第29卷第2期 建 井 技 术 Vol129 No12
2008年 4月 MINECONSTRUCTIONTECHNOLOGYApr1 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3MPa;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2MPa);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。
7建 井 技 术 2008年第29卷(3)冻结孔实际深度
按《矿山井巷工程施工及验收规范》规定,井筒的冻结深度,必须深入不透水的稳定岩层10m以上,这个数值应为有效冻结深度。但由于冻结管下部一般都有长3m左右的加重管,此段盐水是不循环的,从而会影响该段冻结效果。因此,确定冻结孔实际深度时,应考虑这一因素。(4)掘进段高冻结井筒凿井施工中,掘进段高应根据井筒所处深度的土层性质、冻结壁强度及掘进速度等因素综合确定。粘土层中的掘进段高一般为115～215m。井深不超过200m时,井帮温度可在-3℃以上,掘进段高可适当加大。井深超过200m后,井帮温度要逐渐降低,掘进段高要适当减小。尤其是井深超过300m后,一般井帮温度要低于-8℃,掘进段高要严格控制,使每循环时间(一般在20h内)内的井帮位移不超过50mm。(5)水源井对冻结的影响井筒冻结期间,尤其是冻结初期,一般要求井筒周围300m内的水源井不得使用,以免影响井筒冻结。主井井筒冻结初期,测温孔温度有一段时间不太正常,后发现矿区外的个别农用水源井正在抽水浇地。后来通过协调,停止了农用水源井使用,测温孔温度很快就恢复了正常。(6)已断裂冻结管的处理
冻结井筒施工中,为了确保冻结效果,对个别已断裂的冻结管,通常采用下套管的方法进行处理。主井井筒施工中,在已断裂的<140mm冻结管内下入了<90mm套管,内置<60mm供液管;同时增加加压泵,确保套管内的盐水流量达到原设计流量的60%以上,保证了冻结效果。
作者简介马永贞(1963—),男,高级工程师。1987年7月毕业于山东矿业学院建井专业,现任济宁矿业集团花园煤矿总工程师。
小型装载机《MiningMagazine》近期报道,Bobcat公司最近推出一种小型装载机,取代原有的463型装载机。它不仅结构紧凑,外型更小,而且在性能上有了重大改进。S70小型装载机宽901mm,高1814mm,总长(包括标准装载铲斗)2553mm,工作质量仅1291kg,对于作业场所狭窄的小断面巷道掘进,是最理想的装载机械。S70小型装载机配1618kW柴油发动机,发动机功率和工作质量构成了很好的动力质量比。它带有新型液压泵控制系统,用强力弹簧取代了扭力弹簧,能有效地减少维修工作量。(梅宁)3 3 3我国煤矿事故死亡人数连续2年出现下降从近日在京召开的2008年全国安全生产工作会议上获悉,2007、2006年,我国煤矿事故死亡人数同比分别下降了2012%和2011%。据了解,近年来,在煤炭产量不断提高的同时,我国煤炭百万吨死亡率逐年下降。2007年全国煤炭产量近26亿t,比2002年增长80%左右;而煤炭百万吨死亡率则由2002年的4.94下降到了1.485,但其中乡镇煤矿仍然较高,超过310。会议强调,对我国煤矿安全生产问题的特殊性、复杂性必须有足够的认识,切不可盲目乐观。要时刻保持清醒的头脑,严防煤矿安全事故发生局部性、阶段性反弹。(建信)3 3 3山西国有重点煤矿今年将全部建成标准化矿井从日前召开的山西省煤炭工作会议上获悉,山西省今年将加大安全投入,加大建设力度。山西省国有重点煤矿要全部建成标准化矿井,地方煤矿2008年要建成400处标准化矿井,基本建设矿井及资源整合矿井要在矿井投产当年建成标准化矿井。在建设标准化矿井的基础上,山西省将全力整合资源,提高产业集中度,力压30%的煤矿数量,大集团产量要占到山西省产量的70%以上。(建信)3 3 3
我国首个煤矿安全现代化仿真矿井实训基地落户兰州近悉,由国家教育部、财政部立项,中央财政、甘肃省财政和兰州资源环境职业技术学院共同投资建设的地处甘肃兰州小青山的我国首个地下煤矿安全现代化仿真矿井实训基地即将竣工,它完整地包含了现代化煤矿提升、运输、通风、采掘、安全监控等系统。基地建成后,将实现区域共享,成为我国同类院校专业师生实训的开放性示范基地和对地方煤矿企业员工进行安全培训的理想场所。(建信)3 3 3
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