緱延民

(河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)，河南平頂山 467000）

煤礦大口徑保溫井保溫套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及下套管技術(shù)

緱延民

(河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)，河南平頂山 467000）

通過(guò)中平能化集團(tuán)某礦的工程實(shí)踐，研制出滿足煤礦高地溫礦井井下降溫工程需要的鋼基GFRP雙層復(fù)合保溫套管，對(duì)保溫套管的下套管技術(shù)和保溫套管接頭保溫方法進(jìn)行了研究，對(duì)煤礦采用鉆井的方法實(shí)施井下降溫工程具有十分重要的意義。

煤礦;大口徑保溫井;保溫套管設(shè)計(jì);下套管技術(shù)

0 引言

煤炭是我國(guó)的主要能源之一。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展要求和煤炭資源開(kāi)發(fā)的日益加強(qiáng)，礦井的開(kāi)采深度不斷增大。目前，世界各主要采煤國(guó)家相繼進(jìn)入深部開(kāi)采，開(kāi)采深度的逐步增加，地溫也隨之升高，地溫對(duì)煤炭生產(chǎn)的制約和影響日趨增大。

據(jù)世界各地的測(cè)量資料，全球平均地溫梯度約為3℃/100 m，據(jù)全國(guó)礦井高溫?zé)岷ζ詹橘Y料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前已有近百對(duì)礦井出現(xiàn)了不同程度的熱害，其中超過(guò)50對(duì)礦井的采掘工作面氣溫超過(guò)30℃。據(jù)我國(guó)煤田地溫觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，百米地溫梯度為2～4℃/100 m，例如平頂山八礦平均地溫梯度為3.4℃/100 m，－430 m水平的原始巖溫為33.2～33.6℃，采掘工作面的氣溫在29～32℃，最高已達(dá)34℃。世界各國(guó)對(duì)井下溫度也做出了相應(yīng)規(guī)定，我國(guó)2005年1月1日起實(shí)施的新《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過(guò)26℃，機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度不得超過(guò)30℃。

深井開(kāi)采條件下，地溫不斷升高，熱害以及有毒有害氣體、粉塵的危害也日益增大。這些危害嚴(yán)重影響作業(yè)工人的工作效率及他們的身心健康，甚至很可能導(dǎo)致一些礦井惡性事故的發(fā)生，給礦井的安全生產(chǎn)及其日常管理帶來(lái)了極大的威脅?？梢?jiàn)，煤礦井下降溫技術(shù)正成為國(guó)內(nèi)外礦業(yè)開(kāi)發(fā)研究的一個(gè)重要課題。

1 背景

目前國(guó)內(nèi)外煤礦開(kāi)展井下降溫工程研究的步伐還比較緩慢，煤礦開(kāi)展井下降溫工程研究通過(guò)鉆井的方式建立礦井上下聯(lián)通保溫通道，開(kāi)展大口徑輸冰井的鉆井施工尚處于試驗(yàn)研究階段，尤其是大口徑保溫井的保溫套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝，下套管工藝技術(shù)還沒(méi)有成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。一些煤礦為了改善井下采面的高溫現(xiàn)狀，開(kāi)始與一些高校和降溫公司合作，對(duì)高地溫礦井井下降溫工程技術(shù)進(jìn)行了積極的研究。

據(jù)了解，目前有少數(shù)高溫礦井采用冰冷卻系統(tǒng)方法，通過(guò)井上融冰和井下融冰方式實(shí)施了井下降溫工程，還有一些高溫礦井則采用雙井循環(huán)冷凍水的方式實(shí)施井下降溫工程。但由于這些已經(jīng)實(shí)施的降溫工程大都是利用煤礦開(kāi)拓的立井(或斜井）來(lái)敷設(shè)常規(guī)保溫管道，受煤礦立井(或斜井）等開(kāi)拓通道位置的限制，位置較遠(yuǎn)的采面實(shí)施井下降溫工程受到了很大限制，迫切需要在需要降溫的采區(qū)上部地面建設(shè)制冷系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)施大口徑鉆井工程，下入保溫套管，在建立井上下保溫聯(lián)通通道的基礎(chǔ)上，實(shí)施井下降溫工程。

因此，研究煤礦大口徑降溫井保溫套管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和下套管技術(shù)，滿足輸冰和輸送冷凍水對(duì)管道保溫的要求，同時(shí)又要滿足鉆井下套管工藝技術(shù)要求，具有十分重要的意義。

2 工程概況

中平能化集團(tuán)某礦己三采區(qū)是主力生產(chǎn)采區(qū)，主要開(kāi)采標(biāo)高－600～－850 m。采掘工作面的氣溫在夏季一般為33～35℃，個(gè)別高達(dá)36℃，熱害不但威脅煤礦職工身體健康，也嚴(yán)重影響礦井安全和正常生產(chǎn)。因此，為改善礦工在井下采掘工作面的生產(chǎn)條件，中平能化集團(tuán)某礦決定實(shí)施煤礦井下降溫工程。我隊(duì)承擔(dān)了降溫工程中的輸冰井鉆井施工任務(wù)。

根據(jù)降溫公司設(shè)計(jì)的《制冷降溫工程設(shè)計(jì)方案》，制冷冰降溫工程主要由制冷制冰系統(tǒng)、輸冷輸冰系統(tǒng)、融冰系統(tǒng)、輸冷散冷系統(tǒng)組成。其中輸冷輸冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工一口井深為600 m、井徑為650 mm的輸冰井，在井內(nèi)下入 500 mm×10 mm/ 426 mm ×10 mm雙層保溫套管，井上下的輸冰管路通過(guò)保溫管道連接。該井主要用于地面制冰站向地下采區(qū)內(nèi)輸送片冰，在井下建設(shè)融冰站，通過(guò)冰的溶解把水冷卻到2～3℃，然后把冰冷水送到各采掘工作面，對(duì)井下的采掘工作面實(shí)施噴灑降溫，達(dá)到降溫和除塵的雙重目的。

3 保溫套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 保溫套管原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

降溫公司在《制冷降溫工程設(shè)計(jì)方案》中設(shè)計(jì)的大口徑輸冰井保溫套管的結(jié)構(gòu)是外管為 500 mm×10 mm無(wú)縫鋼管，內(nèi)管為 426 mm×10 mm無(wú)縫鋼管，中間填充聚氨酯保溫材料的鋼套鋼結(jié)構(gòu)的雙層保溫套管。

3.2 保溫套管原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題

(1）選用的無(wú)縫鋼管管壁太薄(δ=10 mm），經(jīng)校核計(jì)算，其強(qiáng)度滿足不了井下下套管和固井要求;

(2）中間環(huán)空間隙中充填聚氨脂保溫材料(密度約60 kg/m3、壓縮強(qiáng)度約為0.3 MPa），環(huán)空厚度為27 mm，抗壓強(qiáng)度非常低;

(3）雙層套管質(zhì)量大，600 m套管約重140 t(不含聚氨酯保溫材料），造價(jià)高，經(jīng)濟(jì)技術(shù)性不合理;

(4）雙層套管中間充填的是聚氨酯保溫材料，雙層套管在井內(nèi)承受雙向鉆井液(含固井水泥漿）液柱的壓力，極易導(dǎo)致內(nèi)外層套管變形，造成整個(gè)工程報(bào)廢;

(5）套管接口焊縫多，套管焊接接口結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接頭現(xiàn)場(chǎng)充填保溫材料，接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，下套管作業(yè)施工難度大，周期長(zhǎng)。

據(jù)了解，該結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于城鎮(zhèn)直埋供熱管道設(shè)計(jì)，在個(gè)別礦山利用井筒實(shí)施井下輸冰降溫工程中得到了初步應(yīng)用，用于鉆井法下入保溫套管成井尚無(wú)先例，整體強(qiáng)度無(wú)法滿足下套管和固井要求。

3.3 新型保溫套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于設(shè)計(jì)部門提交的鋼套鋼聚氨酯雙層保溫套管的結(jié)構(gòu)形式，抗壓強(qiáng)度低，只能用于城市直埋供熱管道和煤礦立井中向下敷設(shè)，無(wú)法采用浮力塞下套管方法和水泥固井方法，滿足不了本工程的施工要求。因此必須對(duì)原保溫套管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使其既能簡(jiǎn)化套管結(jié)構(gòu)，起到保溫效果，又能滿足安全下入套管和水泥固井要求。

經(jīng)過(guò)認(rèn)真的調(diào)研，在多種方案對(duì)比分析研究基礎(chǔ)上，最終設(shè)計(jì)出鋼基GFRP雙層復(fù)合保溫套管，即以無(wú)縫鋼管為基體，在無(wú)縫鋼管外復(fù)合一層一定厚度GFRP管，使GFRP與無(wú)縫鋼管緊密的粘合在一起，形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)雙層材質(zhì)的保溫套管。

經(jīng)過(guò)降溫公司和中平能化集團(tuán)組織專家進(jìn)行技術(shù)論證，一致認(rèn)為該結(jié)構(gòu)保溫套管與原設(shè)計(jì)相比具有結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、施工技術(shù)更加可靠、造價(jià)更為低廉、保溫性能滿足設(shè)計(jì)要求等諸多優(yōu)點(diǎn)，最終同意并予以采納。

本工程采用的鋼基GFRP雙層復(fù)合保溫套管的規(guī)格是在 426 mm×14 mm無(wú)縫鋼管外復(fù)合一層厚度為10 mm的GFRP管，經(jīng)過(guò)對(duì)無(wú)縫鋼管套管強(qiáng)度計(jì)算，其強(qiáng)度滿足工程設(shè)計(jì)要求。復(fù)合保溫套管與單體無(wú)縫鋼管相比，整體抗擠毀強(qiáng)度得到了大幅提高。

3.4 鋼基GFRP雙層復(fù)合保溫套管的優(yōu)點(diǎn)

(1）GFRP材料具有優(yōu)良的保溫性能和抗拉、抗壓強(qiáng)度。采用纖維纏繞工藝制造的GFRP管與無(wú)縫鋼管的復(fù)合，與原設(shè)計(jì)鋼套鋼雙層套管結(jié)構(gòu)相比，整體強(qiáng)度得到大幅提高，能夠滿足下套管和固井要求;

(2）發(fā)生腐蝕，GFRP管依然能確保使用;

(3）GFRP材料密度不足鋼的1/4，與其它材料的雙層套管相比，可大幅降低套管串的質(zhì)量、工程造價(jià)和下套管作業(yè)難度;

(4）GFRP材料的導(dǎo)熱系數(shù)小，不足鋼的1%，其保溫性能良好，完全能夠滿足煤礦井下降溫工程需要;

(5）復(fù)合保溫套管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，下套管作業(yè)效率高，套管兩端預(yù)留一定長(zhǎng)度接頭，在完成接頭斷面焊接后，接頭預(yù)留部分的保溫工作可以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

3.5 GFRP管與鋼管的性能對(duì)比(表1）

表1 GFRP管與普通鋼管性能對(duì)比

3.6 鋼基GFRP雙層復(fù)合保溫套管的制造工藝

GFRP復(fù)合套管是以除過(guò)銹的 426 mm×14 mm無(wú)縫鋼管為基體，按照設(shè)計(jì)要求，采用成熟的GFRP管制造工藝，利用模具在無(wú)縫鋼管外壁以高強(qiáng)度的連續(xù)無(wú)堿無(wú)捻玻璃纖維粗紗浸漬環(huán)氧樹(shù)脂交叉纏繞制作而成，GFRP具有優(yōu)異的物理機(jī)械性能，在高溫條件下仍具有優(yōu)良的性能保持率，同時(shí)具有優(yōu)異的操作性能和加工性能。設(shè)計(jì)GFRP管的纏繞厚度為10 mm，復(fù)合套管的GFRP層與鋼管外壁緊密粘結(jié)在一起，形成一個(gè)有機(jī)整體。GFRP復(fù)合后整體套管的抗壓強(qiáng)度在無(wú)縫鋼管的基礎(chǔ)上又有了大幅度的提高。圖1為 426 mm×14 mm鋼基GFRP雙層復(fù)合保溫套管示意圖。

圖1 426 mm×14 mm鋼基GFRP雙層復(fù)合保溫套管

4 下套管工藝

4.1 保溫井基本數(shù)據(jù)

設(shè)計(jì)井深600 m，一開(kāi)孔徑1080 mm，下入 820 mm×12 mm螺旋鋼管150 m，二孔孔徑650 mm，下入 446 mm×12 mm鋼基GFRP雙層復(fù)合保溫套管600 m，全井水泥固井完井。

4.2 鉆井設(shè)備

鉆機(jī)為GZ2600型，鉆塔為JJ110/28－A型(配2.3 m平臺(tái)），鉆機(jī)、鉆塔、天車和大鉤的承載能力最大為1100 kN。

4.3 下套管方法

(1）表層套管總質(zhì)量為35.87 t，可以采用直接提吊法下入。

(2）鋼基GFRP雙層復(fù)合保溫套管總質(zhì)量101.79 t，鉆井液的密度按1.20 g/cm3計(jì)算，保溫套管懸重788.8 kN;工作套管的最大懸重雖然沒(méi)有超出鉆機(jī)和鉆塔的最大承載能力，但已接近設(shè)備的最大負(fù)荷。為保證套管安全下入防止意外發(fā)生，鉆機(jī)提升能力必須預(yù)留一定能力儲(chǔ)備。為此，保溫套管采用“提吊+浮力塞”下管方法，利用浮力降低載荷，確保下套管作業(yè)時(shí)鉆機(jī)鉤載在安全合理范圍內(nèi)。

4.4 套管連接

套管之間的連接采用打坡口對(duì)焊連接的方法。下套管前，按設(shè)計(jì)在套管一端切割出穿杠孔，下套管時(shí)插入穿杠，用鋼繩連接游車大鉤起吊套管。套管對(duì)接時(shí)，使用自制井口套管對(duì)接扶正器進(jìn)行找正，保證兩根連接套管管口合縫、同心;點(diǎn)焊牢固后，按要求完成套管接頭的焊接。套管管口焊接完畢，應(yīng)在焊縫外均勻加焊一定數(shù)量的加強(qiáng)筋板。套管對(duì)接完成后，開(kāi)車上提套管，抽出下部的穿杠，將從套管上切下的圓板補(bǔ)焊到套管穿杠孔處，圓板焊牢后，再在圓板外補(bǔ)焊加強(qiáng)筋。依照上述步驟根據(jù)套管的入井編號(hào)依次下入井內(nèi)。需要注意的是，套管接頭焊接完成后，應(yīng)保證一定的自然降溫時(shí)間，待焊縫溫度降到合理值方可將其下入井內(nèi)。內(nèi)管焊接完成后，還須進(jìn)行套管接頭保溫，接頭保溫完成后，保溫套管方可下入井內(nèi)。

4.5 保溫套管接頭的保溫方法

保溫套管內(nèi)管接頭焊接工作完成后，套管接頭處裸露的部分須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保溫處理。方法一是使用經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂浸漬的玻璃絲布(厚度0.7 mm）對(duì)套管的裸露部分進(jìn)行纏繞，直至接頭部位的纏繞厚度達(dá)到玻璃鋼管的厚度并直到完全硬化后方能下入井內(nèi)。為減少固化時(shí)間，提高下套管作業(yè)的效率，環(huán)氧樹(shù)脂中可以添加一定比例的固化劑。固化劑的加量應(yīng)綜合考慮氣溫、作業(yè)速度等因素的影響。中平能化集團(tuán)輸冰保溫井項(xiàng)目采用了此種接頭保溫辦法。在淮南煤業(yè)集團(tuán)顧橋礦和潘三礦的4口保溫井項(xiàng)目中，為提高接頭保溫速度，我們采用的另一種方法是在無(wú)縫鋼管焊接后，在裸露的鋼管部分刷上環(huán)氧樹(shù)脂，利用事前預(yù)制好的GFRP半合管扣上，上下用鋼帶緊固后，在外面纏繞經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂浸漬的玻璃絲布的方法。該方法下套管施工速度快、外觀質(zhì)量好，保溫效果滿足工程要求。

5 結(jié)語(yǔ)

中平能化集團(tuán)某礦大口徑保溫井項(xiàng)目的順利完井，其井身質(zhì)量、固井質(zhì)量、保溫效果等技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，項(xiàng)目順利通過(guò)竣工驗(yàn)收并投入運(yùn)營(yíng)，井下高溫作業(yè)的環(huán)境得到明顯改善。在安徽淮南礦業(yè)集團(tuán)顧橋礦和潘三礦開(kāi)展的冷媒輸送工程中又獲得成功應(yīng)用，施工的4口保溫井順利通過(guò)驗(yàn)收，保溫效果滿足降溫工程要求。鋼基GFRP雙層復(fù)合保溫套管的研制和成功應(yīng)用，對(duì)全國(guó)礦山企業(yè)高地溫礦井實(shí)施井下輸冰降溫、輸送須保溫介質(zhì)等施工領(lǐng)域具有重大的借鑒意義和推廣價(jià)值。

［1］緱延民，耿建國(guó)，等.煤礦大口徑輸冰井施工技術(shù)研究報(bào)告［R］.河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)，2011.

［2］趙金洲，張桂林.鉆井工程技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)石化出版社，2011.

［3］袁志堅(jiān)，白領(lǐng)國(guó).大口徑瓦斯抽放井鉆探施工［J］.西部探礦工程，2007，19(10）:80－82.

［4］袁志堅(jiān)，提吊加浮力塞下管法在大口徑瓦斯抽排孔的應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程），2008，35(1）:27－29.

［5］金涌.煤礦大口徑瓦斯抽排孔施工技術(shù)［J］.中國(guó)煤炭地質(zhì)，2009，21(11）:68－69.

Structure Design of Insulation Case for Large Diameter Insulating Well in Coalmine and the Casing Technology

GOU Yan-min(The 4th Team，Coalfield Geology Bureau of Henan Province，Pingdingshan Henan 467000，China）

Based on the engineering practice，a steel matrix GFRP double-layer composite insulating case for underground cooling engineering in high temperature coalmine was developed.The study was made on the casing technology and the insulating method of insulation case joint，which are very important for underground cooling engineering with drilling in coalmine.

coalmine;large diameter insulating well;insulation case design;casing technology

P634

:A

:1672－7428(2012）10－0063－03

2012－07－16;

2012－09－20

緱延民(1967－），男(漢族），山東齊河人，河南省煤田地質(zhì)局四隊(duì)黨委書記、副隊(duì)長(zhǎng)、高級(jí)工程師，機(jī)電工程專業(yè)，從事煤田地質(zhì)勘探、地質(zhì)鉆具加工、石油和煤層氣鉆井、大口徑特鑿鉆井技術(shù)與管理工作，河南省平頂山市礦工中路185號(hào)，gym2819@163.com。