凍結(jié)管斷裂與防治

1、凍結(jié)管斷裂原因與防治兗礦集團(tuán)新陸凍結(jié)安裝有限公司戴華東 齊吉龍摘要：本文通過對斷裂凍結(jié)管的調(diào)查及對凍結(jié)管受力狀態(tài)的分析，從工程施工角度分析了影響凍結(jié)壁位移，造成凍結(jié)管斷裂的原因，并提出了工程上防止凍結(jié)管斷裂的措施，這些措施在一些深井凍結(jié)中應(yīng)用并取得了較好的效果。關(guān)鍵詞：凍土、位移、凍結(jié)管、斷裂一、概述我國采用凍結(jié)法鑿井已有44年歷史，共開鑿了420多個(gè)井筒，累計(jì)深度6.6萬米，其中表土超過250m，凍結(jié)深度超過300m的凍結(jié)井有70多個(gè)。在深井凍結(jié)中凍結(jié)管斷裂是對鑿井的最大安全威脅，防斷管技術(shù)至今還未過關(guān)。隨著今后新建礦井表土深度的增加，如何防止凍結(jié)管斷裂將是首先面對的技術(shù)問題。根據(jù)最新資料統(tǒng)

2、計(jì)目前國內(nèi)外凍結(jié)井筒已有61個(gè)井發(fā)生過凍結(jié)管斷裂，共斷管301根，淮南深厚表土凍結(jié)井幾乎都發(fā)生過斷管。如潘集2#主井?dāng)喙?根、副井?dāng)喙?根、西風(fēng)井?dāng)喙?根、南風(fēng)井?dāng)喙?4根；潘三東風(fēng)井?dāng)喙?2根；東榮三礦風(fēng)井?dāng)喙苎途?；張集風(fēng)井?dāng)喙?根；祁東主井?dāng)喙?根；濟(jì)寧2#風(fēng)井?dāng)喙?根；岱莊副井?dāng)喙?根；葛亭副井?dāng)喙?根；唐口副井?dāng)喙埽ㄝo孔）1根等等。國外六七十年代深井?dāng)喙芤膊簧?，如蘇聯(lián)扎波羅滋1#南風(fēng)井?dāng)喙苈?00%，波蘭留賓銅礦斷管率89.2%；加拿大雅伯1#井?dāng)喙苈?2.5%。世界上目前表土最深（511.5 m）的蘇聯(lián)雅可夫凍結(jié)井（凍深620 m）斷管15根，斷管率22.7%，從凍到停27個(gè)月，由此

3、可見凍結(jié)管斷裂是凍結(jié)鑿井的最大威脅。凍結(jié)管斷裂造成的經(jīng)濟(jì)損失也是巨大的，如波蘭某銅礦斷凍結(jié)管6根，處理事故花費(fèi)近百萬元；謝橋副井?dāng)喙?2根，造成凍結(jié)壁開天窗淹井，又重新凍結(jié)，造成經(jīng)濟(jì)損失近1000萬元。二、凍結(jié)管斷裂原因2.1 國內(nèi)深厚粘土層中凍結(jié)管斷裂調(diào)查（見表1）表1深厚粘土層中凍結(jié)管斷裂成因調(diào)查表序號斷裂成因國內(nèi)凍結(jié)管斷裂實(shí)例安全對策1斷管深度H（m）潘一風(fēng)井153203、潘二主井162221、副井185285、西風(fēng)井164288、南風(fēng)井154162；潘三主井206265、東風(fēng)井250320；謝橋副井230239、矸石井225238；海孜262；祁南260；平八東風(fēng)井198315。深度小

4、于150m或大于320m安全；在其之間應(yīng)謹(jǐn)慎2斷管處段高（m）潘二主井3.6、副井5.4、西風(fēng)井5.3、南風(fēng)井7.6；潘三主井5.28.7、中央風(fēng)井7.2、東風(fēng)井6.38.3、副井6.2；謝橋矸石井4.37.3；蘆嶺西風(fēng)井4.0；海孜西風(fēng)井8.0、主井810。膨脹性粘土取1.52.5，砂土類取2.53.53凍結(jié)壁裸露時(shí)間/段高（h/m）潘三東風(fēng)井156/47、180/49、234/51、204/52、300/58；謝橋矸石井128/42、204/43、144/44、244/45。膨脹性粘土小于20；砂土類小于304凍結(jié)管到荒徑的距離（m）潘一輔助孔1.2、潘二主井3.55、副井3.4、西風(fēng)井3

5、.05、南風(fēng)井2.65；潘三主井2.0、副井2.05、中央風(fēng)井1.75、東風(fēng)井3.2；謝橋副井2.7、矸石井2.15；海孜2.45、西風(fēng)井2.4；祁南主井3.57；平八3.25；濟(jì)寧2#風(fēng)井2.45，北宿主井0.95、副井0.6；唐口副井輔助孔1.25。深厚粘土中大于2.5，井幫溫度不高于-85凍結(jié)壁位移量/段高（mm/m）潘三東風(fēng)井段高4.5m時(shí)大于40mm, 段高4.9m時(shí)大于80mm，段高5.0m時(shí)大于113mm，段高5.5m時(shí)大于125mm。位移總量小于50mm6迎頭底鼓量/段高（mm/m）潘三東風(fēng)井段高4.5m時(shí)底鼓量110mm、 段高4.7m時(shí)底鼓量600mm、段高4.9m時(shí)底鼓量

6、400mm、段高5.1m時(shí)底鼓量350mm、段高5.5m時(shí)底鼓量500mm、段高5.6m時(shí)底鼓量450mm。底鼓量小于2507斷管處巖性潘一東風(fēng)井厚粘土；潘二粘土、砂質(zhì)粘土；潘三主井風(fēng)化基巖、副井固結(jié)鈣質(zhì)粘土、粘土與砂層交界面；謝橋粘土；祁南粘土；平八粘土；濟(jì)寧2#風(fēng)井粘土；唐口副井粘土。8斷裂部位絲扣管箍連接處脫扣，焊接外管箍上焊縫或下焊縫處。內(nèi)襯箍坡口對接焊9人為管理因素潘二西風(fēng)井焊接質(zhì)量差，開挖前斷管7根；潘一東風(fēng)井、潘二南風(fēng)井套管斷裂各1根。潘二、潘三、謝橋等八個(gè)井筒普遍超挖200900。加強(qiáng)管理,提高焊接質(zhì)量10斷管數(shù)量統(tǒng)計(jì)潘一東風(fēng)井5根、潘二主井5根、副井8根、西風(fēng)井8根、南風(fēng)井1

7、4根；潘三主井5根、副井5根、中央風(fēng)井7根、東風(fēng)井22根；謝橋副井32、矸石井34根；蘆嶺西風(fēng)井15根；海孜主井1根；祁南主井3根；平八東風(fēng)井16根；濟(jì)寧2#風(fēng)井2根，北宿主井7根、副井12根；唐口副井1根等等。2.2 凍結(jié)管變形規(guī)律凍結(jié)管在凍結(jié)壁中的受力狀態(tài)是極其復(fù)雜的，在凍結(jié)初期井筒未掘砌，凍結(jié)壁處于三相應(yīng)力平衡狀態(tài)，凍結(jié)管斷裂主要是由于鹽水溫降過快，凍結(jié)管在短時(shí)間內(nèi)急速收縮，沿凍結(jié)管軸向產(chǎn)生拉應(yīng)力而造成的；井筒掘砌后凍結(jié)壁的三相應(yīng)力平衡得到破壞，將產(chǎn)生如下狀態(tài)：掘進(jìn)段高內(nèi)凍結(jié)管出現(xiàn)兩頭被凍結(jié)固定，中間滯后而產(chǎn)生溫度拉應(yīng)力；凍結(jié)的土、巖層線形膨脹系數(shù)不一樣產(chǎn)生剪切應(yīng)力；沿凍結(jié)管切向的土、巖

8、層線形膨脹系數(shù)不一樣產(chǎn)生切向應(yīng)力。尤其在厚粘土層與砂層、厚粘土層與堅(jiān)硬巖石層的接觸面，由于上下不同土層的熱變形值相差較大，變形不一致，成為威脅凍結(jié)管的最危險(xiǎn)部位。凍結(jié)管在掘進(jìn)段高內(nèi)的受力可簡化為圖1的形式。其彎矩和軸力可用下述方程描述： 永久支護(hù)段5 Y H3 2dx 4井筒中心線 凍結(jié)壁變形段h H2 R13 H1 1原始地層X圖1 凍結(jié)管變形示意圖圖中：1凍結(jié)管變形曲線；2凍結(jié)管原始位置；3工作面；4外壁；5內(nèi)壁； H1工作面下超前變形段；H2掘進(jìn)段變形段；H3滯后變形段。M = -EI（d2y/dx2）（1）N = EA(dy/dx)2 EAT + µe A/2（2）式中：E彈

9、性模量，MPa；I截面模量，2；T溫差，；µ泊松比；e環(huán)向應(yīng)力，MPa；材料的熱膨脹系數(shù)和收縮系數(shù)；凍結(jié)管隨凍結(jié)壁的位移而變形，試驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)測表明井幫的最大位移發(fā)生在掘進(jìn)段高中上部約1/21/3處。因此控制凍結(jié)壁上部位移，對減少凍結(jié)管斷裂有重要意義。2.3 原因分析根據(jù)對國內(nèi)凍結(jié)管斷裂實(shí)例的調(diào)查和對凍結(jié)管變形規(guī)律的分析，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)管斷裂的主要原因是由于凍結(jié)壁位移過大造成的。凍土的流變性決定了凍結(jié)壁必然要產(chǎn)生位移，在井筒掘砌過程中凍結(jié)壁位移是不可避免的，但是凍結(jié)壁的位移量卻是可以控制的。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)發(fā)生凍結(jié)管斷裂的井筒，普遍存在著以下現(xiàn)象： 斷管處為厚粘土或粘土層與砂層交界面； 掘砌段高

10、大； 凍結(jié)壁裸露時(shí)間長； 凍結(jié)管距荒徑近； 凍結(jié)管多為絲扣連接或外管箍焊接； 井幫溫度較高； 掘砌工作面底鼓量大等。所有這些現(xiàn)象都直接或間接造成了凍結(jié)壁位移增大、凍結(jié)管斷裂。三、防斷管措施凍結(jié)壁位移危及凍結(jié)管安全這是客觀存在的，要防止凍結(jié)管斷裂就要控制凍結(jié)壁位移在凍結(jié)管允許變形范圍之內(nèi)，通過近幾年的工程（金橋、葛亭、岱莊等）實(shí)踐，控制凍結(jié)壁位移防止凍結(jié)管斷裂要采取綜合措施：3.1 科學(xué)合理地確定凍結(jié)圈徑通過斷管實(shí)例和我們的施工經(jīng)驗(yàn)，適當(dāng)加大凍結(jié)管布置圈徑，深厚表土凍結(jié)井凍結(jié)管在任何部位離荒徑不得小于3300（包括內(nèi)偏值）。所以我們認(rèn)為把凍結(jié)管（主孔）設(shè)計(jì)在距荒徑3300（表土<250m）

11、3800（表土>300）比較合適。3.2 設(shè)輔助孔并延長至表土段底部以前國內(nèi)外設(shè)置輔助孔的目的只是為防止井筒上部開挖時(shí)塌幫，所以深度都比較淺，一般為90120m?，F(xiàn)在深井凍結(jié)業(yè)主要求開挖時(shí)間短、掘砌速度快，淺輔助孔已不能適應(yīng)要求。所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)改變思路，把輔助孔向下延伸，使輔助孔即防止上部早開挖塌幫，又對中下部凍結(jié)壁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，降低了井幫溫度，起到了明顯作用（金橋250m、葛亭280m、梁寶寺310356m）。3.3 嚴(yán)格打鉆要求，控制偏斜率隨著國內(nèi)凍結(jié)鉆孔施工技術(shù)的提高，對凍結(jié)孔偏斜率提出了更高的要求，表土段偏斜率<2.5，向井心偏值<600800，用高于國家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求來

12、規(guī)范凍結(jié)孔施工。3.4減少凍結(jié)管溫度應(yīng)力凍結(jié)管線性收縮量為：L=Ha（T1-T2）（3）式中：H凍結(jié)管深度，m； a凍結(jié)管線性膨脹系數(shù)；T1地溫，；T2鹽水溫度，；凍結(jié)管拉應(yīng)力為：s=Eat（4）式中：E鋼管彈性模量，N/mm；a凍結(jié)管線性膨脹系數(shù)；t地層結(jié)冰溫度與凍結(jié)壁中心溫度之差，； 開機(jī)運(yùn)行57天，至鹽水溫度降到-2，讓凍結(jié)管在泥漿還未凍結(jié)未及抱住情況下，充分自由收縮。然后，鹽水驟然降至-8以下，讓凍結(jié)管在短時(shí)間內(nèi)急速收縮，這樣凍結(jié)管1/2收縮量為自由狀態(tài)收縮量，減少由于鹽水降溫過快引起的溫度應(yīng)力。 配管時(shí)，有意錯(cuò)開接頭位置，使所有凍結(jié)管接頭的2/3不在同一水平上，上下錯(cuò)開35m，也可避

13、免應(yīng)力集中。3.5降低井幫溫度按建井規(guī)范深厚粘土層凍結(jié)井深200300m，井幫溫度為-5-8；深300400m，井幫溫度為-10-12；深度>300m，井幫溫度<-12是比較合適的。3.6 控制井幫位移量<50掘砌過程中對井幫位移進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)位移量大于50時(shí)，及時(shí)調(diào)整掘砌段高，盡可能縮短空幫時(shí)間，減少井幫位移，使其小于50。凍結(jié)壁位移及凍結(jié)管變形計(jì)算，采用公式：Ud = （5） Ua=RaRa2+ Ud2-2RbUd（6）式中：Ud凍結(jié)管位移，cm；Ua-凍結(jié)壁位移，cm；Ra-掘砌荒半徑，cm；Rb-凍結(jié)壁外半徑，cm；P-地壓，MPa；h-段高，cm；t-凍結(jié)壁暴露時(shí)間，

14、h；-段高上、下端約束系數(shù)；A、B、C為凍土蠕變參數(shù)。3.7 在深厚粘土層中控制掘砌段高<1.5m，段高裸露時(shí)間<24小時(shí)，即在凍結(jié)段掘砌過程中實(shí)行短段掘砌、分段套壁。3.8 主張“抗讓兼施”，建議壁后設(shè)置泡沫塑料板5075，開始12天對凍漲力“讓”，三天后外壁混凝土強(qiáng)度達(dá)到C25C30強(qiáng)度后（提高混凝土早期強(qiáng)度），對凍漲力“抗”，防止凍結(jié)壁位移進(jìn)一步增大。3.9 采用“剛?cè)嵯酀?jì)”凍結(jié)管，提高管接頭強(qiáng)度以前凍結(jié)采用的凍結(jié)管品種很多，國外有R65W石油套管、R45A加鋁脫氧鋼、Mn35鋼；國內(nèi)選用過J55石油套管、CS-80L凍結(jié)專用鋼管及C20#優(yōu)質(zhì)低碳鋼。兩淮斷管80%以上采用J

15、55石油套管、絲扣連接。通過我們十幾年的實(shí)踐，認(rèn)為采用C20#優(yōu)質(zhì)低碳鋼凍結(jié)管較為合適，原因是C20鋼剛?cè)嵯酀?jì)，延展性好，防低溫脆化性能好、可焊性好，最低使用溫度達(dá)-32安然無恙。凍結(jié)管連接方式以前多用絲扣或外管箍焊接，根據(jù)試驗(yàn)這兩種連接方式接頭強(qiáng)度最多能達(dá)到母材的65%，自95年開始我們采用內(nèi)襯箍坡口對接焊（如圖2），凍結(jié)管接頭強(qiáng)度比絲扣連接提高40%、比外管箍提高30%，達(dá)到母材的95%以上，并有多道打壓試漏作保證，工程上是安全的。 2 450 1 2 2 300100圖2 凍結(jié)管內(nèi)襯箍接頭示意圖 圖3 內(nèi)襯箍示意圖圖中： 凍結(jié)管； 焊縫； 內(nèi)襯箍以上措施與方法通過在陳四樓、邱集、阮氏北、張集、金橋、岱莊