冻结管断裂与防治.doc

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153～203、潘二主井162～221、副井185～285、西风井164～288、南风井154～162；潘三主井206～265、东风井250～320；谢桥副井230～239、矸石井225～238；海孜262；祁南260；平八东风井198～315。
深度小于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5.2～8.7、中央风井7.2、东风井6.3～8.3、副井6.2；谢桥矸石井4.3～7.3；芦岭西风井4.0；海孜西风井8.0、主井8～10。
膨胀性粘土取1.5～2.5，砂土类取2.5～3.5
3
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30
4
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3.05、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-8℃
5
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50mm
6
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250㎜
7
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200～900㎜。
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14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 2 dx 4
井筒中心线
冻结壁变形段h H2 R1
3
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 – αEAΔT + µбe A]/2……………（2）
式中：E—弹性模量，MPa；I—截面模量，㎜2；ΔT—温差，℃；µ—泊松比；бe—环向应力，MPa；α—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1/2～1/3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：
⑴ 断管处为厚粘土或粘土层与砂层交界面；⑵ 掘砌段高大；⑶ 冻结壁裸露时间长；⑷ 冻结管距荒径近；⑸ 冻结管多为丝扣连接或外管箍焊接；⑹ 井帮温度较高；⑺ 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）～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90～120m。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310～356m）。
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<600～800㎜，用高于国家标准的技术要求来规范冻结孔施工。
3.4减少冻结管温度应力
3.4.1冻结管收缩量
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，℃；
3.4.2 冻结管拉应力
冻结管拉应力为：s=EaΔt………………………………………………（4）
式中：E—钢管弹性模量，N/mm；a—冻结管线性膨胀系数；Δt—地层结冰温度与冻结壁中心温度之差，℃；
3.4.3减少温度应力措施
⑴ 开机运行5～7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。
⑵ 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3～5m，也可避免应力集中。
3.5降低井帮温度
按建井规范深厚粘土层冻结井深200～300m，井帮温度为-5～-8℃；深300～400m，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=Ra－√Ra2+ 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，h；ζ-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50～75㎜，开始1～2天对冻涨力“让”，三天后外壁混凝土强度达到C25～C30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J55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。

① 2
③
② 450 1
2 2
300 100

图2 冻结管内衬箍接头示意图 图3 内衬箍示意图
图中：① 冻结管；② 焊缝；③ 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、葛亭等矿井的实践，证明是切实可行的，在今后的深厚表土层冻结井施工过程中，只要根据不同工程的特点，加强观测，采取针对性措施，冻结管断裂问题是可以解决的，

参考文献
1． 地层冻结工程技术和应用。
作者
戴华东：（1962-）男，高级工程师，1982年毕业于山东矿业学院，现任兖矿集团新陆冻结安装有限公司副总经理、总工程师，发表论文8篇。
齐吉龙：（1966-）男，高级工程师，1990年毕业于山东矿业学院矿山建筑系矿井建设专业，现任兖矿集团新陆冻结安装有限公司副总工程师，发表论文3篇。