,全部使用高效螺杆压缩机。设计盐水温度为-33～-35℃,冻结壁厚度813m ,冻结壁平均温度-20℃,控制层井帮温度-8℃,积极冻结时间96d 。

井筒于2005-04-20开机冻结;冻结58d

后,深水文孔冒水;冻结75d 后,井筒正式开挖;到2006年6月,顺利完成了冻结表土段掘砌施工。2　冻结段掘砌施工中遇到的问题及处理方法

主井井筒在正式开挖后的头2个月里,掘进段高为313m ,月进度均超过100m ,施工速度较快,施工也较为顺利。但在掘进到下部时,尤其是到256m 深以后,由于井帮温度偏高,冻土强度低等原因,井帮位移较大,开始出现冻结管断裂现象。井筒掘进到371m 深时,共发生了4次断管事故,共断管6根,均为中圈管。4次断管时的井帮温度分别为0～015,-3～-4,-2～-5,-6～

-

12℃;掘进段高分别为113,215,113,115m 。4

次断管事故均发生在浇筑外壁前,井帮空帮时间较长的时间段上。

井筒断管事故发生后,采取了下套管恢复冻结管功能;加强冻结,降低井帮温度,提高冻结壁强度;控制掘进段高,加快掘进速度,缩短井帮暴露时间等措施进行处理,收到了较好的效果。400m 深以下冻结表土段井筒施工中,井帮温度

均低于-10℃,粘土层掘进段高均控制在118m 以下,同时加强了井帮位移、井帮温度及底鼓等的监测,确保了施工安全。井筒371m 深以下未再发生断管事故,安全顺利地通过了深厚粘土层段。3　断管事故分析

主井井筒冻结管断裂有3个特点:一是断管位置大多在掘进工作面以下4～8m 深处,断管时间都是在浇筑外壁混凝土前,断管处地层均为钙

　第2期 马永贞:

花园煤矿主井井筒冻结法凿井施工实践

附图　

主井井筒冻结孔平面布置示意

质或红色粘土层;二是部分断裂的冻结管偏向井心;三是井帮温度不均且相对较高的一侧,断管较多。

根据分析,断管主要原因如下:①地层中粘土较多,且粘土含水率较低,冻胀率和蠕变性均较大,冻土强度低(-15℃时仅为2M Pa );②连续钙质粘土厚度较大,最厚达5115m ;③上部井帮温度偏高,冻结壁强度偏小;④个别冻结管偏向井心距

离较大;⑤在低温(-35℃)下,冻结管接头焊接处的抗拉强度低。4　经验和体会

(1)防止冻结管断裂的措施

冻结管断裂是深井冻结施工中的常见现象,采取的措施主要有:①确保冻结孔施工质量,减小偏斜率,控制冻结孔偏斜,尤其是向井筒中心方向的偏斜,确保偏斜在允许范围之内。②保证冻结管连接质量,尤其是连接处的焊接质量。③尽量加大冻结管一次下放长度,减少冻结管下放时间

(可在地面提前将2节管子焊接在一起,节省焊接点冷却时间,从而可减少冻结管下放时间,同时还可减少管子在井口焊接带来的不便),防止下放期间冻结孔缩孔。由于主井井筒冻结孔穿过的膨胀粘土层较多,必须加快冻结管下放速度,尽量将每孔冻结管下放时间控制在8h 之内;否则,下放时

间过长,冻结孔下部就有可能出现缩孔现象,造成冻结孔下放不到位。主井井筒有1个冻结孔曾出现过这种情况,不得不把冻结管拔出后再重新下管。④深部粘土层段加强冻结,降低井帮温度,提高冻结壁强度;同时严格控制掘进段高,加快掘进速度,缩短井帮暴露时间。⑤加强监测。

(2)防片帮孔深度

目前,深冻结井筒一般均布置3圈冻结孔,即内圈、中圈和外圈孔;其中内圈为防片帮孔,其深度的确定应考虑井筒施工速度等因素。一般井筒正式开挖后,施工速度均较快,相当数量的井筒月进度都超过了100m 。因此,防片帮孔应尽量加深,并加强冻结,以防掘进时片帮。

另外,井筒防片帮孔段掘砌施工结束时,往往是掘进工作面冻结壁最薄弱的时候。此时,工作面冻结壁厚度及井帮温度必须要达到设计要求,以防断管,确保施工安全。

主井井筒正式开挖后,头2个月月进度分别达到了110m 和102m ,很快穿过了210m 深的防片帮孔段。此时,井帮温度马上由-5℃升至-1℃左右。此后,当井筒接着继续下掘只有20m 时,便发生了第1次断管事故,断管主要原因显然是井帮温度高,冻结壁强度低。由此可见,确定深冻结井筒正式开挖时间时,必须考虑深部冻结效果能否满足井筒施工进度的要求,以确保施工安全。

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