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1、冻结凿井的节能方案探讨410引言近年来我国对煤炭的需求量以及煤炭产量在日益增长。但是经过数十年长期大规模地开发之后,开采条件较为优越的浅部煤层己经充分开发。尤其是对于我国的华东、华北地区,这种现象尤为突出。因而目前新建矿井或即将投入建设的矿井将不可避免地座落在深厚不稳定表土地层上。但是这些矿井大多数都要穿过至的深厚表土层,甚至有达到上千米的深度。在这种复杂的地质条件下建设立井井筒,对冻结法施工的要求也更为严格。冻结法凿井技术属于高耗能技术,冻结过程中要耗费大量的电能及水资源。调查发现,如果在设计、运行中采取有效的措施,平均可节电20%以上。开展节能降耗工
2、作,一定要系统分析找出各种损耗源,再制定相应的措施加以控制。某些传统的设计方法、设计模型及设计参数不符合现场实际,是造成冻结站耗电严重的原因之一。因此,节能设计和节能运行是冻结站主要的节能方向之一。1冻结凿井技术的研究进展1.1国外冻结凿井技术研究进展简况冻结法是国内外最为常用的煤矿井筒通过深厚冲积层的施工方法。国外采用冻结法凿井较多的国家有德国、英国、波兰、加拿大、比利时和前苏联等,井筒冻结深度最大超过900m,冻结井筒穿过的冲积层厚度最大接近600m。如1978年开工的前苏联雅可夫列夫铁矿二号罐笼井,井筒穿过的冲积层厚度达571·2m,冻结深度达62
3、0m;1979年开工的德国维尔德风井,冲积层厚567m,冻结深度582m;波兰的鲁布林煤矿一号井,冻结深度达到了725m,冲积层厚度较薄,为162m。国外深厚冲积层冻结凿井时,经常发生井壁破裂、冻结管断裂等工程事故。如雅可夫列夫铁矿二号罐笼井断管15根,维尔德风井断管6次,严重影响了施工安全和工程质量;并且由于处理事故,施工工期延长,工程成本大幅增加。因此,实现深厚冲积层冻结井筒安全、优质、快速施工一直是地层冻结工程界所面临的重大技术难题。近20年来,一些经济发达国家由于能源结构的变化,已很少有大型冻结井筒开工了,冻结凿井技术发展基本上处于停滞状态。1·
4、2 国内冻结凿井技术研究进展简况据初步统计,到目前为止,我国已建成700余个竖井冻结工程,累计冻结竖井长度约14万延米。1995年前,我国矿井井筒穿过的最大冲积层厚度和冻结深度分别为375m和435m(陈四楼矿副井)。冻结井筒通过300m厚左右的冲积层时,经常发生冻结管断裂和外层井壁破坏等严重的安全、质量问题。因此,深厚冲积层冻结凿井技术一直是我国建井行业的重要研究课题。进入本世纪后,随着煤炭市场的发展,对矿井建设的投入大幅增加,新井建设规模达到了历史最高点。尤其是冻结井筒穿过的冲积层厚度增加了约56%,使得我国的井筒冻结施工技术有了长足发展,主要表现在
5、以下几个方面:(1)在许多冲积层厚度超过400m的井筒冻结工程中,采用冻结壁厚度与冲积层厚度基本成正比的经验方法计算冻结壁厚度,实践证明是可行的。采用多圈孔冻结方式,满足了形成大厚度、高承载力冻结壁的需要,从而大大拓展了冻结法在深厚冲积层井筒施工中的应用范围。双圈孔冻结的设计思路最早于1996年应用于张集矿、金桥矿等冻结工程。2003年,龙固矿副井冻结工程施工中采用3圈冻结孔方案。刚建成的郭屯矿主井井筒穿过的冲积层厚度达587m,冻结深度702m,采用4圈孔冻结,形成的冻结壁厚度达到了11m。(2)采用合理的钻具组合和测斜纠斜方法,并采用水1000、水2
6、000等大型钻机施工冻结孔。冻结孔施工深度达到702m,冻结孔偏斜率控制在0·2%以内,为保证冻结壁的形成质量奠定了基础。如1996年施工的张集矿主、副井冻结工程,冲积层厚度为326m,冻结孔向井心的最大偏斜率为0·18%;郭屯矿主、副、风井冻结工程,冲积层厚度超过580m,冻结孔最大偏斜率控制在0·17%以内。并且一些井筒的钻机成孔速度平均超过了3000m/(台·月),冻结孔施工效率提高和工期缩短显著。(3)1995年,在张集矿主、副井冻结工程施工中提出快速强化冻结技术,对深厚冲积层多圈孔冻结壁温度场进行了深入研究。近几年来,对于多圈孔冻结井筒,冻结设
7、计中普遍应用有限元数值模拟方法建立冻结壁温度分布计算模型,并利用大量工程实测数据进行验证,进一步提高了冻结壁温度场计算水平。冻结过程中冻结壁形成的预测精度与及时性可较好地满足施工需要,从而为解决深厚冲积层井筒冻结壁形成的设计问题和保证冻结施工质量奠定了基础。(4)普遍采用内衬管对焊接头低碳钢柔性冻结管。与过去采用的外管箍接头和螺纹接头冻结管相比,接头比管材强度提高约20%,冻结管整体变形能力提高1~2倍,对防止冻结管断裂起到了事半功倍的作用,同时大大降低了冻结管成本。该项技术最早于1990年应用于山东邱集煤矿主、副井冻结工程,现在的深井冻结工程几乎都采用
8、这种冻结管。(5)在众多深厚冲积层冻结井施工中,对冻结壁温度分布、冻结压力、冻结
