凍結鑿井的節(jié)能方案探討410

1、凍結鑿井的節(jié)能方案探討 410引言近年來我國對煤炭的需求量以及煤炭產(chǎn)量在日益增長。但是經(jīng)過數(shù)十年長期大規(guī)模地開發(fā)之后,開采條件較為優(yōu)越的淺部煤層己經(jīng)充分開發(fā)。尤其是對于我國的華東、華北地區(qū),這種現(xiàn)象尤為突出。因而目前新建礦井或即將投入建設的礦井將不可避免地座落在深厚不穩(wěn)定表土地層上。但是這些礦井大多數(shù)都要穿過至的深厚表土層,甚至有達到上千米的深度。在這種復雜的地質條件下建設立井井筒,對凍結法施工的要求也更為嚴格。凍結法鑿井技術屬于高耗能技術,凍結過程中要耗費大量的電能及水資源。調(diào)查發(fā)現(xiàn),如果在設計、運行中采取有效的措施,平均可節(jié)電20%以上。開展節(jié)能降耗工作,一定要系統(tǒng)分析找出各種損耗源,再制

2、定相應的措施加以控制。某些傳統(tǒng)的設計方法、設計模型及設計參數(shù)不符合現(xiàn)場實際,是造成凍結站耗電嚴重的原因之一。因此,節(jié)能設計和節(jié)能運行是凍結站主要的節(jié)能方向之一。1 凍結鑿井技術的研究進展1.1國外凍結鑿井技術研究進展簡況凍結法是國內(nèi)外最為常用的煤礦井筒通過深厚沖積層的施工方法。國外采用凍結法鑿井較多的國家有德國、英國、波蘭、加拿大、比利時和前蘇聯(lián)等,井筒凍結深度最大超過900m,凍結井筒穿過的沖積層厚度最大接近600m。如1978年開工的前蘇聯(lián)雅可夫列夫鐵礦二號罐籠井,井筒穿過的沖積層厚度達571·2m,凍結深度達620m;1979年開工的德國維爾德風井,沖積層厚567m,凍結深度5

3、82m;波蘭的魯布林煤礦一號井,凍結深度達到了725m,沖積層厚度較薄,為162m。國外深厚沖積層凍結鑿井時,經(jīng)常發(fā)生井壁破裂、凍結管斷裂等工程事故。如雅可夫列夫鐵礦二號罐籠井斷管15根,維爾德風井斷管6次,嚴重影響了施工安全和工程質量;并且由于處理事故,施工工期延長,工程成本大幅增加。因此,實現(xiàn)深厚沖積層凍結井筒安全、優(yōu)質、快速施工一直是地層凍結工程界所面臨的重大技術難題。近20年來,一些經(jīng)濟發(fā)達國家由于能源結構的變化,已很少有大型凍結井筒開工了,凍結鑿井技術發(fā)展基本上處于停滯狀態(tài)。1·2國內(nèi)凍結鑿井技術研究進展簡況據(jù)初步統(tǒng)計,到目前為止,我國已建成700余個豎井凍結工程,累計凍結

4、豎井長度約14萬延米。1995年前,我國礦井井筒穿過的最大沖積層厚度和凍結深度分別為375m和435m(陳四樓礦副井)。凍結井筒通過300m厚左右的沖積層時,經(jīng)常發(fā)生凍結管斷裂和外層井壁破壞等嚴重的安全、質量問題。因此,深厚沖積層凍結鑿井技術一直是我國建井行業(yè)的重要研究課題。進入本世紀后,隨著煤炭市場的發(fā)展,對礦井建設的投入大幅增加,新井建設規(guī)模達到了歷史最高點。尤其是凍結井筒穿過的沖積層厚度增加了約56%,使得我國的井筒凍結施工技術有了長足發(fā)展,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)在許多沖積層厚度超過400m的井筒凍結工程中,采用凍結壁厚度與沖積層厚度基本成正比的經(jīng)驗方法計算凍結壁厚度,實踐證明是

5、可行的。采用多圈孔凍結方式,滿足了形成大厚度、高承載力凍結壁的需要,從而大大拓展了凍結法在深厚沖積層井筒施工中的應用范圍。雙圈孔凍結的設計思路最早于1996年應用于張集礦、金橋礦等凍結工程。2003年,龍固礦副井凍結工程施工中采用3圈凍結孔方案。剛建成的郭屯礦主井井筒穿過的沖積層厚度達587m,凍結深度702m,采用4圈孔凍結,形成的凍結壁厚度達到了11m。(2)采用合理的鉆具組合和測斜糾斜方法,并采用水1000、水2000等大型鉆機施工凍結孔。凍結孔施工深度達到702m,凍結孔偏斜率控制在0·2%以內(nèi),為保證凍結壁的形成質量奠定了基礎。如1996年施工的張集礦主、副井凍結工程,沖積

6、層厚度為326m,凍結孔向井心的最大偏斜率為0·18%;郭屯礦主、副、風井凍結工程,沖積層厚度超過580m,凍結孔最大偏斜率控制在0·17%以內(nèi)。并且一些井筒的鉆機成孔速度平均超過了3 000m/(臺·月),凍結孔施工效率提高和工期縮短顯著。(3)1995年,在張集礦主、副井凍結工程施工中提出快速強化凍結技術,對深厚沖積層多圈孔凍結壁溫度場進行了深入研究。近幾年來,對于多圈孔凍結井筒,凍結設計中普遍應用有限元數(shù)值模擬方法建立凍結壁溫度分布計算模型,并利用大量工程實測數(shù)據(jù)進行驗證,進一步提高了凍結壁溫度場計算水平。凍結過程中凍結壁形成的預測精度與及時性可較好地滿足施

7、工需要,從而為解決深厚沖積層井筒凍結壁形成的設計問題和保證凍結施工質量奠定了基礎。(4)普遍采用內(nèi)襯管對焊接頭低碳鋼柔性凍結管。與過去采用的外管箍接頭和螺紋接頭凍結管相比,接頭比管材強度提高約20%,凍結管整體變形能力提高12倍,對防止凍結管斷裂起到了事半功倍的作用,同時大大降低了凍結管成本。該項技術最早于1990年應用于山東邱集煤礦主、副井凍結工程,現(xiàn)在的深井凍結工程幾乎都采用這種凍結管。 (5)在眾多深厚沖積層凍結井施工中,對凍結壁溫度分布、凍結壓力、凍結壁變形等進行了實測研究,獲得了深厚沖積層凍結井施工的大量第一手資料,對今后深厚沖積層凍結鑿井技術的研究、設計和施工具有重要的參考價值。通

8、過對上述技術的開發(fā)應用,我國在短期內(nèi)建成了一大批深厚沖積層凍結井筒,部分深井凍結工程見表2。其中,郭屯煤礦主井穿過的沖積層厚度和凍結深度分別達到了587m和702m,標志著我國深厚沖積層凍結鑿井技術總體上已處于領先水平。1凍結鑿井技術在開鑿井筒前，將井筒周圍含水層用人工制冷方法，凍結成封閉的圓筒形凍結壁，以抵抗地壓并隔絕地下水與井筒的聯(lián)系，用以抵抗地壓或隔絕地下工程與地下水的聯(lián)系，保障地下工程安全、順利施工的一種特殊施工技術。凍結法的實質是采用人工制冷的方法，將不穩(wěn)定的地層暫時變?yōu)榉€(wěn)定的地層，以利于地下工程的施工。在凍結壁的保護下進行掘砌作業(yè)的施工方法。1862年英國首先將人工制冷方法用于基礎

9、工程。1883年德國最早用人工凍結法開鑿立井。目前，英國凍結深度已達930m。1955年，中國首次在開灤林西煤礦開鑿風井中應用，至1982年已開鑿190多個井筒,累計凍結深度超過30000m，最大凍結深度415m。施工順序是在井筒周圍鉆若干凍結孔，孔內(nèi)安裝由供液管、回液管和底端封閉的凍結管組成的凍結器；地面冷凍站將制出的低溫媒劑（一般為-20-30的鹽水-氯化鈣溶液）循環(huán)輸送到凍結器內(nèi),吸收地層的熱量，使含水層形成以凍結管為中心的凍結圓柱，逐漸擴大與相鄰的凍結圓柱連成封閉的凍結壁（見圖）。凍結壁達設計厚度后，即可進行井筒掘砌作業(yè)，直到順利穿過不穩(wěn)定地層為止。從凍結開始到凍結壁達到設計厚度的時間

10、，稱積極凍結期。掘砌時期須部分供冷，維護凍結壁，稱維護凍結期或消極凍結期。掘砌工作完成后，拆除冷凍站，拔出凍結管，充填凍結孔，凍結壁自然解凍，恢復地層初始狀態(tài)。凍結法是特殊鑿井的主要方法之一，雖然需用設備較多，工期長，工作條件較差，成本較高，但安全可靠，施工技術較成熟。也可用于其他地下工程。1.1 凍結法實質和適用條件。凍結法是在各種不穩(wěn)定的松散含水層或含水豐富的巖層中，采用人工制冷的方法，將地下工程周圍地層中的水凍結成凍，并與地層一起構成一道具有足夠強度和穩(wěn)定性的凍結壁，用以抵抗地壓或隔絕地下工程與地下水的聯(lián)系，保障地下工程安全、順利施工的一種特殊施工方法。凍結法的實質是采用人工制冷的方法，

11、將不穩(wěn)定的地層暫變?yōu)榉€(wěn)定的地層，以利于地下工程的施工。 凍結法被應用在各種不穩(wěn)定的松散含水層（如流砂層），以及含水豐富的裂隙巖層（或破碎帶）的地下施工中，但是當?shù)叵滤}量較高或速較大（流速u17×10-3m/s）時不宜采用。1.2凍結法鑿井凍結法鑿井分為鉆凍結孔、形成凍結壁和井筒掘砌三大工序。冷凍施工流程圖如圖1-1所示。圖1-1冷凍施工流程圖首先在末開鑿的井筒周圍打一定數(shù)量的凍結孔，其深度穿過不穩(wěn)定巖層進入穩(wěn)定巖層，在孔內(nèi)安裝凍結管。凍結管包括下端封閉的凍結管和在凍結管內(nèi)裝設的下口不封閉的供液管。 成凍結壁是凍結法鑿井的中心環(huán)節(jié)，是巖層凍結的結果，人工制冷是通過凍結站的氨循環(huán)系統(tǒng)

12、、鹽水循不系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)來實現(xiàn)的。 通常使用氨作為制冷劑。利用氨由液態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)吸熱的原理達到制冷。液態(tài)氨吸收蒸發(fā)器周圍鹽水的熱量，變?yōu)轱柡偷钠麘B(tài)氨。經(jīng)壓壓縮機壓縮變?yōu)檫^熱蒸汽氨。進入冷凝器中與冷卻水進行熱交換，又變?yōu)橐簯B(tài)氨，經(jīng)調(diào)節(jié)閥降壓后成為低壓、低溫的液態(tài)氨，回到蒸發(fā)器中得新汽化，構成氨的特循環(huán)系統(tǒng)。冷卻水一般由水泵抽放到時地面儲水池，然后送到冷凝器中吸收過熱蒸氣氨的熱量，使其變?yōu)橐簯B(tài)氨，吸熱后的水一部分冷卻后后循環(huán)使用，另一部分被排走。被氨吸熱降溫后的低溫（-2535）鹽水，從鹽水箱通過去路干管到井口液圈，進入供液管后從從凍結管底部緩緩上升，回到集液圈，經(jīng)回味路干管又返回鹽水箱，構成

13、鹽水循不系統(tǒng)。 低溫鹽水在凍結管內(nèi)緩緩上升的過程，吸收凍結管周圍巖土的熱量，使含水巖土逐漸形成凍結圓柱，并不斷向外擴展，彼此連接扣形成具有一定厚度各強度的凍結壁。當凍結壁達到設計厚度和強度時，井筒就可以進行掘砌施工。由于凍結壁起到超前支護的作用，井筒掘砌大多采用短段施工的方法，不需要臨時支護。 凍結法鑿井有適用各種復雜地質和水文地質條件的優(yōu)點。2 工程設計中的節(jié)能開展節(jié)能降耗工作,一定要系統(tǒng)分析找出各種損耗源,再制定相應的措施加以控制。某些傳統(tǒng)的設計方法、設計模型及設計參數(shù)不符合現(xiàn)場實際,是造成凍結站耗電嚴重的原因之一。因此,節(jié)能設計和節(jié)能運行是凍結站主要的節(jié)能方向之一2.1 制冷系統(tǒng)設計中的

14、節(jié)能1、空氣壓縮機選型凍結鑿井中的冷凍站屬于負荷有變化的制冷系統(tǒng),應根據(jù)負荷變化的特點,選用多臺壓縮機且最好具備調(diào)節(jié)裝置,以保證壓縮機在效率高的全負荷或全負荷區(qū)域工作,從而使壓縮機的效率盡可能提高。在進行壓縮機的容量與負荷選配時,切忌選用過大的壓縮機,造成“大馬拉小車”,從而導致壓縮機在低負荷下工作。同時還要了解以下幾個問題:(1)空氣壓縮機的容量越大,效率越高;(2)空氣壓縮機的級數(shù)越多,效率越高;(3)空氣壓縮機越是接近滿負荷運轉效率越高。2、使用蒸發(fā)式冷凝器及采用自動控制技術在氨制冷系統(tǒng)設計中,使用蒸發(fā)式冷凝器不僅可以節(jié)省初投資,減少冷凝系統(tǒng)中安裝單個元件的費用,且無需循環(huán)水池,同時還可

15、節(jié)省空間,更重要的是降低了系統(tǒng)運行費用,其結果可使壓縮機功率節(jié)省10%;選用蒸發(fā)式冷凝器可以達到節(jié)能的效果。在制冷裝置上采用自動控制技術,主要有兩方面作用:一方面保護機器設備的正常運行;另一方面保護操作人員的安全,合理自動調(diào)節(jié)機器設備。據(jù)有關資料統(tǒng)計,自動控制比手動控制可節(jié)能10%-15%左右,節(jié)電效果明顯。3、降低管道總冷量損失地表部分的低溫管路和設備通常暴露在室外,且鹽水的溫度與外界的溫差一般在30-40,冷量損耗較大。一般情況下,低溫系統(tǒng)的總冷量損失約占總負荷的10%-25%,為了降低總冷量損失,設計中可采取如下措施:(1)降低低溫管路和設備的傳熱系數(shù),選用高性能的保溫材料、確定合理的保

16、溫層厚度,對低溫管路和設備進行保溫處理。(2)降低低溫管路和設備的傳熱面積,關鍵是減小鹽水循環(huán)管路與處于大氣環(huán)境溫度的接觸面積,因此在設計鹽水循環(huán)管路的長度和管徑時,要充分注意盡可能降低冷量損失。2.2 供電系統(tǒng)設計中的節(jié)能1、準確計算用電負荷,確定合理配電容量,降低變壓器損耗在供電系統(tǒng)設計過程中,要準確地計算用電負荷對于凍結工程有一定的難度,因為在凍結施工中有一些參數(shù)(例如需用系數(shù))相差很大,沒有統(tǒng)一的標準,這就要求設計者多積累并調(diào)研相關的資料,盡量準確地反映出工程的真實負荷,并根據(jù)計算負荷選擇合適容量的變壓器,降低變壓器的損耗。在選用變壓器時,盡量選用低損耗、節(jié)能型、使用鐵芯且繞組匝數(shù)相對

17、較多的銅芯線做成的變壓器,這種變壓器的結構和尺寸雖然不變,但是有效地降低磁阻,減少銅損耗,增加短路電抗,可達到節(jié)能的目的。2、根據(jù)配電容量,確定變壓器的經(jīng)濟負荷當用電負荷確定下來以后,接下來要確定配電容量,即確定配電變壓器的經(jīng)濟負荷,在確定配電變壓器的經(jīng)濟負荷時有兩個原則:(1)效率最高原則; (2)年電能損耗最低(年運行費用最低)原則。按照變壓器的功率(包括有功功率和無功功率)損耗最小,即效率最高原則,并考慮變壓器初投資來確定變壓器的容量,這種方式雖然很難保證在凍結施工中變壓器工作在效率最高狀態(tài)下,但是凍結施工工期相對而言比較短,這種方式應該是較佳的選擇。而按照年電能損耗最低和年運行成本最小

18、的方法來確定變壓器容量,是供配電企業(yè)經(jīng)常采取的方法。3 設備使用過程中的節(jié)能3.1 壓縮機使用過程中的節(jié)能壓縮機是凍結施工中不能缺少的設備,它的耗電量很大,如果能在使用過程中提高壓縮機的效率,就可以降低耗電量,節(jié)約成本,提高效益。在使用壓縮機時,應該注意以下幾點:1、在凍結施工過程中需要很少制冷量時,最好是根據(jù)凍結施工工程的實際進展情況,采用低容量的空氣壓縮機,使壓縮機在高負荷狀態(tài)下運轉,減少電能的損耗;降低成本。在凍結初期需要制冷量大時,用大容量空壓機高負荷運轉,即提高了壓縮機的效率,又加快了凍結壁的形成,節(jié)約了成本。但是在使用過程中要防止出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象,即壓縮機在低負荷下工作,這樣

19、會引起不必要的損耗;與此同時也要防止出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象,即空氣壓縮機容量過小,負荷過大,這樣會對壓縮機造成很大的破壞,降低使用壽命,甚至會造成空氣壓縮機毀壞,同時可能造成制冷量少,不能輸出設計時要求的制冷量,延長凍結時間,不但起不到節(jié)能降耗的目的,反而會延誤工期,增加投入。2、嚴格控制壓縮機油壓和油面高度,定期放油潤滑。油壓和油面過高,耗油量增大,電能損耗增加,要定期把系統(tǒng)中積存的油放掉,提高系統(tǒng)傳熱效果,降低電耗。3、壓縮機運行一段時間后,可能出現(xiàn)零部件磨損或損壞,密封性能差等現(xiàn)象,這些都會導致功耗增加,所以施工過程中要定期檢修壓縮機,使壓縮機各部件處于正常工作狀態(tài),以減少電能損失。3.

20、2 定期融霜,提高冷凝器換熱效率蒸發(fā)器在使用過程中,霜層越積越厚,產(chǎn)生熱阻,若不及時除掉,則會影響傳熱效率,使制冷量減少,功耗增大,因此應定時沖箱,提高蒸發(fā)器的換熱效率,降低損耗。但除霜也會帶來系統(tǒng)負荷增加,能耗增加,所以應嚴格控制融霜的時間間隔。3.3水泵在使用過程中的節(jié)能1、及時清除流道堵塞物或是進出水管/葉輪的雜質,提高水泵的出水量；2、提高電機轉速,增強水泵的功率。要想提高電動機轉速只能提高電源頻率,提高電源頻率的辦法為:把50Hz交流電通過電子元件二極管整流器變成直流電,直流電通過變頻控制電路、功率電子元件IGBT等變成不同頻率的交流電供電動機使用。只要改變變頻控制電路的參數(shù),就可以

21、改變輸出電源的頻率及電動機的轉速,進而改變水泵的效率。3.4 電焊機使用中的節(jié)能電焊機在凍結施工中也是經(jīng)常使用的設備,合理地使用電焊機并進行無功補償同樣可以實現(xiàn)節(jié)能。1、電焊機的使用在電焊機使用過程中要特別注意以下幾點:(1)、電焊機與焊接工件的距離在3m左右節(jié)能效果最佳,最遠不超過10m。如果距離超過15m,為了減少損耗,可加大電焊機變壓器副邊電力線路的線徑;在不影響變壓器原邊電壓降的前提下,適當?shù)丶哟箅娫磁c電焊機的距離。(2)、對于有無功補償?shù)膱龊?特別是多臺電焊機同時使用而集中補償時,要時時觀察無功補償?shù)某潭?隨機地加以調(diào)整,使電網(wǎng)功率因數(shù)保持最佳狀態(tài)。(3)、裝設電焊機空載自停控制裝置。電焊機在工作時,自停裝置自動閉合,便可焊接,當焊條離開工件時,自停裝置又延時斷開。限制變壓器空載運行,不但可以減少空載損耗,而且能提高平均功率因數(shù)。2、電焊機的無功補償,提高功率因數(shù)交流電焊機的功率因數(shù)較低,對于一個容量不大的電網(wǎng),如果交流電焊機負載占很大的比例,則電網(wǎng)無功損耗加大,耗能嚴重,應