深表土長(zhǎng)斜井504米凍結(jié)技術(shù)

摘要：地質(zhì)條件的復(fù)雜性一直以來都是煤礦井開鑿的難題，為解決此難題目前我國(guó)主要依賴凍結(jié)技術(shù)完成深表土層的鑿井施工。不僅立井井筒開鑿是這樣，斜井井筒更是如此。隨著我國(guó)煤炭開發(fā)的發(fā)展，年產(chǎn)量千萬(wàn)噸的現(xiàn)代化礦井逐年增加，因立井井筒提升能的限制，均采用了斜井開拓。本文以目前我國(guó)斜井凍結(jié)最長(zhǎng)504米凍結(jié)技術(shù)的成功應(yīng)用為例，重點(diǎn)分析凍結(jié)法的原理和未來發(fā)展。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)條件 斜井凍結(jié) 504米

0 引言

近年來，煤礦凍結(jié)法鑿井技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，這樣不但可以利用凍結(jié)的土層隔絕內(nèi)外地下水，還能抵押巖石壓力，保證施工順利安全的進(jìn)行。但由于目前凍結(jié)技術(shù)、井筒開挖技術(shù)水平有限，其在進(jìn)行深表土長(zhǎng)斜井施工時(shí)仍然存在技術(shù)上的弊端，需要繼續(xù)攻克與完善。

1 凍結(jié)法鑿井技術(shù)的發(fā)展

德國(guó)著名工程師波次舒是井下開鑿凍結(jié)技術(shù)的研發(fā)者，當(dāng)時(shí)的開采土層深度僅為103米。之后，此技術(shù)被傳播到了多個(gè)國(guó)家。1955年，我國(guó)開灤林西煤礦成功使用井下凍結(jié)技術(shù)完成了礦井的開鑿工作，為其在煤礦開采施工中的發(fā)展打響了第一炮。到目前甘肅新莊煤礦凍結(jié)深度902米，這足以說明我國(guó)煤礦凍結(jié)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。

2 深表土層凍結(jié)技術(shù)與實(shí)例分析

凍結(jié)技術(shù)的關(guān)鍵就在于通過人工制冷將土層凍結(jié)，凍結(jié)壁的安全性和穩(wěn)定性直接決定著井筒施工能否順利進(jìn)行。隨著井筒深度的增加，地壓的壓力越大，需要井壁的厚度與強(qiáng)度也就越高，對(duì)人工制冷設(shè)備的要求也就高。古城煤礦凍結(jié)垂直高度為147米，凍結(jié)深度為504米，通過采用先進(jìn)的斜井凍結(jié)技術(shù)，不但節(jié)約了工程成本，而且保證了施工安全，筆者將以此為例，剖析504米深表土長(zhǎng)斜井技術(shù)的工作原理和特性。

2.1 凍結(jié)造孔質(zhì)量保證措施

①因深土層地質(zhì)條件復(fù)雜，所以需要保證鉆頭和鉆機(jī)設(shè)備平穩(wěn)和牢固，因此選用鋼結(jié)構(gòu)滑撬作為安裝塔的基礎(chǔ)。此外，在安裝過程中，每顆螺絲都必須安裝結(jié)實(shí)，避免因螺絲松動(dòng)發(fā)生鉆塔傾斜。提引機(jī)、孔中和天倫要用垂線法安裝，并且保證誤差度在10毫米以內(nèi)。②在《礦山井巷工程施工機(jī)驗(yàn)收規(guī)范》的GBJ213-90施工標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)凍結(jié)孔的偏斜率做出了嚴(yán)格的規(guī)定，并且要求施工單位選用高精度的陀螺檢測(cè)儀進(jìn)行偏斜率的檢測(cè)。為了保證凍結(jié)孔的水平位置間隔符合凍結(jié)管下管要求，還需加密斜段的導(dǎo)測(cè)點(diǎn)。

2.2 凍結(jié)管的下入

①檢查凍結(jié)空管接頭之間的彎曲情況以及焊接效果，只有達(dá)到百分百合格以后才允許下入凍結(jié)管。②凍結(jié)管在進(jìn)入井口之前需要進(jìn)行記錄與編組排號(hào)。③凍結(jié)管采用外管箍焊接。中間監(jiān)控焊接點(diǎn)，不允許砂眼和裂紋的存在，兩管焊接位置必須垂直，以確保焊接后不出現(xiàn)質(zhì)量問題。④對(duì)孔深進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)量后方可下入凍結(jié)管。⑤對(duì)凍結(jié)管進(jìn)行打壓實(shí)驗(yàn)，確保其符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2.3 凍結(jié)制冷質(zhì)量的保證措施

施工環(huán)境復(fù)雜，在進(jìn)行下管工作時(shí)要盡可能保證井筒凍結(jié)工作準(zhǔn)確有效的完成。在本項(xiàng)目工作，主要是利用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操控技術(shù)對(duì)凍結(jié)器進(jìn)行全方位把控，根據(jù)當(dāng)時(shí)地層特性完成凍結(jié)工作，并且隨時(shí)對(duì)凍結(jié)壁進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控管理。

2.4 凍結(jié)器鹽水的流量檢測(cè)

①用于凍結(jié)的鹽水流量與濃度必須符合設(shè)計(jì)要求，此處選擇在總供水處安裝電磁流量計(jì)以達(dá)到監(jiān)控的目的，比重用比重計(jì)測(cè)得；②對(duì)單孔流進(jìn)行施測(cè)，采用流量計(jì)獲得數(shù)據(jù)，以保證各孔達(dá)到設(shè)計(jì)流量，并且要求流量均勻。

2.5 凍結(jié)器鹽水溫度的檢測(cè)與控制

井筒開凍后，必須每天定時(shí)對(duì)冷凍器進(jìn)行觀察，如觀測(cè)鹽水溫度，凍結(jié)管去回路結(jié)霜情況等，以保證冷凍過程安全并且有效，一旦出現(xiàn)問題，馬上啟動(dòng)緊急處理方案。

2.6 凍結(jié)壁形成狀況的檢測(cè)

①采用CW-Ⅱ型計(jì)算機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行施測(cè)，準(zhǔn)確地采集到各地層的溫度，及時(shí)地進(jìn)行分析掌握凍結(jié)壁的形成過程及溫度場(chǎng)變化規(guī)律，以及應(yīng)用美國(guó)ANSYS軟件和有限元法進(jìn)行凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算和分析，為井筒開挖提供可靠的依據(jù)；②根據(jù)凍土試驗(yàn)報(bào)告對(duì)各層，特別是控制層分段驗(yàn)算凍結(jié)壁形成及厚度、強(qiáng)度來確定掘砌段長(zhǎng)，以確保井筒施工快速；③井筒開凍后每天定時(shí)檢測(cè)溫孔溫度，并以報(bào)告形式存儲(chǔ)。

2.7 技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用

雖然凍結(jié)技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，在技術(shù)方面也取得了相當(dāng)矚目的成就。但考慮到地質(zhì)條件的復(fù)雜與多變，為了確保古城煤礦主斜井井筒凍結(jié)斜長(zhǎng)504米深表土長(zhǎng)順利施工，在設(shè)計(jì)施工中大膽創(chuàng)新地對(duì)凍結(jié)器進(jìn)行了改造，采用了對(duì)凍結(jié)管異徑加保溫層段技術(shù)措施，這在國(guó)內(nèi)外均屬首創(chuàng)，此技術(shù)措施在本項(xiàng)目施工過程中節(jié)約了380萬(wàn)度的電能消耗及大量的鋼材。另因斜井凍結(jié)鹽水管路長(zhǎng)為防止管路熱脹冷縮，在緊配合部位加裝伸縮節(jié)，以防止損壞設(shè)備，確保了工程質(zhì)量達(dá)到預(yù)計(jì)目的。

3 結(jié)語(yǔ)

中煤邯鄲特殊鑿井有限公司根據(jù)自己的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出了一項(xiàng)科研結(jié)果——《深表土504米長(zhǎng)斜井凍結(jié)技術(shù)研究》，并提交省級(jí)檢定中心。經(jīng)審批，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被政府承認(rèn)具有國(guó)際領(lǐng)先水平。

隨著礦井建設(shè)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜性的增加，井筒需要穿過的土巖層也越來越深，導(dǎo)致需要進(jìn)行凍結(jié)的深度不斷加大。從凍結(jié)方面，加大對(duì)凍結(jié)工藝以及凍結(jié)壁溫度場(chǎng)的研究，掘砌單位應(yīng)加大針對(duì)斜井凍結(jié)井筒開挖專項(xiàng)設(shè)備的研究，以提高掘進(jìn)速度。凍結(jié)技術(shù)在施工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)室中的力學(xué)演示有著巨大的區(qū)別，不論是凍結(jié)壁所處的高壓還是深部?jī)鐾恋牧W(xué)性質(zhì)都無法完全模擬，所以我們必須繼續(xù)努力，以深表土長(zhǎng)斜井504米凍結(jié)技術(shù)為基礎(chǔ)，向著更精湛的技術(shù)前進(jìn)。

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作者簡(jiǎn)介：董志業(yè)（1983-），女，河北邯鄲人，中煤邯鄲特殊鑿井有限公司科技中心，助理工程師，研究方向：節(jié)能減材。endprint