淺析巴拉素礦井井筒凍結(jié)工程設(shè)計(jì)與施工對策

崔學(xué)軍

摘 要：文章以陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司巴拉素礦井及選煤廠立井筒為例，簡要闡述采用凍結(jié)法立井井筒工程的施工方案，為后期該地區(qū)立井施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：立井；井筒；凍結(jié)；施工

中圖分類號：TD265.34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）14-0168-01

1 概 況

巴拉素井田地處榆林市以西直距約40 km，行政區(qū)劃隸屬陜西省榆林市榆陽區(qū)巴拉素鎮(zhèn)、補(bǔ)浪河鄉(xiāng)、紅石橋鄉(xiāng)等管轄，地處規(guī)劃的榆橫礦區(qū)（北區(qū)）的中西部。井田南北長約22.5 km，東西寬約13.4 km，總面積300.40 km2。井田內(nèi)7層可采煤層共求得探明的+控制的+推斷的資源量4 971.46 Mt，設(shè)計(jì)可采儲量2 622.73 Mt，礦井建設(shè)規(guī)模一期規(guī)模15.0 Mt/a，二期規(guī)模按30.0 Mt/a，服務(wù)年限為65 a。

2 凍結(jié)方案選取

根據(jù)井筒預(yù)想柱狀圖、地質(zhì)勘探報(bào)告及凍土試驗(yàn)報(bào)告等資料，結(jié)合井筒建設(shè)速度、經(jīng)濟(jì)型以及周邊礦井的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)等綜合考慮，選擇凍結(jié)設(shè)計(jì)方案。

2.1 立井筒非全深凍結(jié)方案

從井筒建設(shè)速度、經(jīng)濟(jì)型方面考慮，提出井筒非全深凍結(jié)施工方案。即：主、副、回風(fēng)立井均采用主排孔+防片幫孔凍結(jié)方式。主排孔凍結(jié)深度均穿過直羅組底板，進(jìn)入延安組上部，深度暫定為：主立井485 m、副立井457 m、回風(fēng)立井448 m（具體深度根據(jù)井壁結(jié)構(gòu)及建設(shè)單位要求確定）。但由于榆橫礦區(qū)地層涌水量較大，從巴拉素礦井井檢鉆報(bào)告得知，其安定組、直羅組及延安組段涌水量為153.75 m3/h，對礦井立井筒施工影響較大，借鑒臨近礦井的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，暫不考慮本方案。

2.2 立井筒全身凍結(jié)方案

全深凍結(jié)方案采用主排孔+防片幫孔凍結(jié)方式時(shí)，根據(jù)井筒凍結(jié)主排孔布置的深淺差異，分為全深凍結(jié)和全深差異兩種形式。

根據(jù)以上方案比較分析，見表1，巴拉素煤礦主、副、風(fēng)立井均采用全深差異凍結(jié)方案較宜，副立井可以采用全深凍結(jié)方案。

3 凍結(jié)壁設(shè)計(jì)

3.1 基本參數(shù)

①主立井井筒設(shè)計(jì)凈直徑φ9.6 m，最大掘進(jìn)荒直徑為14.0 m； 副立井井筒設(shè)計(jì)凈直徑φ10.5 m，最大掘進(jìn)荒直徑為14.8 m；回風(fēng)立井井筒設(shè)計(jì)凈直徑φ8.0 m，最大掘進(jìn)荒直徑為11.4 m。

②控制層位選取：由于礦井井筒中洛河組下部細(xì)砂巖含水大、抗壓強(qiáng)度相對較低、地質(zhì)條件相對較差，是凍結(jié)施工中需要重點(diǎn)控制的薄弱地層。所以凍結(jié)控制層均選取洛河組下部細(xì)砂巖層，在此層位設(shè)置水位孔，可直接為凍結(jié)壁形成交圈監(jiān)測提供依據(jù)。其埋深分別為：主立井為203 m，副立井為224 m，回風(fēng)立井為225 m。

③凍結(jié)壁平均溫度的選取：根據(jù)礦井凍土試驗(yàn)報(bào)告中凍結(jié)巖土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)可見，隨著溫度的降低，凍土強(qiáng)度值提高較大。

3.2 凍結(jié)參數(shù)選取

3.2.1 凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)

凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度是指井筒掘砌至設(shè)計(jì)控制層位時(shí)，此層位凍結(jié)壁需達(dá)到的最小有效厚度。

根據(jù)西部地區(qū)軟巖井筒凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)及巴拉素礦地質(zhì)、水文條件綜合考慮，設(shè)計(jì)采用有限長粘塑性體經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算凍結(jié)壁厚度。按《煤礦凍結(jié)法開鑿立井工程暫行技術(shù)規(guī)范》中強(qiáng)度公式計(jì)算凍結(jié)壁厚度：

E=■（1-？孜）■k

根據(jù)控制層位、凍土抗壓強(qiáng)度等綜合因素，凍結(jié)壁圍壓僅取水壓P=0.01H，固約系數(shù)ξ=0.2，掘砌段高h(yuǎn)=4.0，安全系數(shù)k主、副=1.3，k回風(fēng)=1.2，經(jīng)計(jì)算，凍結(jié)壁厚度為：

E主=■（1-？孜）■k

=1.732×（1-0.2） ×0.01×203/6.26×1.3=2.34；

E副=■（1-？孜）■k

=1.732×（1-0.2） ×0.01×224/6.19×1.3=2.61；

E回風(fēng)=■（1-？孜）■k

=1.732×（1-0.2） ×0.01×225/3.36×1.2=2.35。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，綜合考慮井筒開挖荒徑的大小，開挖前凍結(jié)時(shí)間要求及開挖速度要求，并結(jié)合近年來同類工程的施工經(jīng)驗(yàn)，確定凍結(jié)壁厚度如下：

E主=2.4 m，E副=2.7 m，E回風(fēng)=2.4 m

3.2.2 凍結(jié)孔布置

主凍結(jié)孔布置圈徑的確定，不僅與凍結(jié)鉆孔內(nèi)偏值、凍結(jié)壁厚度、開挖荒徑、井壁結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，而且要滿足放炮安全距離要求（放炮安全距離：凍結(jié)管距井幫≮1.2 m）。

3.2.3 主排孔開孔間距

根據(jù)《煤礦凍結(jié)法開鑿立井工程技術(shù)規(guī)范》MT/T 1124-2011

中5.6.2條，凍結(jié)深度>300時(shí)，取開孔間距1.20～1.35 m。當(dāng)采用全深差異凍結(jié)方案時(shí)，為保證淺孔以下孔間距，取小值（方案中中取1.204 m）；采用全深凍結(jié)方案時(shí)，取大值（可取1.35 m）。

3.2.4 測溫孔布置

測溫孔是根據(jù)凍結(jié)鉆孔施工后根據(jù)鉆孔偏斜圖確定孔位，一般測溫孔是定在最大相鄰孔間距的兩孔之間或者主凍結(jié)孔圈徑外側(cè)界面上。

4 凍結(jié)施工中的困難及對策

①凍結(jié)管與鉆孔環(huán)形空間充填。凍結(jié)壁解凍后，避免上部含水層涌水通過凍結(jié)管與鉆孔之間的環(huán)形空間導(dǎo)入井底。采用緩凝水泥置換專利技術(shù)進(jìn)行凍結(jié)管與鉆孔環(huán)形空間充填封堵。由于本區(qū)地層的特殊性，施工凍結(jié)孔所用的的泥漿需要加入廣譜護(hù)壁劑。

②鉆孔深度較深，基巖厚度大。凍結(jié)深度較深，鉆孔穿過基巖厚度大，保證鉆孔施工進(jìn)度和質(zhì)量存在一定難度。采用螺桿定向糾偏技術(shù)、提高陀螺儀的精度等手段，保證鉆孔質(zhì)量。選派具有深厚基巖鉆孔施工技術(shù)、熟悉本地區(qū)地層的施工隊(duì)伍，投入先進(jìn)的鉆探設(shè)備和鉆具，保證施工的進(jìn)度和質(zhì)量。

③部分凍結(jié)管穿過相關(guān)硐室，掘砌施工時(shí)如不加以有效處理，解凍后凍結(jié)管在自重作用下對硐室結(jié)構(gòu)極為不利。

開挖硐室時(shí)，在凍結(jié)管位置，應(yīng)向上多挖一定空間，作為后期注漿緩沖空間；

鋼板與凍結(jié)管和注漿管之間要焊接牢固且不得滲漏；

澆筑混凝土之前要將凍結(jié)管和注漿管底端封堵嚴(yán)密，防止?jié){液進(jìn)入；

待硐室混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值后，可通過凍結(jié)管通風(fēng)的方式強(qiáng)行解凍，然后通過注漿管進(jìn)行凍結(jié)管管外注漿。

④井筒凍結(jié)段原則上不宜施工錨桿，井筒基巖段采取放炮作業(yè)施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制掘砌段高在4 m以內(nèi)。

⑤加強(qiáng)凍結(jié)與掘砌的密切聯(lián)系與配合，使凍結(jié)與掘砌施工處于可控狀態(tài)。并強(qiáng)化凍結(jié)段內(nèi)的相關(guān)硐室的支護(hù)方式和支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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