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井筒基岩含水层段冻结管的危害及处理技术

2020-12-27 来源:客趣旅游网
第39卷第4期 2017年 4月 能源与环保 Vo1.39 No.4 Apr. 2017 China Energy and Environmental Protection 井简基岩含水层段冻结管的危害及处理技术 李桂云 r,钱自卫 ,周国有 (1.中国平煤神马集团炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室,河南平顶山467099;2.中国平煤神马集团 能源化工研究院,河南平顶山467099;3.中国矿业大学深部岩土力学与地下.Y-程国家重点实验室,江苏徐州221116) 摘要:立井在基岩段采用冻结法施工时,当冻结壁解冻后,由于冻结套管与钻孔孔壁之间环向间隙的 存在,可能对多含水层产生疏导作用,一旦井壁某一含水岩层段出水,其他含水岩层将向出水岩层补 给,增加井壁水害的治理难度。另外如果掘进过程揭露冻结管,则可能造成淹井等严重事故,所以必 须对冻结管进行处理。先采用循环热源的方式对冻结壁进行一定幅度的解冻,然后采用割管、爆管或 射孔等工艺在预定位置致裂冻结套管,最后采用注浆的方式封堵冻结套管与钻孔孔壁之间环向间隙, 最终永久消除冻结管的不利影响。 关键词:冻结管;含水层;疏导;注浆;强制解冻 中图分类号:TD265.34 文献标志码:A 文章编号:1003—0506(2017)04—0083—04 Dangers of frozen pipe in aquifer of bedrock in mine shaft and relevant treatment Li Guivun .Qian Ziwei ,Zhou Guoy0U , (1.State Key Laboratory of Coking Coal Exploitation and Comprehensive Utilization,China Pingmei Shenma Group,Pingdingshan 467099,China;2.Isintittea f oEnergy and Chemical Industry,China Pingmei Shenma Group,Pingdingshan 467099,China; 3.National Key ab LofGeomechanics and Underground Engineering,Chia Uninve ̄ity ofMining and Technology,Xuzhou 221116,hiCna) Abstract:In construction of vertical shaft,when frozen wall thawed,due to the existence of circumferential gap between freezing pipes and the wall of drilling holes,it may produce a cathartic effect on multiple aquiors,once a aquiffer appeam water inrush at the wall of mine shaft,other water・beating rocks call supply water to this aquifer,which has increased the diicultfy of controlling water hazards.In addition,if frozen pipes are uncovered in driving,it may cause serious accidents,for example,the flooding of mine shaft,SO it is necessa— ry to deal with frozen pipe.The means of processing first adopt the way of circulation heat source thawing of frozen wall in a certain range,then crack the frozen pipes at a predetermined position by using cut pipe,tube,or perforation process,finally,the circumferential gap between freezing pipes and the wall of drilling holes was blocked with the method of grouting,and the negative impact of the frozen pipes was eliminated eventually. Keywords:frozen pipe;aquifer;channel;grouting;forced thawing 0 引言 由于近年井筒建设深度的增加,水害治理难度 增大,冻结法作为一种相对可靠的井筒特殊施工方 法逐渐在基岩含水层中推广应用 1-4]。传统的松散 层段冻结时,冻结套管与钻孔孔壁的环状间隙由于 土层的变形特性会逐渐闭合 ,而对于稳定的基岩 的长时存在,曾发生多起严重的井筒水害事故。例 如,胡家河矿主立井为全深冻结,在上仓通风联络巷 施工时揭露2根冻结管,上层含水层水通过环状间 隙进入掘进工作面,造成突水事故,水中夹杂大量黄 泥及碎石 11-14];塔然高勒煤矿主井深699 m,为全深 冻结,解冻后因冻结套管与钻孔孔壁的环状问隙的 导通作用,导致不处于含水层施工的西装载硐室发 生最大水量达到156 m /h的突水突泥现象¨ ;平 层,此环状间隙将长时存在 。正因为环状间隙 收稿日期:2016—12—12;责任编辑:陈鑫源DOI:10.19389/j.cnki.1003—0506.2017.04.017 基金项目:国家重点基础研究发展计划973项目(2013CB036000) 作者简介:李桂云(1963一),男,湖南衡南人,教授级高工,硕士,1986年毕业于湘潭矿业学院,现从事煤矿开采技术研究工作。 引用格式:李桂云,钱自卫,周国有.井筒基岩含水层段冻结管的危害及处理技术[J].能源与环保,2017,39(4):83-86,90. Li Guiyun,Qian Ziwei,Zhou Guoyou.Dangers offrozen pipe in aquifer of bedrock in mine shaft and relevant treatment[J].China Energy and Environmental Protection,2017,39(4):83.86,90. ・83・ 2017年第4期 能源煤一矿北三回风井冻结深度800 m,井筒解冻后在 非主要含水层段发生严重井壁突发破裂,造成突水 淹井,淹井后上层含水层水位急速降低,说明环状间 隙沟通的突水点及主要水源层造成突水现象[16]。 1立井冻结器的结构 冻结器结构包括冻结钻孔、孑L内套管及供液管 (图1),先施工冻结钻孔,然后安装冻结套管,最后 下放内置供液管。从供液管中向下压送冷媒,然后 从供液管与冻结套管的间隙中向上循环,过程中热 交换,地层的热量被逐渐带走,实现地层冻结。 uv 隧 m 8 6 4 2 O “ 8 图1冻结管结构示意 Fig.1 Structure chart of frozen pipe 2冻结管的危害 在冻结管与钻孔孔壁之间有一定宽度的环向 间隙,对于土层而言,由于土层的变形性强,此间隙 将自然闭合,而对于岩层来说,此间隙将长期不得闭 合,此环向间隙将沟通冻结段内各含水岩层,对含水 岩层产生疏导作用。采用有限元数值计算软件建立 简易数值模型进行说明(图2),假设井筒深度9 m, 井筒直径0.8 m,支护厚度0.1 m,支护结构不透水; 井筒穿过5组岩层,每层均厚2 m,含水层的渗透系 数设为0.000 1 m/s。含水层水位随埋深+10 m。 ①假设在下层含水层底部位置,有跨度为0.5 m的 井壁支护质量极差,渗透系数设定为1.0 m/s,则在 无疏导条件下,下层含水层涌水量为4.34 m /h。 ・84・ 与环保 第39卷 ②假设施工冻结孔直径0.1 m,孑L深9.5 m,则冻结 孑L疏导条件下下层含水层底部井壁的涌水量为 5.8I HI /h,水量增加39%。 18 16 14 12 鲁 10园 8* 6 4 2 0 与井筒中心的距离,m (a)不疏导 隧 6 4 2 O 5 —3 一l l 3 5 与井筒中心的距离,m (b)疏导 图2模型水压分布 Fig.2 Water pressure distribution of numerical model 通过对比冻结孔不疏导及疏导条件下水压头响 应云图发现:在不施工冻结孔时,下含水层部位井壁 出水不影响上含水层,上含水层不对涌水产生补给; 而施工冻结孔后,在下层出水时,上层水压头产生明 显的压降,即上层水对下层产生了补给,两含水层产 生联动效应(图2、图3)。 不疏导) 疏导) 不疏导) 疏导) 与井筒中心的距离/m 图3模型含水层底部水压分布曲线 Fig.3 Water pressure distribution curve of aquifer bottom surface 2017年第4期 李桂云,等:井筒基岩含水层段冻结管的危害及处理技术 第39卷 如果在冻结段内掘进马头门,则可能揭露冻结 管,如果处理不当则可能发生严重事故。如图4所 示,如右侧冻结管被揭露,则其计算涌水量为6.17 m。/h。例如陕西彬长集团胡家河矿井主井通风联 络巷掘进时揭露冻结管,造成淹井事故。 18 10 16 8 l4 12 6 10 s 6 4 2 2 O 0 一5 —3 一l l 3 5 与井筒中心的距离/m (a)水位云图 1O 8 懿姑龆嘲辎麟卿 般 ~ ・i= 一 l 一一 一 一一一 I  I~5 —3 一l l 3 5 与井筒中心的距离,m (b)流线图 图4冻结管掘断工况下模拟结果 n晷4 Simulation resul ̄under condition of freezing pipe brea ̄ng 3冻结管处理技术 采用注浆法封堵冻结套管与钻孔的间隙,从而 阻断多含水层的水力联系。由于注浆可能对已施工 的井壁产生威胁,所以注浆拟在冻结壁完全解冻前 进行。 冻结管处理的基本步骤:①采用强制解冻技术 使得冻结套管与钻孔的空间先期解冻,以呈现浆液 充填扩散的空间;②采用爆管、射孔或割管等方式致 裂冻结套管;③采用注浆的方式封堵冻结套管与钻 孔的间隙。 3.1 冻结壁强制解冻技术 强制解冻技术就是利用传热学中热传导的基本 原理,对采用冻结法施工后的土体进行人工强制快 速解冻 。常用的强制解冻方法,主要是利用先前 用于冻结土体的冻结管,将冻结管中的冷盐水换成 热盐水,利用部分原来冷盐水的冻结循环系统进行 热盐水循环,使冻结土体的温度逐渐上升,使土体中 的冰融化,达到快速解冻土体的目的。循环系统主 要由循环泵、盐水加热装置和解冻管组成。循环过 程为:盐水箱中的热盐水被加热至适当温度,通过去 路干管,进入解冻管与地层产生热量交换,之后再通 过回路干管回到盐水箱中。如此反复循环解冻岩土 体。 3.2冻结管致裂技术 (1)割管法。预设的位置采用套管专用割刀, 下放到预割套管的深度,把套管在预定位置割断 (割裂),形成浆液流通的通道 。此方法原常应用 于钻孔事故的处理。 (2)射孔法。预设位置,采用射孔枪使套管产 生花眼;此方法从石油系统引进,将专用的射孔枪沿 冻结管内下放到预定的注浆地层部位,采用聚能式 爆破射孔技术,通过引爆射孔枪中的电雷管,使枪中 一定数量的射孔弹同时定向爆破,穿透枪体及冻结 管,形成浆液扩散的通道¨ 。射孔后在套管形成多 个8~12 mm的圆孔。 (3)爆破法。采用雷管等强爆设备,在套管预 设位置爆炸,炸裂套管_2 。钻孔雷爆的装药药筒称 为雷筒,简体采用有一定强度的金属材料制成,直径 一般不超过井简直径的0.8倍,雷筒外壳要平滑无 凸出部分,密度应保证能顺利通过钻孔中的流体。 3.3冻结管注浆技术 冻结管处理流程:冻结管强制解冻一冻结管致 裂一接通输浆管路一压水试验一注浆一压水冲洗输 浆管路一拆洗注浆泵一水泥浆初凝。 注浆前进行压水试验,校验冻结管治理的效果, 冲洗钻孔环形空间的充填物。注浆前要计算浆液的 注入量,严格控制注浆压力,防止高注浆压力致裂冻 结壁,威胁井壁的安全。 4 结语 立井在基岩段采用冻结法施工时,当冻结壁解 冻后,由于冻结套管与钻孔孔壁之间环向间隙的存 在,可能对多含水层产生疏导作用,一旦井壁某一岩 层段出水,其他岩层将向出水岩层补给,增加井壁水 害的治理难度。另外如果掘进过程揭露冻结管,则 .85. 2017年第4期 能源可能造成淹井等严重事故,所以必须对冻结管进行 处理。处理方式:先采用循环热源的方式对冻结壁 进行一定幅度的解冻,然后采用割管、爆管、射孑L等 工艺在预定位置致裂冻结套管,最后采用注浆方式 封堵冻结套管与钻孔孔壁之间的环向间隙,最终永 久消除冻结管的不利影响。 参考文献(References): [1] 吕强.立井井筒基岩冻结施工实践[J].建井技术,2007,28 (3):6-8. La Qiang.The bedrock of shaft freezing construction practice[J]. Mine Consturction Technology,2007,28(3):6—8. [2]王建涛,张建平.超深冻结立井井壁结构设计[J].煤炭工程, 2015,47(7):24-26. Wang Jiantao,Zhang Jianping.Design of uitre—deep freezing verti- cal shaft wall[J].Coal Engineering,2015,47(7):24-26. [3]万援朝.千米立井大冻深快速凿井施工技术[J].煤炭科学技 术,2010,38(12):43_46. Wan Yuanchao.Rapid shaft sinking technology of mine deep freez— ing shaft over 1 000 m deep[J].Coal Science and Technology, 2010,38(12):43_46. [4] 华召文,郑忠友.西部矿区立井基岩冻结井壁的设计研究[J]. 陕西煤炭,2015(5):5_8. Hua Zhaowen,Zheng Zhongyou.Design on the shaft Lining of bed— rock freezing in mining areas of the western china[J].Shaanxi Coal,2015(5):5 8. [5] 宋亚楠.深厚冲积层立井冻结施工实践[J].建井技术,2013 (5):18-20. Song Yanan.Deep alluvium freezing shaft consturction practice [J].Mine Consturction Technology,2013(5):18-20. [6] 肖福俊.深厚表土层冻结质量对凿井施工的影响[J].山东煤 炭科技,1999(S1):73-75. Xiao Fujun.Deep topsoil impact on the quality of deep frozen shaft sinking[J].Shandong Coal Science and Technology,1999(s1): 73-75. [7] 张平.深厚表土层井简冻结施工技术[J].建井技术,2006,27 (3):2-5. Zhang Ping.Construction technology of deep shaft freezing con- struction[J].Mine Consturction Technology,2006,27(3):2-5. [8]邵红旗.深基岩冻结井筒封闭不良冻结孔水害治理技术[J]. 煤炭科学技术,2013,41(10):22.25. Shao Hongqi.Water disaster control technology of poor sealing fro— zen hole in deep freezing bedrock shaft[J].Coal Science and Technology,2013,41(1O):22-25. [9]佟强,杨广详,孙德林,等.冻结立井壁后出水分析及处理[J]. 建井技术,2014(5):8-11. Tong Qiang,Yang Guangxiang,Sun Delin,et a1.Analysis and treat— ment of eflfuent from the frozen shaft wall[ .Mine Construction Technology,2014(5):8-11. ・86・ 与环保 第39卷 [10]韩风军,尹庆国.立井井筒冻结管射孔注浆技术的实践与应 用一以巴彦高勒矿井为例[J].山东煤炭科技,2015(8):172— 173. Han Fengjun,Yin Qingguo.Practice and application of penetration and grouting technologies with vertical shaft freezing pipe:take Bayangaole Coal Mine for example[J].Shandong Coal Science and Technology,2015(8):172—173. [11]赵强,武光辉.基岩冻结法施工解冻水害的机理及治理技术 [J].煤矿安全,2013,44(4):91-93. Zhao Qiang.wu Guanghui.The mechanism and technology of tha— wing water disaster caused by the bedrock freezing construction [J].Safety in Coal Mines,2013,44(4):91-93. [12]曹祖宝,邵红旗,朱明诚.冻结井筒冻结孑L涌水机理及逆流引 流注浆封堵技术[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2012(8):46— 49. Can Zubao,Shao Hongqi,Zhu Mingcheng.In—rushing water mecha— nism of rfeezing hole of frozen shaft and counter-flow Water diver— sion grouting seating technology[J].Exploration Engineering (Rock&Soil Drilling and Tunneling),2012(8):4649. [13]邵红旗.引流注浆封堵深基岩冻结井简冻结孔涌水技术[J]. 煤矿安全,2013,44(1):74.76,79. Shao Hongqi.Sealing deep freezing bedrock shaft rfozen hole burst- ing water technology with water diversion grouting【J].Safety in Coal Mines,2013,44(1):74-76,79. [14]占有名.基于立井水害治理的环形截水巷合理位置[J].煤矿 安全,2015,46(2):32-35. Zhan Youming.Reasonable location of annular water—intercepting roadway based on shaft water disaster control[J].Safety in Coal Mines,2015,46(2):32-35. [15]薛建坤,朱明诚,牛光亮,等.环状隔离体技术在塔然高勒煤矿 主井冻结孔涌水封堵中的应用[J].现代矿业,2016(7):187. 19O. Xue Jiankun,Zhu Mingcheng,Niu Guangliang,et a1.Application of nanular isolation technology in the water inflow of the main shaft rfeezing hole in Tarangaole Coal Mine[J].Modern Mining,2016 (7):187-190. [16]张建国,姜振泉,赵万里,等.破裂井壁大流量涌水治理措施 [J].煤炭技术,2015(1):78—81. Zhang Jianguo,Jiang Zhenquan,Zhao Wanli,et a1.Control meas- ures on large lfow water of broken wall of well[J].Coal Technolo— gY,2015(1):78・81. [17]刘计寒,齐家根,魏志成.井筒强制解冻与冻结管射孔注浆施 丁=技术[J].矿业lT程,2012,10(3):62 ̄64. Liu Ji"an,Qi Jihan,Wei Zhicheng.The construction technology of compelling to thaw for shafts and grouting into perforations[J]. Mining Engineering,2012,10(3):62_64. [18]李占锋,张佳俐,张金来.一种新型割管器的设计与应用[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程),2012,39(3):27-29. Li Zhanfeng,Zhang Jill,Zhang Jilai.Design of new pipe cutter and the application[J].Exploration Engineering(Rock&Soil Drilling and Tunneling),2012,39(3):27.29. (下转第90页) 2017年第4期 能源与环保 第39卷 Zhang Yusheng,Li Kang,Liu Chunhui,et a1.Application of ther- 5 结论 (1)对参数变化幅度作归一化处理后计算出的 mal neutron imaging logging technology in Tuha oil field[J].Well Logging Technology,2015,39(5):652-655. 敏感性,能更好地对比各个参数在不同深度下含水 饱和度解释的敏感性,同时能够清晰地分析出在不 同深度下对含水饱和度影响最大的因素。 [9]胡冰恒,郭海敏,诸葛月英,等.TNIS测井技术在低矿化度储层 中的应用[J].贵州师范大学学报,2016,34(5):71-76. Hu Bingheng,Guo Haimin,Zhuge Yueying,et a1.Application of TNIS logging technology in low mineralization reservoir[J].Journal of Guizhou Normal University,2016,34(5):71-76. (2)当横坐标为深度时,计算求得每一个深度 点下,泥质俘获截面值和地层水俘获截面值对应的 偏导值,继而可以具体分析对比参数对结果的敏感 性大小。 [1O]张新雨,郭海敏,穆永利,等.海上某油田PNN测井泥质校正及 解释参数敏感性研究[J].长江大学学报,2016,13(8):31.35. Zhang Xinyu,Guo Haimin,Mu Yongli,et a1.Study on sensitivity of biogas correction and interpretation parameters of PNN logging in 参考文献(References): [1] 郭海敏.生产测井导论[M].北京:石油工业出版社,2003. [2]郭海敏,戴家才.套管井地层参数测井[M].北京:石油工业出 版社,2007. an oilfield at sea[J].Journal ofYangtze University,2016,13(8): 31.35. [11j张玉虎,李康.TNIS热中子成像测井技术的应用[C]//2014 油气藏监测与管理国际会议论文集.2014. [12]陈猛.基于PNN剩余油饱和度监测技术研究[D].南京:长江 大学,2013. [3]张锋.我国脉冲中子测井技术发展综述[J].原子能科学技术, 2009,43(增刊):116.123. Zhang Feng.Study on development of pulse Neutron logging tech— [13]梁智宏,李明.蒙特卡罗法在库存决策中的应用研究[J].现代 管理技术,2012,1(39):56-59. Liang Zhihong,Li Ming.Application of Monte Carlo Method in in- nology in China[J].Atomic Energy Science and Technology, 2009,43(S):116—123. ventory decision—making[J].Modem Management Technology, 2012,1(39):56-59. [4] 张峰,徐建平,胡玲妹,等.PNN测井方法的蒙特卡罗模拟结果 研究[J].地球物理学报,2007,50(6):1924.1930. Zhang Feng,Xu lianping,Hu Lingmei,et a1.Study on monte carlo [14]黄隆基.核测井原理[M].北京:石油工业出版社,1985. [15]黄志洁,李疾翎,马焕英,等.PNN测井解释方法改进及应用 [J].中国海上油气,2009,21(2):95-98. Huang Zhijie,Li Jiling,Ma Huanying,et a1.Improvement and ap— simulation results of PNN logging method[J].Chinese Journal of Geophysics,2007,50(6):1924—1930. [5]施培华,刘洪亮,张予生,等.复杂储层TNIS测井资料解释技 术研究[c]//陕西省石油学会,西安石油大学.2015油气田勘 探与开发国际会议论文集.西安:陕西省石油学术委员会, 2015. plication of PNN Log interpretation method[J].China Offshore Oil and Gas,2009,21(2):95-98. [16]易娟子,戴家才,孔玉霞.脉冲中子一中子(PNN)测井技术及 应用效果分析[J].石油仪器,2009,23(5):65-67. YI Juanzi,Dai Jiacai,Kong Yuxia.Parallel neutron—neutron(PNN) [6] 王婧慈,郭海敏.基于标准层及改进遗传算法的剩余油测井评 价[J].测井技术,2012,36(5):537-542. Wang Jingci,Guo Haimin.Evaluation of remaining oil logging logging technology and its application effect analysis[J].Petrole— um Instruments,2009,23(5):65-67. based Oil standard layer and improved genetic algorithm[J].Well Logging Technology,2012,36(5):537-542. [17]张予生.一种新的确定储层剩余油饱和度的测井技术一PNN测 井仪器及其应用[J].石油仪器,2005,19(3):27-31 Zhang Yusheng,A new logging technique for determining residual 0.1 saturation of reservoirs[7] 薛素丽,诸葛月英,闫爱华,等.热中子成像(TNIS)测井在低矿 化度储层中适用性研究[J].测井技术,2016,40(3):364.371. Xue Suli,Zhuge Yueying,Yan Aihua,et a1.Application of thermal PNN logging tool and its application [J].Petroleum Instruments,2005,19(3):27-31. neutron imaging(TNIS)logging in low salinity reservoir[J].Well Logging Technology,2016,40(3):364-371. [18]徐静.PNN测井时间谱的多尺度分析及反演研究[D].青岛: 中国石油大学(华东),2010. [8] 张予生,李康,刘春辉,等.热中子成像测井技术在吐哈油田的 应用[J].测井技术,2015,39(5):652-655. [19]斯仑贝谢公司.套管井测井解释原理与应用[M].刘呈冰,高 中民,译.北京:石油工业出版社,1993. (上接第86页) [19]张绍敏,周大鹏,王传团,等.金桥煤矿副井冻结管射孔注浆技 [2O】徐颖,罗良友.冻结管爆破注浆加固技术研究[J].矿冶工程, 2001,21(2):21-23. Xu Ying,Luo Liangyou.Technology for consolidation of shaft wall 术[J].建井技术,2004(2):1-3. Zhang Shaomin,Zhou Dapeng,Wang Chuantuan,et a1.Freezing rock by blasting and cement injection—investigation[J].Mining and Metallurgical Engineering,2001,21(2):21—23. pipe perforation grouting technology in Jinqiao Mine Shaft[J]. Mine Construction Technology,2004(2):1-3. ・90・ 

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