CN110293109B - 填埋气导排集气井施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一种填埋气导排集气井施工方法，包括以下步骤：1）在垃圾堆体选定的位置以前导锥为工进头，在承压面处施加压力，将工艺开孔部件逐渐的压入垃圾堆体至余留第一长度在垃圾堆体外；2）对反推面施加拉力，将工艺开孔部件拉出垃圾堆体，形成基孔，该拉力与所述压力方向相反；3）将井管下放入基孔直至头锥与基孔孔底接触，对法兰施加压力，将井管压入垃圾堆体直至井管余留第二长度在垃圾堆体外，井管与基孔间留有填充空间；4）向填充空间内填充碎石至距基孔孔口给定距离处，该给定距离确定出密封空间；5）向密封空间填土，压实。依据本发明的施工方法易于保证施工质量且井管易于回收。
Description
技术领域
本发明涉及一种填埋气导排集气井施工方法。
背景技术
目前我国对生活垃圾处理的主要方式是在指定的场所进行填埋，几乎所有的城市生活垃圾都采用填埋处理方式。根据工程措施是否齐全、环保标准能够满足来判断，可将垃圾填埋场区分为简易填埋场、受控填埋场和卫生填埋场。能够进行垃圾填埋气收集的填埋场主要是后面两种垃圾填埋场。
垃圾填埋会形成一个比较大的垃圾堆体，垃圾堆体内的生活垃圾因有机成分较多，会腐烂发酵而产生大量的气体，这些气体统称为垃圾填埋气。垃圾填埋气产气有一定的规律，利用这一规律通过在垃圾堆体上开凿集气井以收集垃圾填埋气，从而可以对垃圾填埋气进行处理和使用。垃圾填埋气中可被利用的有效成分是甲烷，可以作为燃气来源。
《建筑与工程》（2011年第25期）所载论文“简易垃圾填埋场填埋气体抽气井施工工艺及安全防范措施”对当前常用的抽气井（即集气井）施工工艺进行了***的论述，其第2.1.2节公开了一种管桩施工法，管桩施工法是一种挤土施工工艺，所使用的管状具有一个桩管和适配于桩管一端的桩尖，桩尖大致是一个头锥结构，头锥结构的底面直径大于桩管直径。管桩施工工艺首先使用管桩进行成孔，具体是，桩尖在下，桩管在上，使用打桩机械击打桩管而基于桩头的挤压和引导，使桩尖打入垃圾堆体到设计深度，桩管部分露出垃圾堆体。管桩被打入垃圾堆体后，作为隔离围堰使桩管内形成独立的空间，然后在桩管内安装井管。
管桩施工法的主要目的是，管桩施工过程中，受桩管的遮蔽，安装井管时井管与填埋气不产生直接接触，在井管安装到位后，管桩中的桩管可以被提出，使井管与垃圾产生接触，而可收集垃圾填埋气。
管桩施工法所使用管桩中的桩尖需要滞留在垃圾堆体内，在下方对井管有一定的遮蔽作用，影响垃圾填埋气的收集。而且井管也不能再回收利用。再者，井管外径远小于管桩内径，而需要在井管与桩管间所形成的环空内填充其他物料，一方面施工难度增大，另一方面，在提出桩管时，会使得填充物产生分散，影响填充的密实度，而需要二次处理。此外，为了降低前述遮蔽作用的影响，施工时，井管与桩尖间需要保持一定的距离，在此条件下，在环空内充填填充物时，井管需要保持悬空状态，进一步增加了施工难度。
受桩管的保护，井管下管不需要承压，井管多采用强度相对较低的HDPE（HighDensity Polyethylene，高密度聚乙烯，又称低压聚乙烯 ）管，填充物多是碎石，在垃圾填埋气收集周期内，随着垃圾堆体的蠕动沉降，井管受到相对密实的挤压，而产生变形甚至破裂，无法再回收利用。如前所述，垃圾堆体随着时间的推移，其形态是会发生变化的，某些集气井可能在较短的时间内即失去作用，因此，不能回收利用的井管显然会造成一定的损失。
中国专利文献CN201496070U公开了一种垃圾填埋场垃圾填体集气井施工设备，该设备实质与管桩施工法所使用的管桩结构比较类似，只不过其直接把桩管替换为母管和相邻井管，换言之，其在成孔的同时就把井管下到位。需要说明的是，井管外通常形成一个环空，以便于投放一定量的碎石，碎石具有阻隔大块垃圾的作用，避免大块垃圾堵塞进气孔。而在该专利文献中，单纯的锥形挤压头难以形成井管外所需要的环空。此外由于锥形挤压头的底部直径大于井管直径，其本质上相当于一个锚固头，井管难以回收。如前所述，部分集气井可能在较短的时间内失效，无法回收的井管会产生不必要的浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种易于保证施工质量且井管易于回收的填埋气导排集气井施工方法。
依据本发明的实施例，提供一种填埋气导排集气井施工方法，适配有工艺开孔部件和给定的井管；
其中，工艺开孔部件具有一成孔圆柱和位于成孔圆柱一端的前导锥，以及位于成孔圆柱另一端的作动体；前导锥的底与成孔圆柱的直径相同，而作动体具有承压面和反推面，承压面的承压方向为自作动体指向前导锥的方向，反推面的承压方向则与承压面相对；
井管则具有开有进气孔的管体和位于管体一端的头锥，以及位于管体另一端的管接法兰；头锥的底与管体的外径相同，且管体的直径小于等于成孔圆柱直径的五分之四，管体长度大于等于成孔圆柱长度的1.5倍；
所述填埋气导排集气井施工方法包括以下步骤：
1）在垃圾堆体选定的位置以前导锥为工进头，在承压面处施加压力，将工艺开孔部件逐渐的压入垃圾堆体至余留第一长度在垃圾堆体外；
2）对反推面施加拉力，将工艺开孔部件拉出垃圾堆体，形成基孔，该拉力与所述压力方向相反；
3）将井管下放入基孔直至头锥与基孔孔底接触，对法兰施加压力，将井管压入垃圾堆体直至井管余留第二长度在垃圾堆体外，井管与基孔间留有填充空间；
4）向填充空间内填充碎石至距基孔孔口给定距离处，该给定距离确定出密封空间；
5）向密封空间填土，压实。
上述填埋气导排集气井施工方法，可选地，步骤3）中在下放井管前，需对井管封口。
可选地，井管和工艺开孔部件与相应的施力部件接触的部位覆盖有棉布，以避免产生电火花。
可选地，提供第一工艺部件，该工艺部件具有第一过孔；
在成孔时，将第一工艺部件放置在选定的位置，工艺开孔部件通过第一过孔导入而进行成孔；
提供第二工艺部件，该第二工艺部件具有第二过孔，且该第二工艺部件定位于第一工艺部件而使第二过孔与第一过孔保持同轴线；
在下管时，将第二工艺部件定位在第一工艺部件上，井管通过第二过孔下管；
其中，第一工艺部件及第二工艺部件均为对开的两个分体，两个分体对合形成第二工艺部件。
可选地，取出工艺开孔部件过程中保持匀速，且取出速度小于等于0.5m/s。
可选地，在工艺开孔部件的表面开工艺开孔部件轴向走向的泄气槽。
可选地，井管下放到位后封口，避免填埋气外泄。
可选地，管体长度为成孔圆柱长度的2.0~2.7倍；
管体外径为成孔圆柱外径的五分之四。
可选地，若所适用的垃圾填埋场继续填埋垃圾，则将井管以法兰为牵拉头而将井管提出。
可选地，头锥的长度为前导锥长度的五分之三。
本发明所提供实施例中的填埋气导排集气井施工方法，其工艺设备主要是工艺成孔部件，该工艺成孔部件的使用方法原理上与管桩施工法比较类似，都是利用垃圾堆体相对松软，使用工艺成孔部件在下行过程中的挤压形成基孔，只不过在本发明的实施例中不存在桩管，而是在基孔成型后，马上下放井管，井管到位后，基孔形态尚能保持一定的时间，从而井管与基孔间会留有环空，向环空内投碎石，从而形成一个过滤空间。碎石不填满环空，留一定深度用来填土，从而密封住环空口部，使填埋气从井管中被导出。其中的井管所适配锥头的底面直径等于其管体外径，在往上提拉时不存在额外的约束，易于被提拉出来，从而具备可被重复使用的前提条件。不同于桩管施工法或者中国专利文献CN201496070U的施工方法，基于本发明实施例的施工方法不会存在需要独立滞留在垃圾堆体内的锥体结构，可有效节省成本。
此外，井管比工艺开孔部件要短，并且井管的管体直径小于工艺开孔部件上成孔圆柱的直径，井管下放到位后，下部会受到垃圾堆体的支撑保持立式状态，不必采用附加的支撑结构，从而在其后的例如填充环孔等步骤中，减少工装的使用，而进一步简化施工，降低施工难度。垃圾堆体具有天然的间隙，井管下放，其部分结构直接***垃圾堆体，部分与基孔孔壁形成环空，环孔内填充碎石，碎石使用量小于管桩施工法，在节省原料的条件下，实际并不减少填埋气的收集效率。加之井管下部的初始定位，在施工难度降低的条件下，仍然可以保证整体的施工质量。
附图说明
图1为一实施例中所使用工艺开孔部件结构示意图。
图2为一实施例中所使用井管结构示意图。
图3为一实施例中所使用定位组件***图。
图4为一实施例中上组件结构示意图。
图中：1.前导锥，2.成孔管体，3.盲板，4.头锥，5.前定位段，6.开孔段，7.进气孔，8.后段，9.法兰，10.上定位板，11.第二过孔，12.定位沉孔，13.第一过孔，14.定位锥，15.下定位板。
D1.下组件，D2.上组件。
具体实施方式
可以理解的是，垃圾填埋场通常需要做防渗漏处理，同时，在填埋垃圾之后，需要在所形成的垃圾堆的表面填一定厚度的素土，以掩埋垃圾，形成遮蔽层，减少或者完全遮蔽住填埋气向大气中的散发。这都是规范的要求，在此不再赘述，提及该部分内容主要涉及本发明中的相关内容，例如垃圾堆体表面的素土层，与本发明中的填土部分相适应。
遮蔽层也是垃圾堆体的构成部分，是垃圾堆体的表面层。
在本发明的实施例中，主要的工艺设备是工艺开孔部件、将工艺开孔部件压入垃圾堆体的第一设备、将工艺开孔部件拉出垃圾堆体的第二设备、将井管下放并压入基孔的第三设备，以及其他的辅助设备，比如填充碎石的设备。第一~第三设备可以构造为同一设备，或者说基于复用而采用同一设备。
在实验的工程施工中，采用装载机作为第一~第三设备，利用装载机铲斗上的齿及齿槽，其中齿或者铲斗本身可以作为将例如工艺开孔部件压入的设备，齿槽则类似于起钉器中的V型槽，恰好能够钳住例如工艺开孔部件作动体，从而能够将工艺开孔部件拉出垃圾堆体。
采用一台挖掘机每天（按照8小时工作制）可完成30~40口集气井的施工，效率比管桩施工法要高很多，如果将来开发出专用的压入或者拉出的工艺设备，效率或许会有提高。
图1所示为工艺开孔部件的结构简图，实验用的工艺开孔设备为DN125（即英制五吋管，外径为140mm）镀锌钢管，整体长度为3米。图1中左端具有前导锥1，为在该端部分切除管壁后形成的多篇等腰三角形齿，折弯对合焊接所形成的锥头。前导锥1的长度为50cm。
在图1的右端焊接有一个盲板3，盲板3在图中是一个圆形板，其右端面为承压面，可以使用例如装载机的齿或者其他压力设备对其施加压力，而将工艺开孔部件压入垃圾堆体。
圆形板的直径大于工艺开孔部件的外径，在将其焊接在图1中的成孔管体2的右端时，使圆形板与成孔管体2大致保持同轴，如此一来，圆形板形成为图1中所示的盲板3，其具有凸缘，从而成型管体2可以被齿槽夹持，盲板3的凸缘部分支撑在形成齿槽的两个齿的上表面，就可以将工艺开孔部件拉出。
盲板3将成孔管体2封闭，避免有外物进入，一方面可以减少腐蚀性物质的进入，另一方面，整体重量不发生变化。
对于图2中所示的部件，可称为钢管井，在本发明的实施例中简称为井管，实验用井管采用DN100（即英制四吋管，外径为114mm）镀锌钢管制作，总长6~8米。图2中左端具有头锥4，制作方式同前导锥1，头锥4的长度为30cm。右端具有法兰9，以连接外排的管路***。
自法兰9向头锥4侧延伸两米处开进气孔7，形成开孔段6，开孔段6与法兰9间为后段，后段长度比垃圾填埋场的掩埋用土层厚度大。进气孔7孔径为12mm，进气孔7在井管管壁上环形排列，相邻进气孔7孔间距为10cm。上下相邻两排进气孔7在井管周向错开。
开孔段6与头锥4间还有一段前定位段5，该部分要压入垃圾堆体，不开孔，避免在将井管压入垃圾堆体的过程中有部分垃圾进入到井管内。
需要说明的是，上述的“实验用”的相关工艺设备和钢管井也可以应用在实际的工程施工中，而具备实际的工程施工价值。同样地，基于可替换性，如前述的装载机，其本质上是提供齿与齿槽，以及能够使齿和齿槽升降的设备，据此所产生的其他能够提供齿与齿槽或者同类结构的其他设备也能够应用在钢管井施工中。
以工艺开孔部件为基础的工艺设备，利用垃圾堆体容易被挤压而成型出孔洞的属性，图1中所示的盲板3作为作动体，即外部施力设备直接作用于盲板3上。
需要说明的是，关于井管，其在垃圾堆体上应当尽可能处于竖直状态，以方便配管，相应地，在工艺开孔部件在开孔初期可以有由他工件设备进行辅助，也可以由人员进行辅助，如前所述，实验用的工艺开孔部件自身长度可达3米，一旦有部分进入例如素涂层，则其竖直的状态基本可以保持，然后再施加向下的压力，就可以逐渐的将其压入垃圾堆体。
所施加的压力并不必然是正压力，少些的附加载荷不足以使工艺开孔部件倾倒。
在实验初期，全部使用装载机的铲齿将工艺开孔部件压入垃圾堆体。如图1所示的工艺开孔部件其主体部分是图中所示的成孔管体2，整体上是圆柱体或者圆管，不过由于其需要具备一定的刚度和耐腐蚀性，在前文中指出采用镀锌钢管制作，管体结构满足具备一定的刚度的条件下，其整体重量并不大，方便操作。
具体操作时，可以人工选择开井位置，可以预先挖掘一个小坑，也可以不预先挖掘小坑，直接利用前导锥1成孔。
盲板3，如前所述，可以采用圆板，但不限于圆板，如前所述，采用大致呈V型的齿槽约束成孔管体2，形成齿槽的两个齿可以托持盲板3而把工艺成孔部件拉出。记盲板3承载压力的面为承压面，如图1中所示的右表面，而其左表面则用于承载压力，记为反推面。
对于井管，有以下几个方面的考虑，首先如图2所示，头锥4的底与井管的管体外径相同，与管桩施工法完全不同，管桩施工法要求头锥相对较大，在中国专利文献CN201496070U中有同样的要求，如此一来，其不可避免的要把锥形部件滞留在垃圾堆体内，同时构成锚固端，而无法再将井管回收。在本发明的实施例中，头锥4相对较小，不会构成锚固端，井管能够被顺利的回收。
需要说明的是，如前所述，实验用的井管长度为6~8米，采用挖掘的方式将其挖出代价太大，而通过外力直接拉出具有更好的实施性。
进一步地，为了获得环空，以填充碎石，管体的直径小于等于成孔圆柱（如图1中所示的成孔管体2）直径的五分之四。
进一步地，管体长度大于等于成孔圆柱长度的1.5倍，在此条件下，工艺成孔部件所成型基孔的深度要短于井管的长度，井管可以部分的自基孔孔底下行而***更深层的垃圾堆体中，可以在井管与基孔孔壁脱离接触的条件下保持竖直状态，以方便后期的操作。
具体地，所述填埋气导排集气井施工方法包括以下步骤：
1）在垃圾堆体选定的位置以前导锥1为工进头，在承压面处施加压力，将工艺开孔部件逐渐的压入垃圾堆体至余留第一长度在垃圾堆体外。
关于选定的位置，显然与当前的集气井选位完全相同，在此不再赘述。
预留第一长度在垃圾堆体外，其目的仅在于露出的部分需要满足例如铲齿从盲板3的下面入铲而能够将其拖拉出垃圾堆体。可以理解的是，如果工艺开孔部件相对较长，第一长度也可以相对较长，更方面没有经验的操作人员进行操作。
同时可以理解的是，由于工艺开孔部件比井管短，换言之能够满足井管施工的设备必然也能够满足工艺开孔部件的施工，因此，第一长度可以相对较长，从而留出更大的操作空间。
进而，步骤2），对反推面施加拉力，将工艺开孔部件拉出垃圾堆体，从而在选定的位置形成基孔，该拉力与所述压力方向相反。
表面层通常是素土层，基孔的形态保持比较稳定，向下超越素土层就是垃圾，尽管形态保持度相对较差，不过毕竟是受到上层叠压，垃圾也并非完全的松散状态，基孔在垃圾中的形态可以在较短的时间内保持较好。
在例如中国专利文献CN201496070U中，其锥形挤压头相对于井管要粗很多，锥形挤压头是锥形结构，适于成孔但无法对基孔塑形。在本发明的实施例中，成孔管体2在随前导锥1行进的过程中会对前导锥1所成孔塑形，从而可以保证所成基孔状态在较短的时间内保持较好的形状。
紧接着，步骤3），将井管下放入基孔直至头锥4与基孔孔底接触，对法兰9施加压力，将井管压入垃圾堆体直至井管余留第二长度在垃圾堆体外，井管与基孔间留有填充空间。
第二长度则是用于配管所需要的长度，在集气井施工中属于常规的参数，在此不再赘述。
所述填充空间即前文所述的环空，进而步骤4），向填充空间内填充碎石至距基孔孔口给定距离处，该给定距离确定出密封空间。
碎石也是当前集气井施工的常用粒度的碎石，在此也不再赘述。
关于密封空间的深度，则与素土层的厚度大致一致，并不要求完全一致，此类施工精度要求比较低。
碎石会提供较大的间隙，利于垃圾填埋气透入井管。同时碎石能够遮挡住垃圾，避免其糊死进气孔7。
进而，步骤5），向密封空间填土，压实。
在优选的实施例中，步骤3）中在下放井管前，需对井管封口。封口可以采用棉布包绕井管口部，即法兰9所在的一端，棉布包绕井管口部还能够避免法兰9与例如铲齿间擦撞所产生的火花。
此外，在密封空间填土压实后，可以直接在法兰安装集气设备，如异径三通一个，法兰两套，以及截止阀一个，安装完毕后，直接使用截止阀截止异径三通，而不必在提供专门的封堵设备封堵井口，这些设备都是集气设备，后期进行配管即可。
如前所述，井管和工艺开孔部件与相应的施力部件接触的部位覆盖有棉布或者其他的不容易与例如铁质擦撞产生电火花的材质，除棉布外，常用的还有例如石棉、塑料、橡胶等。
为了保证施工的质量，在一些实施例中还可以使用辅助工装，例如图1所示的定位组件，其在图中主要有两个组件，即图中所示的下组件D1和上组件D2，每一个组件都是由两个基本组件体构成，如图4所示的上组件D2，其可以自一个竖中剖面处剖分为两部分，然后对合可形成完整的上组件。
可以理解的是，定位组件主要用来辅助定位，因此，两个组件体间的对合可以是虚对合，即不产生直接连接而需要接合即可。
进而，关于下组件D1，记为第一工艺部件，其在图3中具有第一过孔13；在成孔时，将第一工艺部件放置在选定的位置，工艺开孔部件通过第一过孔13导入而进行成孔；受工艺精度要求不高的影响，第一过孔13的孔径比成孔管体2稍大即可，一般大5~25mm。
提供第二工艺部件，如图3和图4中的上组件D2，该第二工艺部件具有第二过孔11，且该第二工艺部件定位于第一工艺部件而使第二过孔11与第一过孔13保持同轴线。
相应地，在下管时，将第二工艺部件定位在第一工艺部件上，井管通过第二过孔下管，如此一来，井管与基孔能够保持相对较好的同轴度，从而使环空径向各处大致相同。
同样地，第二过孔11的孔径比井管的管体直径也稍大，一般大5~25mm即可，尽可能的避免运动干涉。
其中，第一工艺部件和第二工艺部件均为对开的两个分体，两个分体对合形成第二工艺部件，在井管下放到位后，方便撤除第一工艺部件和第二工艺部件。
在具体的施工中，取出工艺开孔部件过程中保持匀速，且取出速度小于等于0.5m/s，以避免取出工艺开孔部件过快导致基孔缩径。
进一步地，在工艺开孔部件的表面开工艺开孔部件轴向走向的泄气槽，从而在提拉工艺开孔部件的过程中，会有气体补入，有效的降低缩径产生的几率或者缩径的量。
关于井管，其在下放到位后应尽快封口，避免填埋气外泄。
优选地，管体长度为成孔圆柱长度的2.0~2.7倍；
管体外径为成孔圆柱外径的五分之四。
若所适用的垃圾填埋场继续填埋垃圾，则将井管以法兰9为牵拉头而将井管提出。
头锥的长度为前导锥长度的五分之三，锥度不同，方便快速定位。
Claims (9)
1.一种填埋气导排集气井施工方法，其特征在于，适配有工艺开孔部件和给定的井管；
其中，工艺开孔部件具有一成孔圆柱和位于成孔圆柱一端的前导锥，以及位于成孔圆柱另一端的作动体；前导锥的底与成孔圆柱的直径相同，而作动体具有承压面和反推面，承压面的承压方向为自作动体指向前导锥的方向，反推面的承压方向则与承压面相对；
井管则具有开有进气孔的管体和位于管体一端的头锥，以及位于管体另一端的管接法兰；头锥的底与管体的外径相同，且管体的直径小于等于成孔圆柱直径的五分之四，管体长度大于等于成孔圆柱长度的1.5倍；
所述填埋气导排集气井施工方法包括以下步骤：
1）在垃圾堆体选定的位置以前导锥为工进头，在承压面处施加压力，将工艺开孔部件逐渐的压入垃圾堆体至余留第一长度在垃圾堆体外；
2）对反推面施加拉力，将工艺开孔部件拉出垃圾堆体，形成基孔，该拉力与所述压力方向相反；
3）将井管下放入基孔直至头锥与基孔孔底接触，对法兰施加压力，将井管压入垃圾堆体直至井管余留第二长度在垃圾堆体外，井管与基孔间留有填充空间；
4）向填充空间内填充碎石至距基孔孔口给定距离处，该给定距离确定出密封空间；
5）向密封空间填土，压实；
提供第一工艺部件，该工艺部件具有第一过孔；
在成孔时，将第一工艺部件放置在选定的位置，工艺开孔部件通过第一过孔导入而进行成孔；
提供第二工艺部件，该第二工艺部件具有第二过孔，且该第二工艺部件定位于第一工艺部件而使第二过孔与第一过孔保持同轴线；
在下管时，将第二工艺部件定位在第一工艺部件上，井管通过第二过孔下管；
其中，第一工艺部件与第二工艺部件均为对开的两个分体，两个分体对合形成第二工艺部件。
2.根据权利要求1所述的填埋气导排集气井施工方法，其特征在于，步骤3）中在下放井管前，需对井管封口。
3.根据权利要求1或2所述的填埋气导排集气井施工方法，其特征在于，井管和工艺开孔部件与相应的施力部件接触的部位覆盖有棉布，以避免产生电火花。
4.根据权利要求1所述的填埋气导排集气井施工方法，其特征在于，取出工艺开孔部件过程中保持匀速，且取出速度小于等于0.5m/s。
5.根据权利要求4所述的填埋气导排集气井施工方法，其特征在于，在工艺开孔部件的表面开工艺开孔部件轴向走向的泄气槽。
6.根据权利要求1所述的填埋气导排集气井施工方法，其特征在于，井管下放到位后封口，避免填埋气外泄。
7.根据权利要求1所述的填埋气导排集气井施工方法，其特征在于，管体长度为成孔圆柱长度的2.0~2.7倍；
管体外径为成孔圆柱外径的五分之四。
8.根据权利要求1所述的填埋气导排集气井施工方法，其特征在于，若所适用的垃圾填埋场继续填埋垃圾，则将井管以法兰为牵拉头而将井管提出。
9.根据权利要求1所述的填埋气导排集气井施工方法，其特征在于，头锥的长度为前导锥长度的五分之三。
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