含水軟巖馬頭門穿越凍結壁技術要點研究

李俊鴻 李 林 季蘭明

(1.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 014316；2.天地科技股份有限公司建井研究院，北京 100013； 3.杭錦旗西部能源開發有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 014316)

含水軟巖馬頭門穿越凍結壁技術要點研究

李俊鴻1李 林2季蘭明3

(1.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 014316；
2.天地科技股份有限公司建井研究院，北京 100013； 3.杭錦旗西部能源開發有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 014316)

以紅慶梁馬頭門穿越凍結壁施工為例，介紹了掘進過程中防止破壞凍結管需采取的措施，對凍結管內鹽水的安全泄出及排放措施、凍結管的截斷、加固、封堵等技術進行了詳細闡述，以達到良好的施工效果。

凍結管，掘進，含水軟巖，措施

1 概述

馬頭門是立井與平巷連接的豎井底部的支護建筑，古代礦井中多采用4根豎立著的圓木或方木用榫卯法穿越兩副平放的方形框架而構成的立方形框架建筑。現代礦井馬頭門多采用砌塊砌筑或采用鋼筋混凝土澆筑。西部井筒穿越地層多為軟弱巖石，表土覆蓋層較薄。巖石遇水后強度下降較大，甚至完全喪失強度。對于西部井筒穿越含水軟弱地層，當前采用的主要方法為人工凍結法。人工凍結法是采用人工制冷的方法，將待開挖地下空間周圍的土體中的水凍結為冰并與土體膠結在一起，形成一個按照設計輪廓的凍土墻或密閉的凍土體，用以抵抗土壓力，隔絕地下水，并在凍土墻的保護下，進行地下工程施工的一種巖土特殊施工方法，常用于豎井工程。當前礦山井筒建設中采用的人工凍結法主要選取氨為制冷劑、氯化鈣溶液為冷媒劑，實現井筒所在位置巖土體的人工凍結。而紅慶梁煤礦風井馬頭門底板標高970.45 m。位于凍結段內。因而需要解決馬頭門穿越凍結壁的施工工藝問題。特別是紅慶梁礦馬頭門所處地層為灰綠色粉砂巖，遇水后強度喪失。如何在保證馬頭門圍巖穩定和快速安全施工的前提下，順利完成凍結管截斷、鹽水排放及馬頭門掘砌是紅慶梁礦風井馬頭門施工能否安全快速的關鍵。依多年周邊相近地層類似工程施工經驗綜合分析，認為紅慶梁馬頭門穿越凍結壁施工工藝主要應包括以下幾部分內容：1)掘進過程中防止破壞凍結管措施；2)凍結管內鹽水的安全泄出及排放措施；3)凍結管截斷；4)凍結管加固；5)截斷凍結管與圍巖間空隙的有效封堵[1-10]。

2 技術要點分析

2.1 掘進過程中防止破壞凍結管措施

馬頭門掘進如采用機械進行掘進，因機械掘進頭硬度大，無法及時將前端巖層阻力情況傳遞給操作人員，容易在掘進過程中對凍結管造成破壞，致使凍結管內鹽水泄漏至掘進面。井底圍巖浸水，造成三方面的不利影響：1)大量鹽水滲入凍結壁巖體，使巖體溫度快速回升，凍結壁局部快速解凍，引發淹井事故；2)大量鹽水滲入凍結壁巖體，因工作面處軟巖遇水后強度完全喪失，形成泥漿，造成工作面泥濘，影響施工進度和設備安全；3)凍結管內低溫鹽水溫度為-25 ℃～-30 ℃，泄漏會造成作業人員凍傷，直接接觸皮膚可造成嚴重凍害，威脅人員安全。

為避免出現上述情況，馬頭門掘進至凍結管布置圈徑所在位置前3 m時，應停止采用機械掘進，改用人工風鎬掘進。掘進過程中發現風鎬阻力或觸感異常時，應減緩掘進速度，直至將馬頭門施工范圍內凍結管完全揭露出來后，再恢復正常掘進速度。

2.2 凍結管內鹽水的安全泄出及排放措施

凍結管內鹽水比重大，溫度低，液柱高，壓強大等不利因素造成凍結管內鹽水的安全泄出存在一定危險性。經分析比較，擬定凍結管內采用壓氣排水的方法與下部割孔卸壓相結合，解決了底部鹽水無法排出的問題，另一方面通過該方案將上部液柱排出后，有效縮短了液柱高度，減小了底部凍結器割管時管內液柱壓力，同時縮短了排水時間。經施工驗證，采用的施工方案安全省時，僅用時3 h就完成了凍結管的割孔排水工作，且鹽水集排措施合理，未造成工作面巖體浸水軟化。為馬頭門安全快速穿越凍結壁創造了有利條件。

2.3 凍結管截斷

馬頭門穿越凍結壁處揭露的凍結管在完成管內鹽水的卸壓排放后，在凍結管周圍拱頂圍巖上安設三根錨桿，并成三角形布設。將由φ18鋼筋加工成的圓環雙面滿焊于每根錨桿端部，并在圓環上掛設5 t倒鏈，倒鏈另一端與準備截斷的凍結管可靠拉結。以便對凍結管進行臨時固定，防止截斷凍結管時，凍結管因突然喪失底部支撐而下滑，對施工構成不安全因素。每根凍結管必須先采用倒鏈進行可靠拉結后，方可進行截斷。揭露凍結管上部截斷時必須搭設臨時作業平臺，不得站在裝載機鏟斗內進行割管作業。凍結管截斷處應保證割口平直，底端割口應低于設計底板標高5 cm以內，并采用厚度不小于5 mm的鋼板滿焊封閉。頂部割口應采用同樣標準焊接封堵。圖1為截斷凍結管底部割口。

2.4 凍結管加固

對頂部加固，采用邊長400 mm×400 mm×10 mm的鋼板，中心割φ140 mm的孔，將鋼板套于地溝槽內截斷凍結管上部，鋼板上表面距凍結管上口距離不小于20 mm，將鋼板與凍結管單面滿焊。每側采用2根φ20@80鋼筋將各孔鋼板連接為整體，鋼筋與鋼板進行搭焊，圖2，圖3分別為焊接的剖面圖和平面圖。

對底部加固，首先需對割除的凍結管管頭用悶板進行封堵，需滿焊三道，以保證凍結管內充填時不滲漏。在割除的凍結管兩側采用2根錨桿進行加固，用一塊500 mm×500 mm×10 mm的鋼板套在凍結管上，并進行滿焊，將錨桿固定在鋼板上。在凍結管管頭部位采用一塊300 mm×300 mm鋼板拖在底部，用4根φ22鋼筋與500 mm×500 mm鋼板相連，連接處需對鋼筋打坡并滿焊。如果凍結管底部布設壓力盒，可將300 mm×300 mm鋼板置于壓力盒底部，見圖4，圖5。

由于側墻處凍結管未進行割除，為防止因環形空間導水造成凍結管位移，需對未割除凍結管進行加固處理。在馬頭門側墻與拱交接的肩部及側墻中下部位置，每處施工兩根錨桿，并采用管卡卡在凍結管上，將管卡用螺栓壓緊，然后將管卡滿焊在凍結管上，然后將管卡與錨桿采用φ22的鋼筋焊接加固，見圖6，圖7。

2.5 截斷凍結管與圍巖間空隙的有效封堵

對于截斷凍結管與圍巖間空隙的封堵措施，當前有效地封堵措施是在馬頭門鋼筋混凝土結構澆筑完成，產生強度后進行壁后注漿充填。所以當施工完成后，可采用臨時措施先行封堵。待混凝土結構澆筑時預埋注漿管至截斷凍結管底部。在后續的馬頭門頂板注漿中，應針對該部位進行專門注漿，且應采用在整個施工期間分次注漿。注漿采用少量、多次的原則。保證封水效果。

3 結語

西部豎井建設遇到地下水富存較豐富的地層需穿越時主要采用凍結法。由于軟巖地層遇水后強度下降明顯，故近年來設計的礦井馬頭門多穿越凍結壁。而穿越凍結壁技術仍欠完善，對整個工序的技術要點缺乏分析和總結。文章通過對紅慶梁煤礦施工過程進行總結，從掘進過程中防止破壞凍結管措施、凍結管內鹽水的安全泄出及排放措施、凍結管截斷及加固、截斷凍結管與圍巖間空隙的有效封堵幾方面對該工序的技術要點進行了分析總結，為今后相似工程施工提供可靠參考。

[1] 陳 強.西部地區全深凍結井筒馬頭門破壞機理及修復加固設計研究[D].淮南：安徽理工大學，2013.

[2] 吳龍山.井筒馬頭門處凍結管周圍環形空間處理方法研究[J].山東煤炭科技，2012(4)：43-46.

[3] 潘貴峰.凍結孔安全穿過馬頭門或硐室施工工藝研究[J].硅谷，2014，40(12)：14-16.

[4] 蔡 堃.凍結井筒馬頭門施工技術[J].河南科技，2014(9)：8-11.

[5] 代婧瑜，李 林.凍結造孔施工技術要點[J].山西建筑，2014，40(8)：22-24.

[6] 佟 強，楊廣詳，孫德林，等.凍結立井壁后出水分析及處理[J].建井技術，2014(10)：3-5.

[7] 劉陽軍，程志彬，張步俊，等.新莊煤礦副井大流速含水巖層凍結及已建成井壁保護技術[J].建井技術，2014(10)：15-17.

[8] 沈華軍.立井沖積層含水層下伏煤層凍結施工技術[J].建井技術，2014(12)：26-28.

[9] 高崗榮.伊犁1號井礫石層凍結窗口注漿處理[J].建井技術，2014(12)：17-19.

[10] 翟所國，張學如.高壓力大流速富水軟巖地層凍結技術[J].建井技術，2014(12)：32-34.

Research of technical points on the cross of horsehead and freezing wall in water-bearing soft rock

Li Junhong1Li Lin2Ji Lanming3

(1.OrdosHaohuaHongqingliangMiningIndustryCo.,Ltd,Ordos014316,China; 2.InstituteofMineConstructionTiandiScienceandTechnologyCo.,Ltd,Beijing100013,China; 3.HangjinBannerWesternEnergyDevelopmentCo.,Ltd,Ordos014316,China)

Taking the construction of Hongqingliang horse-head gate through the freezing walls as the example, the paper introduces the measures to prevent the freezing pipe from be damaged in the jacking process, and illustrates some techniques, including the safe emission and discharge of salty water in freezing pipes, disconnection of the freezing pipes, the consolidation, and the plugging, so as to achieve the expected construction effect.

freezing pipe, jacking, water containing soft rock, measure

2015-08-23

李俊鴻(1970- )，男，高級工程師； 李 林(1987- )，男，工程師; 季蘭明(1989- )，男

1009-6825(2015)31-0096-02

TD350

A