专利名称：地下气化炉孔管热胀冷缩的补偿方法
技术领域：
本发明涉及煤炭地下气化工艺，特别是在煤炭地下气化中，利用在进、排气孔孔管上设固定段，解决地下气化炉进、排气孔管热胀冷缩问题的一种地下气化炉孔管热胀冷缩的补偿方法，或称“孔管固定伸缩补偿技术”。
煤炭地下气化工艺，是对传统采煤方法和煤炭地面气化技术的突破。煤炭地下气化是在地下气化炉内进行。一般地讲，地下气化炉由进气孔和排气孔与气流通道、气化通道三部分组成。进、排气孔由地面打钻施工；气流通道与气化通道则在井下利用矿井原有生产系统掘进施工。当进、排气孔由地面与气流通道贯通后，在钻孔内安装进、排气孔管，并在孔管与钻孔孔壁之间浇注水泥沙浆。由于在地表以上，进、排气孔管上端除了要与空气管、水蒸汽管、空气煤气管、水煤气管、喷淋水管相连外，还要接温度传感器、压力传感器、取样管，因此，孔管上端是与众多地面管道的集中交汇处。孔管下端与气流通道联通，即由气流通道的巷道顶板穿入巷道中。进、排气孔管会因地下气化炉的高温而受热膨胀，而且，有的地下气化炉要随运行情况进行进风、排气转换；有的地下气化炉虽然进、排气不转换，但排气有大小，温度有高低，并且有间断。所以，孔管不仅经受温度高、温差变化大、而且变化频繁。由于热胀冷缩的原因，孔管长度会有很大伸缩变化，而且伸缩频繁。孔管过大的伸长，无论向上或向下，都会对气化系统构成威胁；向上，会导致地面管道变形、破裂，严重影响地面管道的安全；向下，会导致孔管下端孔口与气流通道巷道底板接触、阻断孔管气流；而且，频繁地伸缩会使孔管与钻孔孔壁松脱、沿孔壁下坠，致使孔管下端孔口与气流通道巷道底板接触、阻断孔管气流进出，造成气化中断。
有的地下气化炉采用井下管道供风、排气孔排气，其进、排气不转换，但排气有大小，温度有高低，并且有间断。其排气孔管同样存在上述问题。
在现有技术中，解决地下气化炉孔管热胀冷缩的方法有一是孔口设混凝土构件，阻止孔管上升下滑，但很难做到；二是在孔口设大型补偿器，但这种方法也存在较大问题，如补偿器难以承受上部管网的压力和下部孔管的重力、难以承担很大的补偿量，价格昂贵等。
本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处，而提供一种经济易行、安全可靠、成本低廉的地下气化炉孔管热胀冷缩的补偿方法。
本发明的目的可以通过以下措施来达到把地下气化炉的进、排气孔管安装于进、排气钻孔内，在孔管与钻孔孔壁之间浇注水泥沙浆；并且，将地下气化炉的进、排气孔管各分为三段固定段、下伸缩段和上伸缩段。
①固定段选择在基岩面以下，或围岩较硬的区段内，并应尽量向上部靠近；其长度为孔管全长的10％～50％；在固定段的孔管外壁上，设置若干个固定器。固定器即高出孔管外壁的突起物，借助这些突起物，可使该段的孔管外壁与钻孔孔壁阻力增大、限制该段孔管的胀缩、使整个固定段成为与钻孔孔壁相对固定的区段。
②下伸缩段是孔管位于固定段以下的部分；伸缩量相对较大；孔管下端端头到气流通道巷道底板之间的距离，在选择时，必须大于下伸缩段的最大伸缩量。
③上伸缩段是孔管位于固定段以上的部分；其处理方法如下a.当表土层厚度大、而且有流沙层和地下水影响钻孔工程时要在孔管上段外面加接套管；由套管上端接地面管路，套管下端要深入到基岩面以下1～10m处，并且注水泥沙浆；套管下端与孔管之间也要注水泥沙浆，并在套管中预留孔管上伸缩段的最大伸缩量。
b.当表土层厚度大、无流沙层和地下水影响钻孔工程时要在孔管上端外面加接套管；由套管上端接地面管路，套管的下端要深入到地表以下不少于1m处，将套管采取固定措施、而不与孔管连接，并在套管中预留孔管上伸缩段的最大伸缩量。
c.当表土层厚度不大时孔管上端可与地面管路直接连接，不加套管。
上述表土层厚度大，指＞30m；表土层厚度不大，指＜10m。当表土层厚度为10～30m时，则根据地面管路的复杂程度和孔管温度等因素，灵活掌握。当地面管路复杂、孔管温度高时，按表土层厚度大对待、即按a、b款方法处理；当地面管路简单、孔管温度低时，按表土层厚度不大对待、即按c款方法处理。
表土层厚度大，意味着上伸缩段的长度大，故表土厚度与上伸缩段的伸缩量有对应关系。如果用上伸缩段的最大伸缩量衡量表土层厚度表土层厚度大，相当于上伸缩段的最大伸缩量＞60mm；表土层厚度不大，相当于最大伸缩量＜20mm；表土层厚度在10～30m时，则相当于最大伸缩量为20～60mm。
本发明的目的还可以通过以下措施来达到把地下气化炉孔管固定段的长度选择为孔管全长的30±10％。
当表土层厚度大、而且有流沙层和地下水影响钻孔工程时，使孔管上段外加接的套管深入到基岩面以下3±2m处。
使孔管的下端孔口到气流通道巷道底板之间的距离，大于其下伸缩段的最大伸缩量至少0.5m。
固定器采用焊在孔管外壁上的弧面矩形钢板。该弧面矩形钢板是由内径与孔管外径相同或相近、壁厚等于板厚的钢管切割而成。
固定器采用焊在孔管外壁上的弧面圆弧形钢板。
固定器采用焊接在孔管外壁上的环状箍带或环状箍筋。
固定器采用轧制在孔管外壁上的螺纹横肋。
本发明与现有技术相比其优点是通过在孔管上设固定段，利用固定段孔管外壁上的固定器，经凝固的水泥沙浆与围岩牢牢固结，大大增加了孔管在该段的伸缩阻力，使孔管在固定段与孔壁相对固定；而让其下部的下伸缩段有相对较大的伸缩自由度，防止整个孔管在频繁地伸缩中沿钻孔下滑、堵塞气流通道；同时，在上伸缩段，通过外加套管、在套管中预留上伸缩段的伸缩量等措施，也防止了孔管上伸量过大、导致地面连接管道的变形破裂。从而解决了煤炭地下气化工艺中，地下气化炉进、排气孔管热胀冷缩的技术难题。
本发明方法在新汶矿区孙村煤矿的煤炭地下气化工艺中采用后，经长时间运行，孔口温度最高达310℃，80余米的孔管上升3厘米以下。解决了进、排气孔管热胀冷缩对气化系统的威胁，既经济易行，又安全可靠。若用大伸缩量的补偿器，不但价格贵，安装操作困难，而且很难保证安全运行。
附图的图面说明如下
图1当表土层厚度大、并有流沙层和地下水影响钻孔工程时本发明方法的孔管安装示意图纵剖面2弧面矩形钢板固定器的局部放大视3图2中弧面矩形钢板固定器的剖视4平面矩形板块固定器结构示意图剖视5弧面圆弧形钢板固定器的结构示意6孔管环状箍带固定器的结构示意7孔管环状箍筋固定器的结构示意8带横肋孔管的结构示意9当表土层厚度大、无流沙层和地下水影响钻孔工程时本发明方法的孔管安装示意图纵剖面10当表土层厚度不大时本发明方法的孔管安装示意图纵剖面图下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述实施例1图1示出当表土层厚度大、厚度＞30m、或者孔管上伸缩段S的最大伸缩量＞60mm、而且有流沙层和地下水影响钻孔工程时，地下气化炉进、排气孔管4在钻孔8内的安装情况。地下气化炉进、排气孔管4也简称孔管4。
地下气化炉的进、排气孔钻孔8由地面打钻施工，在与地下气化炉两端的气流通道8分别贯通后，沿整个钻孔8深度装设进、排气孔管4，并在孔管4与钻孔8孔壁之间浇注水泥沙浆7。在安装孔管4的过程中，要首先根据进、排气孔钻孔8的地质资料，如钻孔8深度、围岩岩层的岩性及厚度、有无流沙层和含水层等，与孔管4温升、线膨胀系数、孔壁阻力以及估算的最大伸缩量，将进、排气孔管4分别分为三段固定段G、下伸缩段X和上伸缩段S。
①固定段G选择在基岩面5以下；若无基岩面5或基岩较软时，则选择在围岩较硬的区段内，并尽量选择在孔管4向上的部位。固定段G的长度可定为孔管4全长的10％～50％，通常情况以孔管4长度的30±10％为优选。在固定段G的孔管外壁上，设置若干个固定器6。所谓的固定器6，即高出孔管4外壁的突起物，可以是规则的、也可以是不规则的；该突起物用焊接或其它方法加工于管壁上；借助这些突起物，使固定段G孔管外壁通过水泥沙浆7与钻孔8孔壁固结后的阻力增大、限制孔管固定段G的胀缩，使整个固定段G成为孔管4与钻孔8孔壁相对固定的区段；仅是在突起物间进行轻微胀缩或变形。
②下伸缩段X是孔管4位于固定段G以下的部分。该段伸缩量相对较大。孔管4下端孔口到气流通道8巷道底板之间距离H的选择，必须大于下伸缩段X的最大伸缩量；最好是选择超过下伸缩段X的最大伸缩量0.5m以上。而在地下气化炉未点火前，气流通道8的巷道高度的确定，一般要使孔管4的下端孔口与气流通道9的巷道顶板冲齐或稍上下。
③上伸缩段S是孔管4位于固定段G以上的部分。在基岩面5以上的表土层厚度＞30m、或者孔管上伸缩段S的最大伸缩量大于60mm、而且有流沙层和地下水影响钻孔工程时，孔管4在钻孔8内安装及处理方法是在孔管4上段外面加接套管2；由套管2上端接地面管路1，使套管2下端深入到基岩面5以下1m～10m处；通常情况以套管2深入到基岩面5以下3±2m为优选，并将套管2的该区段与围岩之间注水泥沙浆7。套管2的下端与孔管4之间也要注水泥沙浆7，并在套管2中预留孔管上伸缩段S的最大伸缩量。
固定器6的形式可有多种选择，其中，有图2～8所列举的各例各种钢板凸块、箍筋、箍带、肋条等。当然，其形式还可有许多选择。
图2、3所示的固定器是焊在孔管4外壁上的弧面矩形钢板9。例如当孔管4直径为300～400mm时，焊接用的弧面矩形钢板10用普通钢板切割成长×宽×厚为150mm×100mm×10mm左右的板块后弯成；若弧面钢板10用内径与孔管4外径相同或相近、壁厚等于板厚的钢管切割而成，可起到时半功倍的效果。根据需要，在孔管4同一高度上可焊接一、两或多个固定器6；同一高度上的固定器6为一组，组与组之间有一定距离。最上一组与最下一组固定器6之间的区段，即固定段G。最上一组与最下一组固定器6之间的长度即固定段G长度。图2、3所示为一组焊四块弧面钢板10，组间距离为2m左右。
图4所示的固定器，是焊接在孔管4外壁上的平面矩形钢板11。
图5所示的固定器，是焊接在孔管4外壁上的弧面圆弧形钢板12。
图6所示的固定器，是焊接在孔管4外壁上的环状箍带13。对于上述管径的孔管，其箍带可用宽100mm左右、厚10mm左右钢板弯成。
图7所示的固定器，是焊接在孔管4外壁上的环状箍筋14。对于上述管径的孔管，其环状箍筋，直径10mm左右钢筋弯成。
图8所示的固定器，是轧制在带螺纹横肋孔管外壁上的螺纹横肋15；其外表类似于螺纹钢。
实施例2图9所示为当表土层厚度大、厚度＞30m、或者孔管上伸缩段S最大伸缩量＞60mm、无流沙层和地下水影响钻孔工程时孔管4在钻孔8内的安装情况。此时，孔管4在钻孔8内的安装方法与实施例1基本相同，所不同的是孔管4上端外面加接套管2的安装套管2的下端要深入到地表3以下不少于1m处，并在套管2周围浇注混凝土基础、用地脚螺栓将焊在套管2上固定板固牢；套管2的内壁不与孔管4连接，并在套管2中预留出孔管上伸缩段S的最大伸长量。此时，套管2的下端不必深入到基岩。图中所示的套管2，是通过变径管与地面管道1相连接。根据需要，实施例1中的套管2同样也可用变径管。
实施例3图10所示为当表土层厚度不大、总厚度＜10m时、或者孔管上伸缩段S的最大伸缩量＜20mm时、孔管4在钻孔8内的安装情况。表土层可以含流沙层。此时，因孔管上伸缩段S很小，固定段G相对向上，孔管4与地面管路1可直接连接，而不加套管2。其余与实施例1相同。
当表土层厚度为10～30m时，或孔管上伸缩段S的最大伸缩量为20～60mm之间时，则可根据地面管路的复杂程度和孔管温度等因素，综合考虑，灵活掌握。对于地面管路复杂、孔管温度较高、对孔管上伸量要求严格时，可按表土层厚度大的情况处理，即按实施例1、2的方法处理；当地面管路简单、孔管温度较低、对孔管上伸量要求不严时，可按表土层厚度小、即实施例3的方法处理。
至于井下管道供风的地下气化炉，虽无进气孔管，但对于其排气孔管，本发明方法同样适用。
权利要求
1.一种地下气化炉孔管热胀冷缩的补偿方法，把地下气化炉的进、排气孔管(4)安装于进、排气钻孔(8)内，在孔管(4)与钻孔(8)的孔壁之间注水泥沙浆(7)，其特征在于将所说的进、排气孔管(4)各分为三段固定段(G)、下伸缩段(X)和上伸缩段(S)；①固定段(G)选择在基岩面(5)以下、或围岩较硬的区段内，并向上部靠近；其长度为孔管(4)全长的10％～50％；在固定段(G)的孔管(4)外壁上，设置若干个固定器(6)；固定器(6)，即高出孔管外壁的突起物，亦即使整个固定段(G)与钻孔(8)孔壁相对固定的突起物；②下伸缩段(X)孔管(4)位于固定段(G)以下的部分；伸缩量相对较大；孔管(4)下端孔口到气流通道(9)巷道底板之间距离(H)的选择，必须大于下伸缩段(X)的最大伸缩量；③上伸缩段(S)孔管(4)位于固定段(G)以上的部分；其处理方法如下a.当表土层厚度大、而且有流沙层和地下水影响钻孔工程时要在孔管(4)上段外面加接套管(2)；由套管(2)上端接地面管路(1)，套管(2)下端深入到基岩面(3)以下1m～10m处，且注水泥沙浆(7)；套管(2)下端与孔管(4)之间也注水泥沙浆(7)，并在套管(2)中预留孔管上伸缩段(S)的最大伸缩量；b.当表土层厚度大、无流沙层和地下水影响钻孔工程时要在孔管(4)上端外面加接套管(2)；由套管(2)上端接地面管路(1)，套管(2)下端深入到地表(3)以下不少于1m处，将套管(2)采取固定措施、而不与孔管(4)连接，并在套管(2)中预留孔管上伸缩段(S)的最大伸缩量；c.当表土层厚度不大时孔管(4)上端可与地面管路(1)直接连接，不加套管(2)；上述表土层厚度大，指＞30m，表土层厚度不大，指＜10m；当表土层厚度在10～30m时，则根据地面管路复杂程度和孔管温度定，地面管路复杂、孔管温度高，按a、b款处理；地面管路简单、孔管温度低，按c款处理；或者，用上伸缩段(S)的最大伸缩量衡量表土层厚度表土层厚度大，指最大伸缩量＞60mm；表土层厚度不大，指最大伸缩量＜20mm；表土层厚度在10～30m时，则相当于其最大伸缩量在20～60mm。
2.根据权利要求1所述的地下气化炉孔管热胀冷缩的补偿方法，其特征在于所说的固定段(G)的长度，为孔管(4)全长的30±10％。
3.根据权利要求1所述的地下气化炉孔管热胀冷缩的补偿方法，其特征在于所说的当表土层厚度大、而且有流沙层和地下水影响钻孔工程时，在孔管(4)上段外面加接的套管(2)，要求深入到基岩面(5)以下3±2m处。
4.根据权利要求1所述的地下气化炉孔管热胀冷缩的补偿方法，其特征在于所说的孔管(4)的下端孔口到气流通道(9)巷道底板之间距离(H)的选择，应大于下伸缩段(X)最大伸缩量至少0.5m。
5.根据权利要求1所述的地下气化炉孔管热胀冷缩的补偿方法，其特征在于所说的固定器(6)是焊接在孔管外壁上的弧面矩形钢板(10)，该弧面矩形钢板(10)是由内径与孔管(4)外径相同、壁厚等于板厚的钢管切割而成。
6.根据权利要求1所述的地下气化炉孔管热胀冷缩的补偿方法，其特征在于所说的固定器(6)是焊接在孔管外壁上的弧面圆弧形钢板(12)。
7.根据权利要求1所述的地下气化炉孔管热胀冷缩的补偿方法，其特征在于所说的固定器(6)是焊接在孔管外壁上的环状箍带(13)或环状箍筋(14)。
8.根据权利要求1所述的地下气化炉孔管热胀冷缩的补偿方法，其特征在于所说的固定器(6)是轧制在带螺纹横肋孔管外壁上的螺纹横肋(15)。
全文摘要
一种地下气化炉孔管热胀冷缩的补偿方法，将地下气化炉进、排气孔管分三段固定段、下伸缩段和上伸缩段。固定段选在基岩面以下或围岩较硬区段，尽量向上；长度为孔管10～50％，外壁设若干固定器、即突起物，与孔壁相对固定。下伸缩段伸缩量大，最大伸缩量须小于其下口至气流通道底板距离。上伸缩段根据表土厚度、有无流沙和水影响，或加接套管并预留伸缩量，或不加套管直通地面管路。用于煤炭地下气化，经济易行、安全可靠。
文档编号E21B43/295GK1392328SQ0111505
公开日2003年1月22日 申请日期2001年6月18日 优先权日2001年6月18日
发明者刘宝银, 陈传海, 余力, 梁杰 申请人:新汶矿业集团有限责任公司孙村煤矿