寒冷地区基建矿井井筒结冰的危害及预防措施

苗耀龙

(通化钢铁集团桦甸矿业有限责任公司)



寒冷地区基建矿井井筒结冰的危害及预防措施

苗耀龙

(通化钢铁集团桦甸矿业有限责任公司)

我国北方地区冬季气温较低，当矿井基建施工进入冬季，进风井温度低于 0 ℃,且井壁有淋水时，井筒会产生结冰现象。井筒结冰不仅会影响基建施工进度，还对施工人员及井筒内设施的安全带来极大威胁。以通化钢铁集团桦甸矿业公司基建矿井施工为例，对基建矿井井筒结冰的原因、预防措施及井筒结冰后除冰和应急措施进行了探讨。

寒冷地区基建矿井井筒结冰危害预防

在寒冷的冬季，我国北方高纬度地区矿井都会出现不同程度的井筒结冰，尤其是在矿井基建期间，未形成供暖系统和稳定的通风系统。当基建施工进入冬季以后，气温急速下降，如果入风井筒未提前采取有效的防冻措施，井筒淋水会在井壁、罐梁罐道、提升容器、梯子间、电缆、水管等处结冰。井筒结冰后，一方面使井筒提升受限，影响正常的基建进度；另一方面还可引起卡罐、防坠保险失灵等, 严重时大块冰塌落, 造成井筒设施损坏和人员伤亡的重大事故, 影响矿井安全建设。

1　井筒结冰的危害

(1)井筒结冰导致提升容器与井壁间的安全距离变小，致使提升容器与井壁冰层产生摩擦，甚至发生卡罐，导致提升受阻。

(2)井筒内梯子间结冰，堵塞安全出口，紧急情况下，井下人员无法安全升井。

(3)井筒内提升钢丝绳、提升容器连接装置结冰，强度降低，安全系数不能得到保证，存在安全隐患；沿井筒敷设的供电及通讯电缆表面结冰，随着冰层加厚，致使电缆支架断裂、电缆拉断，造成井下供电和通讯中断，严重影响矿井的安全建设。

(4)井筒内提升设施的防坠器结冰，导致抓捕机构动作不灵活或失效，一旦钢丝绳或罐笼连接装置断裂，防坠器不能可靠抓捕 ，将导致坠罐事故。

(5)井筒结冰的最大危害是在气温回暖结冰融化时，井壁以及井筒装备上的冰层会突然垮落，轻则造成井筒装备损坏，重则造成断绳、提升容器坠落，造成人身伤亡事故和巨大经济损失[1]。

(6)井筒或井筒内设施一旦结冰，除冰工作难度很大，井筒内的除冰工作属于高空作业，稍有不慎可能发生跌伤或坠井事故；除冰时的落冰可能砸坏井筒内已敷设好的电缆、管路等设施。

2　矿井结冰案例分析

矿井结冰必须具备两个条件：水源和温度低于0 ℃以下的冷空气。北方高纬度地区冬季最低气温均在0 ℃以下，甚至更低，而矿井井筒一般都要穿过地下或大或小的含水层，井壁淋水是不可避免的。因此，井壁淋水遭遇温度低于0 ℃的冷空气，就会在井壁、罐梁罐道、提升容器以及管路和电缆表面结冰。

对于基建期的矿井来说，自然风压对于井筒结冰也起到了关键作用，自然风压可以使原本已做好的防冻措施失效。矿井基建期，当主、副、风井贯通后，井筒装备时间长，期间均采用临时性的供暖和防冻措施，在未安装永久通风机之前，主要是以自然风压为主形成的临时通风系统。自然风压是矿井客观存在的一种自然通风现象，随着季节和温度的变化，进回风井空气密度也随之变化，此时自然风压对通风系统的作用越来越明显，继而会造成井筒反风，日夜温差大的地区，在一天内也往往会出现反风[2]，从而造成通风系统紊乱。通风系统的不受人为控制性，加之井筒淋水和低温作用，致使井筒结冰。

(1)通化钢铁集团桦甸矿业有限责任公司大西沟东山二区，采用主副井开拓方式，中央对角式通风，副井进风、两翼风井回风，主副井及东风井标高460m、西风井标高426m。当矿山完成了主副井与西风井的贯通之后，形成主副井进风、西风井出风的通风系统，但矿井在继续基建时已进入冬季，由于西风井井口标高低于主副井井口标高，自然风压的作用造成井筒反风，寒冷的风流从西风井进入、副井排出，造成西风井井壁结冰，而原本副井已做好的防冰措施未能发挥作用。

(2)通化钢铁集团桦甸矿业有限责任公司小苇厦子铁矿，采用主副井开拓方式，中央对角式通风，副井进风、两翼风井回风，主井标高460m、副井标高450m。工程于2010年7月开工，2011年6月主、副井贯通后进行副井井筒的永久装备，井下其他掘进工程经措施巷道、主井吊桶提升。进入冬季，由于副井标高低于主井10m，自然风压造成副井进风，主井出风，当时井口供暖设施没有完成，由于温度骤降，井筒内迅速结冰，而副井淋水点在井筒中部未能及时发现，最终导致大面积结冰，局部区域还出现了卡罐现象。井筒内罐梁、罐道、梯子间、风水管路、电缆均挂着厚厚的冰层，除冰工作难度非常大，花费大量的人力物力，经过近2个月的时间才彻底清除井筒冻冰及再次结冰的问题。2012年10月，开始进行主井的永久装备，将副井井架用彩钢瓦保温封闭，将副井井筒接高20m，自然风压的作用使风流从主井进入、副井排出，此时副井保温房及保温设施已竣工，但副井井口热风不能克服自然风压，导致主井井筒结冰，由于主井装备尚未完成，井筒提升仍然用吊桶，φ5.2m的井筒除冰极为困难。该矿主、副井先后冻井，均是由于寒冷冬季自然风压作用及经验不足、提前预防措施不到位所致。

3　井筒结冰的处理

根据基建期井筒除冰和应急措施的实际经验，提出井筒结冰的处理措施：①制定除冰应急预案，以便结冰后及时应对；②发现井筒有结冰迹象或轻度结冰时，紧急购进临时塔衣和热风幕，给井架穿好塔衣并将热风幕固定在井口，提高井筒的进风温度，在结冰不严重时，可有效解决井筒结冰问题；③除冰作业一般选在白天作业，在气温较低的夜间，提升机需定时运转，安排专人不间断巡查结冰情况，必要时先简单处理，确保提升容器与井壁冰层间有一定距离，保证白天除冰时提升容器的正常运行；④除冰时作业人员站在罐笼顶或吊桶内，其上部挂上保险伞，由上至下清理冰块，除冰人员一定要系好保险绳，必要时做多重保险，以防井筒内突然大面积落冰产生巨大冲击波，导致人员受冲击发生坠井事故；⑤井筒内有电缆时，除冰需要轻敲破冰，确保不损坏电缆，并有专人在下方用桶接住落冰并装入编织袋内，切忌大面积破冰，以免掉下砸坏井筒下部电缆和其他设施。

4　井筒结冰的预防措施

根据《采矿设计规范》规定[3]，结合矿井风压变化特点，提出以下预防措施：

(1)有结冰危害的矿井，基建期在井口必须安装空气加热装置，人工调节入井空气的流速与温度，使自然风压和入风温度控制在合理范围。冬季低温时，在进风井设置临时井口房，设置空气加热室，加热后的混合空气进入井下[4]。此加热方式热量损失大，但系统简单，因此基建矿井常采用此方法。

(2)治理井筒淋水也是防止井筒结冰的有效措施。目前各种堵水技术已相对成熟，用各种方法和材料(如水泥、水玻璃、化学浆液、高分子化学注浆材料等)堵塞井筒内渗水点，可以有效避免井筒淋水及结冰。

(3)新设计矿井在选择开拓方案、拟定通风系统时，应充分考虑利用地形和当地气候特点，使全年大部分时间内自然风压作用的方向与机械通风风压的方向一致，以便利用自然风压，并利用预先建立的防冻措施，不致于发生突发冻井。

(4)矿井基建时期，适当调整巷道施工顺序，不断优化和完善矿井通风系统。要因地制宜、因时制宜地控制和利用自然风压通风，如在表土施工阶段可利用自然通风，在主副井与风井贯通之后，有时也可利用自然通风。有时需要人工调整进、回风井内空气的温差，采取增设热风幕、电暖气，设置局部通风机进行机械通风调节。有条件时还可利用钻孔构成回路进行调节，稳定通风系统，避免因通风系统紊乱造成的井筒冻害。

(5)增设临时风门，在主要的进风巷道或主副井联络巷道内设置风门，风门上留设风窗，结冰季节关闭风门并利用风窗调节风流大小，在满足井下生产需风量的同时，降低井筒进风量，提高进风流温度[5]。

5　结　语

矿井基建期井筒冬季结冰问题是我国北方寒冷地区矿井面临的共性问题，为避免冬季井筒结冰，需要矿山专业人员从控温、堵水、优化通风系统等方面认真研究，应根据自身条件，因地制宜，选择适合的方法，尤其值得注意的是自然风压的影响。只要对具体情况认真分析，提前做好应对措施，可以避免井筒冻冰事故。

[1]刘志峰.矿井井筒结冰对矿井的危害及预防措施[J].矿业论坛科技信息，2012(13)：412-412.

[2]蒋增京.自然风压对矿井通风系统的影晌[J].河北煤炭,2003(5)：3.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50830—2013冶金矿山采矿设计规范[S].北京：中国计划出版社,2013.

[4]崔云龙.简明建井手册 [M].北京：煤炭工业出版社,2003.

[5]张国枢.通风安全学[M].徐州：中国矿业大学出版社,2000.

2016-03-22)

苗耀龙(1982—)，男，工程师，132409 吉林省吉林市桦甸市夹皮沟镇锦山村。