巨厚表土层条件下井筒冻结管断裂的影响因素及预防

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1、巨厚表土层条件下井筒冻结管断裂的影响因素及预防：深井冻结管断裂的防治是一个长期困扰冻结井筒施工的问题，口孜东矿井深超过千米，煤系地层上覆巨厚、富含水松散层，三井井筒在松散层前期施工中多次发生冻结管断裂事故，通过认真分析研究，采取有效应对措施，在后期施工中基本控制了冻结管断裂事故的发生，保证了井筒安全顺利施工，也为类似条件下的井筒建设提供了宝贵的经验。　　关键词：千米井筒巨厚表土层冻结管断裂原因及预防　　　　口孜东矿井深超过千米，井筒附近覆盖于煤系地层上方的新生界松散层厚569.8-575.5m，其中粉、细、中砂及砾石层累厚268.4-309.5m，占表土段厚度

2、的47-54%，属深厚、富含水松散层，流沙层厚且富含水。该矿主、副、风井筒均采用冻结法施工，三井井筒净直径7.5-8.0m，井壁厚度1.1-2.55m，最大掘进直径14.8m，冻结深度617-737m，井深1005-1050m。口孜东矿是当时国内穿过松散层最厚、井筒最深、直径最大的井筒。　　1问题的提出　　三井井筒在松散层前期施工中曾多次发生冻结钻孔中冷冻套管断裂、溃冷冻盐水事故，最大冷冻盐水泄露量70m3，多次造成井筒停掘，对工程进度造成较大影响。为保证工程安全顺利进行，必须认真分析断裂影响因素，采取有效措施，尽量减少冻结管断裂及对施工的影响。　　2井筒冻结

3、施工方式　　2.1冻结孔布置方式　　口孜东矿井筒冻结方式设计为：外排孔+中排孔+内排孔+防片孔冻结方式。　　防片孔主要作用为470m以上防片帮，深孔深度为470m，浅孔深度为220m。内排孔主要作用为上部降低冻结壁平均温度、470m以下降低井帮温度、防底鼓，冻结深度为569m。外排孔主要作用为增加冻结壁厚度、降低冻结壁平均温度、增大冻结壁稳定性，即362m以上采取隔温措施，362m以下进行冻结，冻结深度为578m。中排孔为主冻结孔，主要作用为保证冻结壁厚度，降低冻结壁平均温度，深孔深度为737m，浅孔深度为608m，其中深孔起基岩段封水作用。　　2.2冻结套管

4、及供液管型号　　冻结管选用大口径厚壁冻结管，优点是增加冻结管的强度、抗变形能力及为处理事故创造条件。　　2.2.1外排冻结管：局部冻结段以上采用Ф168×7mm低碳钢无缝钢管，内管箍焊联接，内下双Ф62×5mm聚乙烯塑料软管；局部冻结段以下采用Ф149×8mm低碳钢无缝钢管，内管箍对焊联接，内下Ф62×5mm聚乙烯塑料软管。　　2.2.2中排冻结管：选用Ф159×7-8mm低碳钢无缝钢管（350m以上选用Ф159×7mm低碳钢无缝钢管，350m以下选用Ф159×8mm低碳钢无缝钢管），内管箍对焊联接，内下Ф75×6mm聚乙烯塑料软管。　　2.2.3内排冻结管:

5、选用Ф159×7-8mm低碳钢无缝钢管（400m以下选用Ф159×8mm低碳钢无缝钢管），内管箍对焊联接。管内下放Ф75×6mm聚乙烯塑料软管。　　2.2.4防片孔冻结管：选用Ф159×7mm低碳钢无缝钢管，内管箍对焊联接，内下Ф75×6mm聚乙烯塑料软管。　　3井筒冻结管断裂情况　　2007年9月10日至12月2日三井共发生17次冷冻管断裂事故，其中主井10次、副井4次、风井3次，直接影响井筒冻结效果。　　4井筒冻结管断裂影响因素分析　　4.1冻结管断裂外在原因分析　　4.1.1井筒冻结管断裂外界影响因素　　井筒外排孔距井中15.4-16.7m，中排孔距井中

6、11.8-13.2m，内排孔距井中8.7-9.5m，防片孔距井中6.3-7.8m，统计数据表明发生冻结管断裂的冻结钻孔全部位于内排以内，其中内排孔10个（深度575m），防片孔1个（深度470m），是距离井帮最近又最深的冻结孔，而距离较远的中排、外排冻结孔均未发生断裂现象，所有断裂的冻结孔都是距施工井壁3.5m以内的较深孔。据此可知：达到一定深度后受地应力和冻胀力的作用，冻结管距井筒施工地点越近越容易诱发断裂，井筒施工破坏冻结管四周压力平衡是引发冻结管断裂的主要因素。　　4.1.2松散层冻胀力作用　　为了分析方便，可将松散层中冻胀力简单的分为纵向冻胀力和横向冻

7、胀力。　　纵向冻胀力：统计数据表明三井的冻结管断裂深度在257.0-474.5m之间，绝大多数在400m以下松散层中，在此深度以下破坏影响力增大，断裂层位正好位于第四松散层第三含水层（257.0-322.0m）和第三隔水层段（430.0-474.5m）。　　第三含水层段在-15℃以下的条件下，含水层和套管冻结在一起时，含水层的膨胀率远大于套管的膨胀率，使套管强力拉伸，当达到极限时冻结管就发生拉伸断裂。　　第三隔水层段在-15℃以下的条件下，粘土层或砂质粘土层的抗压强度平均在3.4~3.95MPa，冻结后的中、细砂层的抗压强度平均在5.46~6.67MPa，粘土

8、层或砂质粘土层的抗压强度普遍偏低，埋藏