寒冷地區(qū)基建礦井井筒結冰的危害及預防措施

苗耀龍

(通化鋼鐵集團樺甸礦業(yè)有限責任公司)

?

寒冷地區(qū)基建礦井井筒結冰的危害及預防措施

苗耀龍

(通化鋼鐵集團樺甸礦業(yè)有限責任公司)

我國北方地區(qū)冬季氣溫較低，當礦井基建施工進入冬季，進風井溫度低于 0 ℃,且井壁有淋水時，井筒會產生結冰現象。井筒結冰不僅會影響基建施工進度，還對施工人員及井筒內設施的安全帶來極大威脅。以通化鋼鐵集團樺甸礦業(yè)公司基建礦井施工為例，對基建礦井井筒結冰的原因、預防措施及井筒結冰后除冰和應急措施進行了探討。

寒冷地區(qū)基建礦井井筒結冰危害預防

在寒冷的冬季，我國北方高緯度地區(qū)礦井都會出現不同程度的井筒結冰，尤其是在礦井基建期間，未形成供暖系統(tǒng)和穩(wěn)定的通風系統(tǒng)。當基建施工進入冬季以后，氣溫急速下降，如果入風井筒未提前采取有效的防凍措施，井筒淋水會在井壁、罐梁罐道、提升容器、梯子間、電纜、水管等處結冰。井筒結冰后，一方面使井筒提升受限，影響正常的基建進度；另一方面還可引起卡罐、防墜保險失靈等, 嚴重時大塊冰塌落, 造成井筒設施損壞和人員傷亡的重大事故, 影響礦井安全建設。

1　井筒結冰的危害

(1)井筒結冰導致提升容器與井壁間的安全距離變小，致使提升容器與井壁冰層產生摩擦，甚至發(fā)生卡罐，導致提升受阻。

(2)井筒內梯子間結冰，堵塞安全出口，緊急情況下，井下人員無法安全升井。

(3)井筒內提升鋼絲繩、提升容器連接裝置結冰，強度降低，安全系數不能得到保證，存在安全隱患；沿井筒敷設的供電及通訊電纜表面結冰，隨著冰層加厚，致使電纜支架斷裂、電纜拉斷，造成井下供電和通訊中斷，嚴重影響礦井的安全建設。

(4)井筒內提升設施的防墜器結冰，導致抓捕機構動作不靈活或失效，一旦鋼絲繩或罐籠連接裝置斷裂，防墜器不能可靠抓捕 ，將導致墜罐事故。

(5)井筒結冰的最大危害是在氣溫回暖結冰融化時，井壁以及井筒裝備上的冰層會突然垮落，輕則造成井筒裝備損壞，重則造成斷繩、提升容器墜落，造成人身傷亡事故和巨大經濟損失[1]。

(6)井筒或井筒內設施一旦結冰，除冰工作難度很大，井筒內的除冰工作屬于高空作業(yè)，稍有不慎可能發(fā)生跌傷或墜井事故；除冰時的落冰可能砸壞井筒內已敷設好的電纜、管路等設施。

2　礦井結冰案例分析

礦井結冰必須具備兩個條件：水源和溫度低于0 ℃以下的冷空氣。北方高緯度地區(qū)冬季最低氣溫均在0 ℃以下，甚至更低，而礦井井筒一般都要穿過地下或大或小的含水層，井壁淋水是不可避免的。因此，井壁淋水遭遇溫度低于0 ℃的冷空氣，就會在井壁、罐梁罐道、提升容器以及管路和電纜表面結冰。

對于基建期的礦井來說，自然風壓對于井筒結冰也起到了關鍵作用，自然風壓可以使原本已做好的防凍措施失效。礦井基建期，當主、副、風井貫通后，井筒裝備時間長，期間均采用臨時性的供暖和防凍措施，在未安裝永久通風機之前，主要是以自然風壓為主形成的臨時通風系統(tǒng)。自然風壓是礦井客觀存在的一種自然通風現象，隨著季節(jié)和溫度的變化，進回風井空氣密度也隨之變化，此時自然風壓對通風系統(tǒng)的作用越來越明顯，繼而會造成井筒反風，日夜溫差大的地區(qū)，在一天內也往往會出現反風[2]，從而造成通風系統(tǒng)紊亂。通風系統(tǒng)的不受人為控制性，加之井筒淋水和低溫作用，致使井筒結冰。

(1)通化鋼鐵集團樺甸礦業(yè)有限責任公司大西溝東山二區(qū)，采用主副井開拓方式，中央對角式通風，副井進風、兩翼風井回風，主副井及東風井標高460m、西風井標高426m。當礦山完成了主副井與西風井的貫通之后，形成主副井進風、西風井出風的通風系統(tǒng)，但礦井在繼續(xù)基建時已進入冬季，由于西風井井口標高低于主副井井口標高，自然風壓的作用造成井筒反風，寒冷的風流從西風井進入、副井排出，造成西風井井壁結冰，而原本副井已做好的防冰措施未能發(fā)揮作用。

(2)通化鋼鐵集團樺甸礦業(yè)有限責任公司小葦廈子鐵礦，采用主副井開拓方式，中央對角式通風，副井進風、兩翼風井回風，主井標高460m、副井標高450m。工程于2010年7月開工，2011年6月主、副井貫通后進行副井井筒的永久裝備，井下其他掘進工程經措施巷道、主井吊桶提升。進入冬季，由于副井標高低于主井10m，自然風壓造成副井進風，主井出風，當時井口供暖設施沒有完成，由于溫度驟降，井筒內迅速結冰，而副井淋水點在井筒中部未能及時發(fā)現，最終導致大面積結冰，局部區(qū)域還出現了卡罐現象。井筒內罐梁、罐道、梯子間、風水管路、電纜均掛著厚厚的冰層，除冰工作難度非常大，花費大量的人力物力，經過近2個月的時間才徹底清除井筒凍冰及再次結冰的問題。2012年10月，開始進行主井的永久裝備，將副井井架用彩鋼瓦保溫封閉，將副井井筒接高20m，自然風壓的作用使風流從主井進入、副井排出，此時副井保溫房及保溫設施已竣工，但副井井口熱風不能克服自然風壓，導致主井井筒結冰，由于主井裝備尚未完成，井筒提升仍然用吊桶，φ5.2m的井筒除冰極為困難。該礦主、副井先后凍井，均是由于寒冷冬季自然風壓作用及經驗不足、提前預防措施不到位所致。

3　井筒結冰的處理

根據基建期井筒除冰和應急措施的實際經驗，提出井筒結冰的處理措施：①制定除冰應急預案，以便結冰后及時應對；②發(fā)現井筒有結冰跡象或輕度結冰時，緊急購進臨時塔衣和熱風幕，給井架穿好塔衣并將熱風幕固定在井口，提高井筒的進風溫度，在結冰不嚴重時，可有效解決井筒結冰問題；③除冰作業(yè)一般選在白天作業(yè)，在氣溫較低的夜間，提升機需定時運轉，安排專人不間斷巡查結冰情況，必要時先簡單處理，確保提升容器與井壁冰層間有一定距離，保證白天除冰時提升容器的正常運行；④除冰時作業(yè)人員站在罐籠頂或吊桶內，其上部掛上保險傘，由上至下清理冰塊，除冰人員一定要系好保險繩，必要時做多重保險，以防井筒內突然大面積落冰產生巨大沖擊波，導致人員受沖擊發(fā)生墜井事故；⑤井筒內有電纜時，除冰需要輕敲破冰，確保不損壞電纜，并有專人在下方用桶接住落冰并裝入編織袋內，切忌大面積破冰，以免掉下砸壞井筒下部電纜和其他設施。

4　井筒結冰的預防措施

根據《采礦設計規(guī)范》規(guī)定[3]，結合礦井風壓變化特點，提出以下預防措施：

(1)有結冰危害的礦井，基建期在井口必須安裝空氣加熱裝置，人工調節(jié)入井空氣的流速與溫度，使自然風壓和入風溫度控制在合理范圍。冬季低溫時，在進風井設置臨時井口房，設置空氣加熱室，加熱后的混合空氣進入井下[4]。此加熱方式熱量損失大，但系統(tǒng)簡單，因此基建礦井常采用此方法。

(2)治理井筒淋水也是防止井筒結冰的有效措施。目前各種堵水技術已相對成熟，用各種方法和材料(如水泥、水玻璃、化學漿液、高分子化學注漿材料等)堵塞井筒內滲水點，可以有效避免井筒淋水及結冰。

(3)新設計礦井在選擇開拓方案、擬定通風系統(tǒng)時，應充分考慮利用地形和當地氣候特點，使全年大部分時間內自然風壓作用的方向與機械通風風壓的方向一致，以便利用自然風壓，并利用預先建立的防凍措施，不致于發(fā)生突發(fā)凍井。

(4)礦井基建時期，適當調整巷道施工順序，不斷優(yōu)化和完善礦井通風系統(tǒng)。要因地制宜、因時制宜地控制和利用自然風壓通風，如在表土施工階段可利用自然通風，在主副井與風井貫通之后，有時也可利用自然通風。有時需要人工調整進、回風井內空氣的溫差，采取增設熱風幕、電暖氣，設置局部通風機進行機械通風調節(jié)。有條件時還可利用鉆孔構成回路進行調節(jié)，穩(wěn)定通風系統(tǒng)，避免因通風系統(tǒng)紊亂造成的井筒凍害。

(5)增設臨時風門，在主要的進風巷道或主副井聯絡巷道內設置風門，風門上留設風窗，結冰季節(jié)關閉風門并利用風窗調節(jié)風流大小，在滿足井下生產需風量的同時，降低井筒進風量，提高進風流溫度[5]。

5　結　語

礦井基建期井筒冬季結冰問題是我國北方寒冷地區(qū)礦井面臨的共性問題，為避免冬季井筒結冰，需要礦山專業(yè)人員從控溫、堵水、優(yōu)化通風系統(tǒng)等方面認真研究，應根據自身條件，因地制宜，選擇適合的方法，尤其值得注意的是自然風壓的影響。只要對具體情況認真分析，提前做好應對措施，可以避免井筒凍冰事故。

[1]劉志峰.礦井井筒結冰對礦井的危害及預防措施[J].礦業(yè)論壇科技信息，2012(13)：412-412.

[2]蔣增京.自然風壓對礦井通風系統(tǒng)的影晌[J].河北煤炭,2003(5)：3.

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB50830—2013冶金礦山采礦設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社,2013.

[4]崔云龍.簡明建井手冊 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2003.

[5]張國樞.通風安全學[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2000.

2016-03-22)

苗耀龍(1982—)，男，工程師，132409 吉林省吉林市樺甸市夾皮溝鎮(zhèn)錦山村。