1、凍結管斷裂原因與防治兗礦集團新陸凍結安裝有限公司戴華東 齊吉龍摘要：本文通過對斷裂凍結管的調查及對凍結管受力狀態的分析，從工程施工角度分析了影響凍結壁位移，造成凍結管斷裂的原因，并提出了工程上防止凍結管斷裂的措施，這些措施在一些深井凍結中應用并取得了較好的效果。關鍵詞：凍土、位移、凍結管、斷裂一、概述我國采用凍結法鑿井已有44年歷史，共開鑿了420多個井筒，累計深度6.6萬米，其中表土超過250m，凍結深度超過300m的凍結井有70多個。在深井凍結中凍結管斷裂是對鑿井的最大安全威脅，防斷管技術至今還未過關。隨著今后新建礦井表土深度的增加，如何防止凍結管斷裂將是首先面對的技術問題。根據最新資料統

2、計目前國內外凍結井筒已有61個井發生過凍結管斷裂，共斷管301根，淮南深厚表土凍結井幾乎都發生過斷管。如潘集2#主井斷管5根、副井斷管8根、西風井斷管8根、南風井斷管14根；潘三東風井斷管22根；東榮三礦風井斷管淹井；張集風井斷管4根；祁東主井斷管1根；濟寧2#風井斷管1根；岱莊副井斷管1根；葛亭副井斷管1根；唐口副井斷管（輔孔）1根等等。國外六七十年代深井斷管也不少，如蘇聯扎波羅滋1#南風井斷管率100%，波蘭留賓銅礦斷管率89.2%；加拿大雅伯1#井斷管率52.5%。世界上目前表土最深（511.5 m）的蘇聯雅可夫凍結井（凍深620 m）斷管15根，斷管率22.7%，從凍到停27個月，由此

3、可見凍結管斷裂是凍結鑿井的最大威脅。凍結管斷裂造成的經濟損失也是巨大的，如波蘭某銅礦斷凍結管6根，處理事故花費近百萬元；謝橋副井斷管32根，造成凍結壁開天窗淹井，又重新凍結，造成經濟損失近1000萬元。二、凍結管斷裂原因2.1 國內深厚粘土層中凍結管斷裂調查（見表1）表1深厚粘土層中凍結管斷裂成因調查表序號斷裂成因國內凍結管斷裂實例安全對策1斷管深度H（m）潘一風井153203、潘二主井162221、副井185285、西風井164288、南風井154162；潘三主井206265、東風井250320；謝橋副井230239、矸石井225238；海孜262；祁南260；平八東風井198315。深度小

4、于150m或大于320m安全；在其之間應謹慎2斷管處段高（m）潘二主井3.6、副井5.4、西風井5.3、南風井7.6；潘三主井5.28.7、中央風井7.2、東風井6.38.3、副井6.2；謝橋矸石井4.37.3；蘆嶺西風井4.0；海孜西風井8.0、主井810。膨脹性粘土取1.52.5，砂土類取2.53.53凍結壁裸露時間/段高（h/m）潘三東風井156/47、180/49、234/51、204/52、300/58；謝橋矸石井128/42、204/43、144/44、244/45。膨脹性粘土小于20；砂土類小于304凍結管到荒徑的距離（m）潘一輔助孔1.2、潘二主井3.55、副井3.4、西風井3

5、.05、南風井2.65；潘三主井2.0、副井2.05、中央風井1.75、東風井3.2；謝橋副井2.7、矸石井2.15；海孜2.45、西風井2.4；祁南主井3.57；平八3.25；濟寧2#風井2.45，北宿主井0.95、副井0.6；唐口副井輔助孔1.25。深厚粘土中大于2.5，井幫溫度不高于-85凍結壁位移量/段高（mm/m）潘三東風井段高4.5m時大于40mm, 段高4.9m時大于80mm，段高5.0m時大于113mm，段高5.5m時大于125mm。位移總量小于50mm6迎頭底鼓量/段高（mm/m）潘三東風井段高4.5m時底鼓量110mm、 段高4.7m時底鼓量600mm、段高4.9m時底鼓量

6、400mm、段高5.1m時底鼓量350mm、段高5.5m時底鼓量500mm、段高5.6m時底鼓量450mm。底鼓量小于2507斷管處巖性潘一東風井厚粘土；潘二粘土、砂質粘土；潘三主井風化基巖、副井固結鈣質粘土、粘土與砂層交界面；謝橋粘土；祁南粘土；平八粘土；濟寧2#風井粘土；唐口副井粘土。8斷裂部位絲扣管箍連接處脫扣，焊接外管箍上焊縫或下焊縫處。內襯箍坡口對接焊9人為管理因素潘二西風井焊接質量差，開挖前斷管7根；潘一東風井、潘二南風井套管斷裂各1根。潘二、潘三、謝橋等八個井筒普遍超挖200900。加強管理,提高焊接質量10斷管數量統計潘一東風井5根、潘二主井5根、副井8根、西風井8根、南風井1

7、4根；潘三主井5根、副井5根、中央風井7根、東風井22根；謝橋副井32、矸石井34根；蘆嶺西風井15根；海孜主井1根；祁南主井3根；平八東風井16根；濟寧2#風井2根，北宿主井7根、副井12根；唐口副井1根等等。2.2 凍結管變形規律凍結管在凍結壁中的受力狀態是極其復雜的，在凍結初期井筒未掘砌，凍結壁處于三相應力平衡狀態，凍結管斷裂主要是由于鹽水溫降過快，凍結管在短時間內急速收縮，沿凍結管軸向產生拉應力而造成的；井筒掘砌后凍結壁的三相應力平衡得到破壞，將產生如下狀態：掘進段高內凍結管出現兩頭被凍結固定，中間滯后而產生溫度拉應力；凍結的土、巖層線形膨脹系數不一樣產生剪切應力；沿凍結管切向的土、巖

8、層線形膨脹系數不一樣產生切向應力。尤其在厚粘土層與砂層、厚粘土層與堅硬巖石層的接觸面，由于上下不同土層的熱變形值相差較大，變形不一致，成為威脅凍結管的最危險部位。凍結管在掘進段高內的受力可簡化為圖1的形式。其彎矩和軸力可用下述方程描述： 永久支護段5 Y H3 2dx 4井筒中心線 凍結壁變形段h H2 R13 H1 1原始地層X圖1 凍結管變形示意圖圖中：1凍結管變形曲線；2凍結管原始位置；3工作面；4外壁；5內壁； H1工作面下超前變形段；H2掘進段變形段；H3滯后變形段。M = -EI（d2y/dx2）（1）N = EA(dy/dx)2 EAT + µe A/2（2）式中：E彈

9、性模量，MPa；I截面模量，2；T溫差，；µ泊松比；e環向應力，MPa；材料的熱膨脹系數和收縮系數；凍結管隨凍結壁的位移而變形，試驗及現場實測表明井幫的最大位移發生在掘進段高中上部約1/21/3處。因此控制凍結壁上部位移，對減少凍結管斷裂有重要意義。2.3 原因分析根據對國內凍結管斷裂實例的調查和對凍結管變形規律的分析，發現凍結管斷裂的主要原因是由于凍結壁位移過大造成的。凍土的流變性決定了凍結壁必然要產生位移，在井筒掘砌過程中凍結壁位移是不可避免的，但是凍結壁的位移量卻是可以控制的。通過調查發現發生凍結管斷裂的井筒，普遍存在著以下現象： 斷管處為厚粘土或粘土層與砂層交界面； 掘砌段高

10、大； 凍結壁裸露時間長； 凍結管距荒徑近； 凍結管多為絲扣連接或外管箍焊接； 井幫溫度較高； 掘砌工作面底鼓量大等。所有這些現象都直接或間接造成了凍結壁位移增大、凍結管斷裂。三、防斷管措施凍結壁位移危及凍結管安全這是客觀存在的，要防止凍結管斷裂就要控制凍結壁位移在凍結管允許變形范圍之內，通過近幾年的工程（金橋、葛亭、岱莊等）實踐，控制凍結壁位移防止凍結管斷裂要采取綜合措施：3.1 科學合理地確定凍結圈徑通過斷管實例和我們的施工經驗，適當加大凍結管布置圈徑，深厚表土凍結井凍結管在任何部位離荒徑不得小于3300（包括內偏值）。所以我們認為把凍結管（主孔）設計在距荒徑3300（表土<250m）

11、3800（表土>300）比較合適。3.2 設輔助孔并延長至表土段底部以前國內外設置輔助孔的目的只是為防止井筒上部開挖時塌幫，所以深度都比較淺，一般為90120m。現在深井凍結業主要求開挖時間短、掘砌速度快，淺輔助孔已不能適應要求。所以在設計時應改變思路，把輔助孔向下延伸，使輔助孔即防止上部早開挖塌幫，又對中下部凍結壁進行補強，降低了井幫溫度，起到了明顯作用（金橋250m、葛亭280m、梁寶寺310356m）。3.3 嚴格打鉆要求，控制偏斜率隨著國內凍結鉆孔施工技術的提高，對凍結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，用高于國家標準的技術要求來

12、規范凍結孔施工。3.4減少凍結管溫度應力凍結管線性收縮量為：L=Ha（T1-T2）（3）式中：H凍結管深度，m； a凍結管線性膨脹系數；T1地溫，；T2鹽水溫度，；凍結管拉應力為：s=Eat（4）式中：E鋼管彈性模量，N/mm；a凍結管線性膨脹系數；t地層結冰溫度與凍結壁中心溫度之差，； 開機運行57天，至鹽水溫度降到-2，讓凍結管在泥漿還未凍結未及抱住情況下，充分自由收縮。然后，鹽水驟然降至-8以下，讓凍結管在短時間內急速收縮，這樣凍結管1/2收縮量為自由狀態收縮量，減少由于鹽水降溫過快引起的溫度應力。 配管時，有意錯開接頭位置，使所有凍結管接頭的2/3不在同一水平上，上下錯開35m，也可避

13、免應力集中。3.5降低井幫溫度按建井規范深厚粘土層凍結井深200300m，井幫溫度為-5-8；深300400m，井幫溫度為-10-12；深度>300m，井幫溫度<-12是比較合適的。3.6 控制井幫位移量<50掘砌過程中對井幫位移進行監測，當位移量大于50時，及時調整掘砌段高，盡可能縮短空幫時間，減少井幫位移，使其小于50。凍結壁位移及凍結管變形計算，采用公式：Ud = （5） Ua=RaRa2+ Ud2-2RbUd（6）式中：Ud凍結管位移，cm；Ua-凍結壁位移，cm；Ra-掘砌荒半徑，cm；Rb-凍結壁外半徑，cm；P-地壓，MPa；h-段高，cm；t-凍結壁暴露時間，

14、h；-段高上、下端約束系數；A、B、C為凍土蠕變參數。3.7 在深厚粘土層中控制掘砌段高<1.5m，段高裸露時間<24小時，即在凍結段掘砌過程中實行短段掘砌、分段套壁。3.8 主張“抗讓兼施”，建議壁后設置泡沫塑料板5075，開始12天對凍漲力“讓”，三天后外壁混凝土強度達到C25C30強度后（提高混凝土早期強度），對凍漲力“抗”，防止凍結壁位移進一步增大。3.9 采用“剛柔相濟”凍結管，提高管接頭強度以前凍結采用的凍結管品種很多，國外有R65W石油套管、R45A加鋁脫氧鋼、Mn35鋼；國內選用過J55石油套管、CS-80L凍結專用鋼管及C20#優質低碳鋼。兩淮斷管80%以上采用J

15、55石油套管、絲扣連接。通過我們十幾年的實踐，認為采用C20#優質低碳鋼凍結管較為合適，原因是C20鋼剛柔相濟，延展性好，防低溫脆化性能好、可焊性好，最低使用溫度達-32安然無恙。凍結管連接方式以前多用絲扣或外管箍焊接，根據試驗這兩種連接方式接頭強度最多能達到母材的65%，自95年開始我們采用內襯箍坡口對接焊（如圖2），凍結管接頭強度比絲扣連接提高40%、比外管箍提高30%，達到母材的95%以上，并有多道打壓試漏作保證，工程上是安全的。 2 450 1 2 2 300100圖2 凍結管內襯箍接頭示意圖 圖3 內襯箍示意圖圖中： 凍結管； 焊縫； 內襯箍以上措施與方法通過在陳四樓、邱集、阮氏北、張集、金橋、岱莊