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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
2、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
3、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 153203、潘二主井 162221、副井 185285、西风井164288、南风井 154162；潘三主井 2062
4、65、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 1
5、28/42、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 3.05、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
6、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 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
7、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 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；统计 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
8、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
9、程描述：永久支护段5 YH3 2 dx 4井筒中心线冻结壁变形段 h H2 R13H1 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（d 2y/dx2）（1）N = EA(dy/dx)2 EAT + e A/2（2）式中：E弹性模量，MPa；I截面模量， 2；T温差，；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
10、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
11、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
12、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）11213 BCBababB hAtRPUa=RaR a2+ Ud2-2RbUd（6）式中：U d冻结
13、管位移，cm；U a-冻结壁位移，cm；R a-掘砌荒半径，cm；R b-冻结壁外半径，cm；P-地压，MPa；h-段高，cm；t-冻结壁暴露时间，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
14、，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
15、多道打压试漏作保证，工程上是安全的。 2 450 12 2300 100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、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。
