基于冻结法凿井技术研究.docx

中国科技论文在线基于立井冻结的冻结管破裂检测技术研究钟涌芳1，马济林1，宋立斌2作者简介：钟涌芳（1989-），男，中国矿业大学采矿工程在读本科生. E-mail: *|1|钟涌芳|ZhongYongfang|中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116|School of mines, China university of mining and technology, Xuzhou, Jiangsu 221116|钟涌芳（1989-），男，中国矿业大学采矿工程在读本科生|江苏省徐州市中国矿业大学南湖校区梅三A4092|221116|15896420319|2|马济林|MaJilin|中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116|School of mines, China university of mining and technology, Xuzhou, Jiangsu 221116|3|宋立斌|SongLibin|中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221116|School of mines, China university of mining and technology, Xuzhou, Jiangsu 221116|基于立井冻结的冻结管破裂检测技术研究|New technology of frozen pipe burst testing based on Shaft Freezing|- 6 -（1. 中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116；2. 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221116）摘要：目前，冻结技术在我国矿井建设中已经得到广泛的应用，但是由于内外多种因素的复合作用经常会导致冻结管破裂。本文研究了一种新型的信息化检漏系统，利用盐水供液压力和盐水回液流量来检测冻结管是否破裂。经过试验证明，该系统的灵敏度很高，只要盐水供液压力和回液流量实测数据有所波动，就能很快感应到，激活时间序列分析计算系统，准确推断出该测点的冻结管是否破裂，取得很好的安全系数和经济效益。关键词： 冻结法；冻结管破裂；信息化；测试系统中图分类号：TD26New technology of frozen pipe burst testing based on Shaft FreezingZhongYongfang, MaJilin, SongLibin(School of mines, China university of mining and technology, Xuzhou, Jiangsu 221116)Abstract: At present, the freezing technology applied to mine construction has been widely used in China, but many combined effects of internal and external factors often lead to frozen pipes burst. In this report, a new type of information-based leak detection system was invented to detect whether the frozen pipe burst combined with the use of liquid pressure and the use of brine return flow rate. The experiment demonstrated the high sensitivity of the system, as long as the measured data of the brine fluid pressure and return flow rate fluctuate, it can quickly sense out and activate time series analysis computing system, thereby accurately infer whether the measured freezing pipe is broken, this system gets a greatly increased safety factor and economic benefits. Key words: artificial freezing method; frozen pipe burst; information-based; eest system 0 引言随着冻结技术在我国立井建设过程中的广泛应用，特别是深厚复杂冲击层立井冻结程，由于冻结管在地层中受岩土复杂地应力以及超前开挖量过大、维护冻结期的钻爆凿井等各种不稳定因素的影响，会导致冻结管断裂。而现阶段采用的冻结管破裂检测技术主要还是利用常规的办法对冻结管逐个打压，既耽误工期，又浪费人力。因此攻克冻结管的破裂检测技术是目前立井冻结科研项目的重要研究课题之一，我们借鉴冻结期间井壁信息化施工的经验研发一种新型的信息化检漏系统，对立井冻结过程的冻结管破裂检测起到了很好实时监测预警的作用。1 冻结管断裂研究背景1862 年英国南威尔士在建筑基础施工中，首先使用了人工制冷法加固土壤，成功使用冻结新技术在不稳定地层施工中取得了显著的经济效益和安全系数。我国从上世纪 50 年代引进这项技术至今已有六十年的历史，随着立井井深的逐渐加深和地层的不稳定因素的影响，冻结管容易断裂，严重影响冻结壁交圈12。其具体影响因素如下：1）冻结管连接方式。我国传统的冻结管连接方式3包括内衬管焊接、外套管焊接、管箍式几种连接方式，管箍式接头管位置管箍和接头丝容易发生扣脱扣；外套管焊接的焊接工艺复杂，质量不易保证；打坡口内衬管对接焊，能保证接头抗拉强度高于母体管强度，能有效解决由于管接头强度低而引发断管的问题。但是该形式的冻结管变形能力有限，在复杂应力（地应力和冻胀力）的影响下会因变形太大断裂。2）复杂地质条件影响4。冻结施工过程冻结管的强度是确定的，但是地质条件却蕴藏着太多的不确定因素，如地层位移和冻胀力影响以及含水层水头作用等，而且目前对这些不确定因素的研究还不够成熟，基本上还不能定量化。如果焊接部位抵抗不住外界地压和冻胀力以及水压等不确定因素的影响，往往发生破裂，那么将会给工程的工期、人力、财力都会产生很大的负面影响。 3）超前开挖影响5。维护冻结期间，冻结壁虽然已经形成，但是初期强度还不够强，如果开挖时间过早或是超前开挖太多，会引起冻结壁向内变形，冻结管会受到附加应力影响随之变形最终导致冻结管断裂。施工过程中，冻结管的断裂在所难免，一旦发生断裂，盐水渗流范围内冻结壁的强度将在很大程度上降低，影响工程安全，拖延工期。因此如何在冻结管破裂后快速检测出冻结管破裂的具体位置成了当今立井冻结施工中最需要解决的问题之一。2 冻结管破裂检测研究现状随着冻结技术的广泛应用和推广，现阶段我国90%以上的矿井都在利用冻结技术施工。但是，随着立井井深的不断加深和我国大部分地区的地质条件的不稳定因素的影响，冻结管破裂的现象也越来越严重。我们现阶段的检测方法一直为利用传统的总压力表观测，发现压力下降，再逐个对矿井的所有冻结管进行打压检测，给煤矿的施工，人身安全，工期的进度都产生了很大的影响。2.1 冻结管检漏施工在 2005 年山东省济宁市金乡花园煤矿矿井的立井冻结施工中， 由于地质条件的不稳定，地层发生位移错动，导致冻结管破裂。发现事故后，施工队伍随即将所有的冻结管打开，然后利用打压机对每根冻结管进行打压，从事故的开始到冻结管打压检测完毕，耗时将近一天的时间，再此期间，煤矿的所有施工全部停止，此冻结管的检测给煤矿的安全，经济效益，施工工期都带来了很大的影响。 2.2 冻结管断裂检漏报警装置研究 2006 年中国矿业大学岩土所的岳丰田教授等研发一种冻结管断裂检漏报警装置研究，已获得国家实用新型专利6。该装置由出水接头、锥形钢管、进水接头组成。锥形钢管内有磁性球和限位器，外部有感应器。出水接头与盐水循环干管去路相连， 进水接头与盐水循环回路相连。 一旦发生漏水，可自动堵住上部出水口同时报警。 2.3 信息化监测技术的推广由本文 2.1 可以看出传统的方法虽然可以检测出哪根冻结管漏水，但是在时间上、空间上（开挖施工期间，井筒空间有限）都会影响到矿井的施工进度和安全。井壁信息化施工技术的引入，让矿井建设单位受益匪浅，能实时监测井壁的温度、井壁压力、钢筋应力的情况，及时的将信息反馈到监测室，指导下一步的施工，这种信息化施工技术能保证工程的顺利进行。实际上，我们正是借鉴井壁信息化监测技术研发了一套冻结管破裂检测系统，指导施工。3 冻结管信息化检漏系统研究3.1 新型检测系统设计 该系统引入了信息化监测的理念7，对传统的总管盐水流量仪表观测的思路进行改进，不但在总管安装去路和回路流量监测仪表，还在支路每个冻结管的进液口处加上一个液压传感器，在冻结管的回液口处安装一个盐水流量计，经过合理的桥路连接，接到DT515数据采集器上，终端和电脑连接。该系统可以在最短的时间内将供液压力和回液管盐水流量及时的传送到监测主机上，编辑VB程序将几个冻结管测点的实测数据建立数据管理系统和数据分析系统，实现数据分析的可视化功能。3.2 信息化监测程序 该系统利用VB语言进行编写程序，将几个冻结管（1#10#）测点的实测数据建立数据管理系统和数据分析系统，包括回液流量和供液压力的数据分析，选取任意的时间段进行流量-时间曲线和压力-时间曲线的绘制，能实时动态的显示流量和压力的变化。计算程序原理： 1）如果冻结管没有断裂，则供液压力稳定，回液量也稳定；总管的去路和回路的盐水流量相等。如果冻结管断裂，盐水向冻结壁渗流，导致供液压力随时间下降，同时回路盐水流量变小。 2)利用时间序列分析原理对一段时间内的监测数据进行分析，通过一个标准数据作为数稳定的波动域。如果监测数据出现波动，超过稳定域就说明该异常点发生了断管，会激活报警器。3.3 新型检测系统的四大优势 3.3.1 计算准确 传统的方法只能看到总机房压力表降低后才发现冻结管漏水，由于某种原因可能导致不能及时发现问题，造成漏水时间过长，从而给后续冻结造成负面影响。本测试系统通过编写VB程序，一旦检测出供液压力降低或回液量波动就会实时记录到电脑上，从而根据盐水流量/水压随时间降低的规律和发生断管的时间，计算出泄露盐水的多少和扩展范围，从而计算出对施工的影响和处理方法。3.3.2 节约时间 在时间上本系统的优势将更加明确，从上述案例中可以看出，传统方法费时、费力，但是如果采用该系统后，一旦冻结管发生漏水导致水压降低，数据将在第一时间传送到控制室电脑上（可以加上感应铃声报警设备）只要操作员在电脑上就会很快发现是哪个冻结管漏水并可看出漏水量的大小，从而在最短的时间内将事故处理完毕。 3.3.3 增加安全系数在空间上可以带来便利，由于现场施工时冻结管发生断裂，井口设备复杂，如果运用传统打压会对工人的人身安全带来隐患，该系统的应用可以减少工人在井口工作的时间，对矿井的安全生产带来很大保障，从而提高矿井施工的安全系数和经济效益。3.3.4 施工简单 本测试系统在安装时施工简单，只需在冻结管去路和回路的测点管口布置一些传感和数据输出仪表，通过数据线连到电脑终端，不影响其它设备的运行和施工。4 结论本文研究了一种新型的信息化检漏系统， 利用盐水供液压力和盐水回液流量来检测冻结管是否破裂。经过试验证明，该系统的灵敏度很高，只要盐水供液压力和回液流量实测数据有所波动，就能很快感应出来，激活时间序列分析计算系统，准确推断出该测点的冻结管是否破裂。参考文献 (References) 1 陈文豹,汤支斌.冻结法施工M.煤炭工业出版社.2008,(3). 2 崔广心.冻结法凿井的模拟实验原理J.中国矿业大学学报,1989,(18). 3 王正廷,孙 勇.新型内衬管对焊接接头低碳钢冻结管的研究和应用J.2007,(6). 4 翁家杰.井巷特殊施工M.煤炭工业出版社,1991. 5 王建平,靖洪文,刘志强.矿山建设工程M.中国矿业大学出版社,2007,(10). 6 岳丰田.冻结管断裂盐水漏失截止报警装置：中国，200620070515.XP. 2007-6-13. 7 廖红梅.煤矿涌水水位自动监测管理系统研究M.中国矿业大学硕士学位论文,2007,(11). 以下为系统生成表格，切勿修改表格内容.项目基金 中文作者钟涌芳;马济林;宋立斌英文作者ZhongYongfang;MaJilin;SongLibin