冻结管断裂与防治

1、冻结管断裂原因与防治兖矿集团新陆冻结安装有限公司戴华东 齐吉龙摘要：本文通过对断裂冻结管的调查及对冻结管受力状态的分析，从工程施工角度分析了影响冻结壁位移，造成冻结管断裂的原因，并提出了工程上防止冻结管断裂的措施，这些措施在一些深井冻结中应用并取得了较好的效果。关键词：冻土、位移、冻结管、断裂一、概述我国采用冻结法凿井已有44年历史，共开凿了420多个井筒，累计深度6.6万米，其中表土超过250m，冻结深度超过300m的冻结井有70多个。在深井冻结中冻结管断裂是对凿井的最大安全威胁，防断管技术至今还未过关。随着今后新建矿井表土深度的增加，如何防止冻结管断裂将是首先面对的技术问题。根据最新资料统

2、计目前国内外冻结井筒已有61个井发生过冻结管断裂，共断管301根，淮南深厚表土冻结井几乎都发生过断管。如潘集2#主井断管5根、副井断管8根、西风井断管8根、南风井断管14根；潘三东风井断管22根；东荣三矿风井断管淹井；张集风井断管4根；祁东主井断管1根；济宁2#风井断管1根；岱庄副井断管1根；葛亭副井断管1根；唐口副井断管（辅孔）1根等等。国外六七十年代深井断管也不少，如苏联扎波罗滋1#南风井断管率100%，波兰留宾铜矿断管率89.2%；加拿大雅伯1#井断管率52.5%。世界上目前表土最深（511.5 m）的苏联雅可夫冻结井（冻深620 m）断管15根，断管率22.7%，从冻到停27个月，由此

3、可见冻结管断裂是冻结凿井的最大威胁。冻结管断裂造成的经济损失也是巨大的，如波兰某铜矿断冻结管6根，处理事故花费近百万元；谢桥副井断管32根，造成冻结壁开天窗淹井，又重新冻结，造成经济损失近1000万元。二、冻结管断裂原因2.1 国内深厚粘土层中冻结管断裂调查（见表1）表1深厚粘土层中冻结管断裂成因调查表序号断裂成因国内冻结管断裂实例安全对策1断管深度H（m）潘一风井153203、潘二主井162221、副井185285、西风井164288、南风井154162；潘三主井206265、东风井250320；谢桥副井230239、矸石井225238；海孜262；祁南260；平八东风井198315。深度小

4、于150m或大于320m安全；在其之间应谨慎2断管处段高（m）潘二主井3.6、副井5.4、西风井5.3、南风井7.6；潘三主井5.28.7、中央风井7.2、东风井6.38.3、副井6.2；谢桥矸石井4.37.3；芦岭西风井4.0；海孜西风井8.0、主井810。膨胀性粘土取1.52.5，砂土类取2.53.53冻结壁裸露时间/段高（h/m）潘三东风井156/47、180/49、234/51、204/52、300/58；谢桥矸石井128/42、204/43、144/44、244/45。膨胀性粘土小于20；砂土类小于304冻结管到荒径的距离（m）潘一辅助孔1.2、潘二主井3.55、副井3.4、西风井3

5、.05、南风井2.65；潘三主井2.0、副井2.05、中央风井1.75、东风井3.2；谢桥副井2.7、矸石井2.15；海孜2.45、西风井2.4；祁南主井3.57；平八3.25；济宁2#风井2.45，北宿主井0.95、副井0.6；唐口副井辅助孔1.25。深厚粘土中大于2.5，井帮温度不高于-85冻结壁位移量/段高（mm/m）潘三东风井段高4.5m时大于40mm, 段高4.9m时大于80mm，段高5.0m时大于113mm，段高5.5m时大于125mm。位移总量小于50mm6迎头底鼓量/段高（mm/m）潘三东风井段高4.5m时底鼓量110mm、 段高4.7m时底鼓量600mm、段高4.9m时底鼓量

6、400mm、段高5.1m时底鼓量350mm、段高5.5m时底鼓量500mm、段高5.6m时底鼓量450mm。底鼓量小于2507断管处岩性潘一东风井厚粘土；潘二粘土、砂质粘土；潘三主井风化基岩、副井固结钙质粘土、粘土与砂层交界面；谢桥粘土；祁南粘土；平八粘土；济宁2#风井粘土；唐口副井粘土。8断裂部位丝扣管箍连接处脱扣，焊接外管箍上焊缝或下焊缝处。内衬箍坡口对接焊9人为管理因素潘二西风井焊接质量差，开挖前断管7根；潘一东风井、潘二南风井套管断裂各1根。潘二、潘三、谢桥等八个井筒普遍超挖200900。加强管理,提高焊接质量10断管数量统计潘一东风井5根、潘二主井5根、副井8根、西风井8根、南风井1

7、4根；潘三主井5根、副井5根、中央风井7根、东风井22根；谢桥副井32、矸石井34根；芦岭西风井15根；海孜主井1根；祁南主井3根；平八东风井16根；济宁2#风井2根，北宿主井7根、副井12根；唐口副井1根等等。2.2 冻结管变形规律冻结管在冻结壁中的受力状态是极其复杂的，在冻结初期井筒未掘砌，冻结壁处于三相应力平衡状态，冻结管断裂主要是由于盐水温降过快，冻结管在短时间内急速收缩，沿冻结管轴向产生拉应力而造成的；井筒掘砌后冻结壁的三相应力平衡得到破坏，将产生如下状态：掘进段高内冻结管出现两头被冻结固定，中间滞后而产生温度拉应力；冻结的土、岩层线形膨胀系数不一样产生剪切应力；沿冻结管切向的土、岩

8、层线形膨胀系数不一样产生切向应力。尤其在厚粘土层与砂层、厚粘土层与坚硬岩石层的接触面，由于上下不同土层的热变形值相差较大，变形不一致，成为威胁冻结管的最危险部位。冻结管在掘进段高内的受力可简化为图1的形式。其弯矩和轴力可用下述方程描述： 永久支护段5 Y H3 2dx 4井筒中心线 冻结壁变形段h H2 R13 H1 1原始地层X图1 冻结管变形示意图图中：1冻结管变形曲线；2冻结管原始位置；3工作面；4外壁；5内壁； H1工作面下超前变形段；H2掘进段变形段；H3滞后变形段。M = -EI（d2y/dx2）（1）N = EA(dy/dx)2 EAT + µe A/2（2）式中：E弹

9、性模量，MPa；I截面模量，2；T温差，；µ泊松比；e环向应力，MPa；材料的热膨胀系数和收缩系数；冻结管随冻结壁的位移而变形，试验及现场实测表明井帮的最大位移发生在掘进段高中上部约1/21/3处。因此控制冻结壁上部位移，对减少冻结管断裂有重要意义。2.3 原因分析根据对国内冻结管断裂实例的调查和对冻结管变形规律的分析，发现冻结管断裂的主要原因是由于冻结壁位移过大造成的。冻土的流变性决定了冻结壁必然要产生位移，在井筒掘砌过程中冻结壁位移是不可避免的，但是冻结壁的位移量却是可以控制的。通过调查发现发生冻结管断裂的井筒，普遍存在着以下现象： 断管处为厚粘土或粘土层与砂层交界面； 掘砌段高

10、大； 冻结壁裸露时间长； 冻结管距荒径近； 冻结管多为丝扣连接或外管箍焊接； 井帮温度较高； 掘砌工作面底鼓量大等。所有这些现象都直接或间接造成了冻结壁位移增大、冻结管断裂。三、防断管措施冻结壁位移危及冻结管安全这是客观存在的，要防止冻结管断裂就要控制冻结壁位移在冻结管允许变形范围之内，通过近几年的工程（金桥、葛亭、岱庄等）实践，控制冻结壁位移防止冻结管断裂要采取综合措施：3.1 科学合理地确定冻结圈径通过断管实例和我们的施工经验，适当加大冻结管布置圈径，深厚表土冻结井冻结管在任何部位离荒径不得小于3300（包括内偏值）。所以我们认为把冻结管（主孔）设计在距荒径3300（表土<250m）

11、3800（表土>300）比较合适。3.2 设辅助孔并延长至表土段底部以前国内外设置辅助孔的目的只是为防止井筒上部开挖时塌帮，所以深度都比较浅，一般为90120m。现在深井冻结业主要求开挖时间短、掘砌速度快，浅辅助孔已不能适应要求。所以在设计时应改变思路，把辅助孔向下延伸，使辅助孔即防止上部早开挖塌帮，又对中下部冻结壁进行补强，降低了井帮温度，起到了明显作用（金桥250m、葛亭280m、梁宝寺310356m）。3.3 严格打钻要求，控制偏斜率随着国内冻结钻孔施工技术的提高，对冻结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，用高于国家标准的技术要求来

12、规范冻结孔施工。3.4减少冻结管温度应力冻结管线性收缩量为：L=Ha（T1-T2）（3）式中：H冻结管深度，m； a冻结管线性膨胀系数；T1地温，；T2盐水温度，；冻结管拉应力为：s=Eat（4）式中：E钢管弹性模量，N/mm；a冻结管线性膨胀系数；t地层结冰温度与冻结壁中心温度之差，； 开机运行57天，至盐水温度降到-2，让冻结管在泥浆还未冻结未及抱住情况下，充分自由收缩。然后，盐水骤然降至-8以下，让冻结管在短时间内急速收缩，这样冻结管1/2收缩量为自由状态收缩量，减少由于盐水降温过快引起的温度应力。 配管时，有意错开接头位置，使所有冻结管接头的2/3不在同一水平上，上下错开35m，也可避

13、免应力集中。3.5降低井帮温度按建井规范深厚粘土层冻结井深200300m，井帮温度为-5-8；深300400m，井帮温度为-10-12；深度>300m，井帮温度<-12是比较合适的。3.6 控制井帮位移量<50掘砌过程中对井帮位移进行监测，当位移量大于50时，及时调整掘砌段高，尽可能缩短空帮时间，减少井帮位移，使其小于50。冻结壁位移及冻结管变形计算，采用公式：Ud = （5） Ua=RaRa2+ Ud2-2RbUd（6）式中：Ud冻结管位移，cm；Ua-冻结壁位移，cm；Ra-掘砌荒半径，cm；Rb-冻结壁外半径，cm；P-地压，MPa；h-段高，cm；t-冻结壁暴露时间，

14、h；-段高上、下端约束系数；A、B、C为冻土蠕变参数。3.7 在深厚粘土层中控制掘砌段高<1.5m，段高裸露时间<24小时，即在冻结段掘砌过程中实行短段掘砌、分段套壁。3.8 主张“抗让兼施”，建议壁后设置泡沫塑料板5075，开始12天对冻涨力“让”，三天后外壁混凝土强度达到C25C30强度后（提高混凝土早期强度），对冻涨力“抗”，防止冻结壁位移进一步增大。3.9 采用“刚柔相济”冻结管，提高管接头强度以前冻结采用的冻结管品种很多，国外有R65W石油套管、R45A加铝脱氧钢、Mn35钢；国内选用过J55石油套管、CS-80L冻结专用钢管及C20#优质低碳钢。两淮断管80%以上采用J

15、55石油套管、丝扣连接。通过我们十几年的实践，认为采用C20#优质低碳钢冻结管较为合适，原因是C20钢刚柔相济，延展性好，防低温脆化性能好、可焊性好，最低使用温度达-32安然无恙。冻结管连接方式以前多用丝扣或外管箍焊接，根据试验这两种连接方式接头强度最多能达到母材的65%，自95年开始我们采用内衬箍坡口对接焊（如图2），冻结管接头强度比丝扣连接提高40%、比外管箍提高30%，达到母材的95%以上，并有多道打压试漏作保证，工程上是安全的。 2 450 1 2 2 300100图2 冻结管内衬箍接头示意图 图3 内衬箍示意图图中： 冻结管； 焊缝； 内衬箍以上措施与方法通过在陈四楼、邱集、阮氏北、张集、金桥、岱庄