冻结凿井的节能方案探讨410

冻结凿井的节能方案探讨410引言近年来我国对煤炭的需求量以及煤炭产量在日益增长。但是经过数十年长期大规模地开发之后,开采条件较为优越的浅部煤层己经充分开发。尤其是对于我国的华东、华北地区,这种现象尤为突出。因而目前新建矿井或即将投入建设的矿井将不可避免地座落在深厚不稳定表土地层上。但是这些矿井大多数都要穿过至的深厚表土层,甚至有达到上千米的深度。在这种复杂的地质条件下建设立井井筒,对冻结法施工的要求也更为严格。冻结法凿井技术属于高耗能技术,冻结过程中要耗费大量的电能及水资源。调查发现,如果在设计、运行中采取有效的措施,平均可节电20%以上。开展节能降耗工作,一定要系统分析找出各种损耗源,再制定相应的措施加以控制。某些传统的设计方法、设计模型及设计参数不符合现场实际,是造成冻结站耗电严重的原因之一。因此,节能设计和节能运行是冻结站主要的节能方向之一。1冻结凿井技术的研究进展1.1国外冻结凿井技术研究进展简况冻结法是国内外最为常用的煤矿井筒通过深厚冲积层的施工方法。国外采用冻结法凿井较多的国家有德国、英国、波兰、加拿大、比利时和前苏联等,井筒冻结深度最大超过900m,冻结井筒穿过的冲积层厚度最大接近600m。如1978年开工的前苏联雅可夫列夫铁矿二号罐笼井,井筒穿过的冲积层厚度达571·2m,冻结深度达620m;1979年开工的德国维尔德风井,冲积层厚567m,冻结深度582m;波兰的鲁布林煤矿一号井,冻结深度达到了725m,冲积层厚度较薄,为162m。国外深厚冲积层冻结凿井时,经常发生井壁破裂、冻结管断裂等工程事故。如雅可夫列夫铁矿二号罐笼井断管15根,维尔德风井断管6次,严重影响了施工安全和工程质量;并且由于处理事故,施工工期延长,工程成本大幅增加。因此,实现深厚冲积层冻结井筒安全、优质、快速施工一直是地层冻结工程界所面临的重大技术难题。近20年来,一些经济发达国家由于能源结构的变化,已很少有大型冻结井筒开工了,冻结凿井技术发展基本上处于停滞状态。1·2国内冻结凿井技术研究进展简况据初步统计,到目前为止,我国已建成700余个竖井冻结工程,累计冻结竖井长度约14万延米。1995年前,我国矿井井筒穿过的最大冲积层厚度和冻结深度分别为375m和435m(陈四楼矿副井)。冻结井筒通过300m厚左右的冲积层时,经常发生冻结管断裂和外层井壁破坏等严重的安全、质量问题。因此,深厚冲积层冻结凿井技术一直是我国建井行业的重要研究课题。进入本世纪后,随着煤炭市场的发展,对矿井建设的投入大幅增加,新井建设规模达到了历史最高点。尤其是冻结井筒穿过的冲积层厚度增加了约56%,使得我国的井筒冻结施工技术有了长足发展,主要表现在以下几个方面:(1)在许多冲积层厚度超过400m的井筒冻结工程中,采用冻结壁厚度与冲积层厚度基本成正比的经验方法计算冻结壁厚度,实践证明是可行的。采用多圈孔冻结方式,满足了形成大厚度、高承载力冻结壁的需要,从而大大拓展了冻结法在深厚冲积层井筒施工中的应用范围。双圈孔冻结的设计思路最早于1996年应用于张集矿、金桥矿等冻结工程。2003年,龙固矿副井冻结工程施工中采用3圈冻结孔方案。刚建成的郭屯矿主井井筒穿过的冲积层厚度达587m,冻结深度702m,采用4圈孔冻结,形成的冻结壁厚度达到了11m。(2)采用合理的钻具组合和测斜纠斜方法,并采用水1000、水2000等大型钻机施工冻结孔。冻结孔施工深度达到702m,冻结孔偏斜率控制在0·2%以内,为保证冻结壁的形成质量奠定了基础。如1996年施工的张集矿主、副井冻结工程,冲积层厚度为326m,冻结孔向井心的最大偏斜率为0·18%;郭屯矿主、副、风井冻结工程,冲积层厚度超过580m,冻结孔最大偏斜率控制在0·17%以内。并且一些井筒的钻机成孔速度平均超过了3000m/(台·月),冻结孔施工效率提高和工期缩短显著。(3)1995年,在张集矿主、副井冻结工程施工中提出快速强化冻结技术,对深厚冲积层多圈孔冻结壁温度场进行了深入研究。近几年来,对于多圈孔冻结井筒,冻结设计中普遍应用有限元数值模拟方法建立冻结壁温度分布计算模型,并利用大量工程实测数据进行验证,进一步提高了冻结壁温度场计算水平。冻结过程中冻结壁形成的预测精度与及时性可较好地满足施工需要,从而为解决深厚冲积层井筒冻结壁形成的设计问题和保证冻结施工质量奠定了基础。(4)普遍采用内衬管对焊接头低碳钢柔性冻结管。与过去采用的外管箍接头和螺纹接头冻结管相比,接头比管材强度提高约20%,冻结管整体变形能力提高1~2倍,对防止冻结管断裂起到了事半功倍的作用,同时大大降低了冻结管成本。该项技术最早于1990年应用于山东邱集煤矿主、副井冻结工程,现在的深井冻结工程几乎都采用这种冻结管。(5)在众多深厚冲积层冻结井施工中,对冻结壁温度分布、冻结压力、冻结壁变形等进行了实测研究,获得了深厚冲积层冻结井施工的大量第一手资料,对今后深厚冲积层冻结凿井技术的研究、设计和施工具有重要的参考价值。通过对上述技术的开发应用,我国在短期内建成了一大批深厚冲积层冻结井筒,部分深井冻结工程见表2。其中,郭屯煤矿主井穿过的冲积层厚度和冻结深度分别达到了587m和702m,标志着我国深厚冲积层冻结凿井技术总体上已处于领先水平。1冻结凿井技术在开凿井筒前，将井筒周围含水层用人工制冷方法，冻结成封闭的圆筒形冻结壁，以抵抗地压并隔绝地下水与井筒的联系，用以抵抗地压或隔绝地下工程与地下水的联系，保障地下工程安全、顺利施工的一种特殊施工技术。冻结法的实质是采用人工制冷的方法，将不稳定的地层暂时变为稳定的地层，以利于地下工程的施工。在冻结壁的保护下进行掘砌作业的施工方法。1862年英国首先将人工制冷方法用于基础工程。1883年德国最早用人工冻结法开凿立井。目前，英国冻结深度已达930m。1955年，中国首次在开滦林西煤矿开凿风井中应用，至1982年已开凿190多个井筒,累计冻结深度超过30000m，最大冻结深度415m。施工顺序是在井筒周围钻若干冻结孔，孔内安装由供液管、回液管和底端封闭的冻结管组成的冻结器；地面冷冻站将制出的低温媒剂（一般为-20～-30℃的盐水-氯化钙溶液）循环输送到冻结器内,吸收地层的热量，使含水层形成以冻结管为中心的冻结圆柱，逐渐扩大与相邻的冻结圆柱连成封闭的冻结壁（见图）。冻结壁达设计厚度后，即可进行井筒掘砌作业，直到顺利穿过不稳定地层为止。从冻结开始到冻结壁达到设计厚度的时间，称积极冻结期。掘砌时期须部分供冷，维护冻结壁，称维护冻结期或消极冻结期。掘砌工作完成后，拆除冷冻站，拔出冻结管，充填冻结孔，冻结壁自然解冻，恢复地层初始状态。冻结法是特殊凿井的主要方法之一，虽然需用设备较多，工期长，工作条件较差，成本较高，但安全可靠，施工技术较成熟。也可用于其他地下工程。1.1冻结法实质和适用条件。冻结法是在各种不稳定的松散含水层或含水丰富的岩层中，采用人工制冷的方法，将地下工程周围地层中的水冻结成冻，并与地层一起构成一道具有足够强度和稳定性的冻结壁，用以抵抗地压或隔绝地下工程与地下水的联系，保障地下工程安全、顺利施工的一种特殊施工方法。冻结法的实质是采用人工制冷的方法，将不稳定的地层暂变为稳定的地层，以利于地下工程的施工。冻结法被应用在各种不稳定的松散含水层（如流砂层），以及含水丰富的裂隙岩层（或破碎带）的地下施工中，但是当地下水含盐量较高或速较大（流速u＞17×10-3m/s）时不宜采用。1.2冻结法凿井冻结法凿井分为钻冻结孔、形成冻结壁和井筒掘砌三大工序。冷冻施工流程图如图1-1所示。图1-1冷冻施工流程图首先在末开凿的井筒周围打一定数量的冻结孔，其深度穿过不稳定岩层进入稳定岩层，在孔内安装冻结管。冻结管包括下端封闭的冻结管和在冻结管内装设的下口不封闭的供液管。成冻结壁是冻结法凿井的中心环节，是岩层冻结的结果，人工制冷是通过冻结站的氨循环系统、盐水循不系统和冷却水循环系统来实现的。通常使用氨作为制冷剂。利用氨由液态变为汽态吸热的原理达到制冷。液态氨吸收蒸发器周围盐水的热量，变为饱和的汽态氨。经压压缩机压缩变为过热蒸汽氨。进入冷凝器中与冷却水进行热交换，又变为液态氨，经调节阀降压后成为低压、低温的液态氨，回到蒸发器中得新汽化，构成氨的特循环系统。冷却水一般由水泵抽放到时地面储水池，然后送到冷凝器中吸收过热蒸气氨的热量，使其变为液态氨，吸热后的水一部分冷却后后循环使用，另一部分被排走。被氨吸热降温后的低温（-25～35℃）盐水，从盐水箱通过去路干管到井口液圈，进入供液管后从从冻结管底部缓缓上升，回到集液圈，经回味路干管又返回盐水箱，构成盐水循不系统。低温盐水在冻结管内缓缓上升的过程，吸收冻结管周围岩土的热量，使含水岩土逐渐形成冻结圆柱，并不断向外扩展，彼此连接扣形成具有一定厚度各强度的冻结壁。当冻结壁达到设计厚度和强度时，井筒就可以进行掘砌施工。由于冻结壁起到超前支护的作用，井筒掘砌大多采用短段施工的方法，不需要临时支护。冻结法凿井有适用各种复杂地质和水文地质条件的优点。2工程设计中的节能开展节能降耗工作,一定要系统分析找出各种损耗源,再制定相应的措施加以控制。某些传统的设计方法、设计模型及设计参数不符合现场实际,是造成冻结站耗电严重的原因之一。因此,节能设计和节能运行是冻结站主要的节能方向之一2.1制冷系统设计中的节能1、空气压缩机选型冻结凿井中的冷冻站属于负荷有变化的制冷系统,应根据负荷变化的特点,选用多台压缩机且最好具备调节装置,以保证压缩机在效率高的全负荷或全负荷区域工作,从而使压缩机的效率尽可能提高。在进行压缩机的容量与负荷选配时,切忌选用过大的压缩机,造成“大马拉小车”,从而导致压缩机在低负荷下工作。同时还要了解以下几个问题:(1)空气压缩机的容量越大,效率越高;(2)空气压缩机的级数越多,效率越高;(3)空气压缩机越是接近满负荷运转效率越高。2、使用蒸发式冷凝器及采用自动控制技术在氨制冷系统设计中,使用蒸发式冷凝器不仅可以节省初投资,减少冷凝系统中安装单个元件的费用,且无需循环水池,同时还可节省空间,更重要的是降低了系统运行费用,其结果可使压缩机功率节省10%;选用蒸发式冷凝器可以达到节能的效果。在制冷装置上采用自动控制技术,主要有两方面作用:一方面保护机器设备的正常运行;另一方面保护操作人员的安全,合理自动调节机器设备。据有关资料统计,自动控制比手动控制可节能10%--15%左右,节电效果明显。3、降低管道总冷量损失地表部分的低温管路和设备通常暴露在室外,且盐水的温度与外界的温差一般在30--40℃,冷量损耗较大。一般情况下,低温系统的总冷量损失约占总负荷的10%--25%,为了降低总冷量损失,设计中可采取如下措施:(1)降低低温管路和设备的传热系数,选用高性能的保温材料、确定合理的保温层厚度,对低温管路和设备进行保温处理。(2)降低低温管路和设备的传热面积,关键是减小盐水循环管路与处于大气环境温度的接触面积,因此在设计盐水循环管路的长度和管径时,要充分注意尽可能降低冷量损失。2.2供电系统设计中的节能1、准确计算用电负荷,确定合理配电容量,降低变压器损耗在供电系统设计过程中,要准确地计算用电负荷对于冻结工程有一定的难度,因为在冻结施工中有一些参数(例如需用系数)相差很大,没有统一的标准,这就要求设计者多积累并调研相关的资料,尽量准确地反映出工程的真实负荷,并根据计算负荷选择合适容量的变压器,降低变压器的损耗。在选用变压器时,尽量选用低损耗、节能型、使用铁芯且绕组匝数相对较多的铜芯线做成的变压器,这种变压器的结构和尺寸虽然不变,但是有效地降低磁阻,减少铜损耗,增加短路电抗,可达到节能的目的。2、根据配电容量,确定变压器的经济负荷当用电负荷确定下来以后,接下来要确定配电容量,即确定配电变压器的经济负荷,在确定配电变压器的经济负荷时有两个原则:(1)效率最高原则;(2)年电能损耗最低(年运行费用最低)原则。按照变压器的功率(包括有功功率和无功功率)损耗最小,即效率最高原则,并考虑变压器初投资来确定变压器的容量,这种方式虽然很难保证在冻结施工中