恒源煤礦改建工程井筒凍結壁設計創新及施工實踐

吳康寧，宋亞楠

（1.中煤礦山建設集團有限責任公司，安徽合肥230601；2.煤礦深井建設技術國家工程實驗室<淮北>，安徽淮北235044）

恒源煤礦改建工程井筒凍結壁設計創新及施工實踐

吳康寧*1，2，宋亞楠1,2

（1.中煤礦山建設集團有限責任公司，安徽合肥230601；2.煤礦深井建設技術國家工程實驗室<淮北>，安徽淮北235044）

介紹了恒源煤礦改建工程中的北風井、北副井井筒凍結工程凍結壁設計的創新，改變了以往設計中一個井筒設計一個凍結壁的模式，在充分分析工程地質水文等資料的前提下，采用了一種新的凍結壁設計理念和方法，即在一個井筒上、下部位設置2個控制層位，設計出上、下2個凍結壁。通過凍結工程施工實踐證明該設計安全可靠，經濟合理，具有良好的綜合效益和社會效益，為今后立井井筒凍結壁設計及凍結施工積累了經驗。

井筒；凍結法鑿井；凍結壁設計；創新；控制層位

1　工程概況

恒源煤礦改建工程是皖北煤電集團恒源煤礦為保持和提高原煤產量而建設的接替性工程，位于安徽省濉溪縣劉橋鎮境內。改建工程主要有北風井、北副井兩個井筒及附屬配套工程組成，兩井筒均立井開拓，采用凍結法施工。

由北副井檢查孔資料，第四系—第三系松散層的厚度厚182.2m，地層較穩定，根據揭露的松散層巖性特征結合區內地層對比，從上至下可劃分為3個含水層（組）和3個隔水層（組）。第一含水層（組）（Ⅰ含）由地表向下底板埋深24.6m。該組地層主要由灰色粉砂、砂質粘土組成，屬潛水—弱承壓水，該層富水性良好。第一隔水層（組）（Ⅰ隔）底板埋深73.55m。主要由紫褐色、淺灰黃等雜色粘土、砂質粘土組成。該層段粘土厚度較大，可塑性較好，能起到較好的隔水作用。第二含水層（組）（Ⅱ含）底板埋深107.45m，主要為灰、淺灰綠色中厚粉砂，含水層富水性較好，屬承壓水。第二隔水層（組）（Ⅱ隔）底板埋深125.35m，主要由褐黃色、淺灰色粉砂和砂質粘土夾粘土組成，可塑性較好，具有隔水作用。第三含水層（組）（Ⅲ含）底板埋深169.95m，主要以灰黃、灰綠色中厚—厚層粉砂為主，底部為細砂，次圓狀，分選中等，砂層富水性中等—較強。第三隔水層（組）（Ⅲ隔）底板埋深182.45m，主要由灰黃、灰綠、中—厚層粘土層、砂質粘土組成，間夾薄層粉砂，粘土厚度較大，可塑性好，隔水性能好，從而有效地阻止了上部含水層與下部含水層之間的聯系。

地質特征主要表現在淺部主要為粘土及粉砂、砂質粘土層，粘土層具可塑性，局部夾細砂層段，未發現淤泥等軟弱地層，中下部多為硬塑粘土及密實層。松散層均屬中等壓縮性—低壓縮性土層，承載力較高。該區松散層工程地質條件較好。

2　凍結壁設計

2.1凍結壁設計基本參數

招標文件已確定的北風井、北副井井筒凈直徑分別為6.0m、7.0m，最大掘進荒直徑8.3m、9.5m。根據北風井、北副井井筒井壁結構圖、井筒地質資料及凍結規范要求，確定北風井凍結深度為315m，北副井凍結深度為316m。凍結鹽水溫度ty=-25℃～-30℃（積極凍結期）。

2.2控制層位與凍土抗壓強度

凍土控制層位及平均溫度的選取為上部控制層埋深89.85m粘土層；下部控制層埋深182.2m粘土層。設計凍結壁平均溫度為埋深89.85m粘土層-7℃；埋深182.2m粘土層-10℃。

凍土按《安徽恒源煤電股份有限責任公司恒源煤礦改建工程井筒檢查孔凍土物理力學性能實驗報告》綜合選取。上部控制層埋深89.85m粘土層σu-7℃= 2.432MPa。下部控制層埋深182.2m粘土層σu-10℃=3.17MPa。

以前采用30s±5s破壞控制式加載方式下立方體試樣瞬時無側限抗壓強度σuf大于或等于恒應變速率下圓柱體試樣瞬時無側限抗壓強度σu的2倍，為安全起見，σuf取σu的1.9倍。即σuf-7℃=4.62MPa，σuf-10℃=6.02MPa。安全系數m=2.0，埋深89.85m粘土層長時抗壓強度σt-7℃=2.31MPa，埋深182.2m粘土層長時抗壓強度σt-10℃=3.01MPa。

2.3凍結壁厚度計算

凍結壁厚度及強度的大小直接影響井筒掘砌的安全，同時也是其他凍結參數設計的基礎。凍結壁厚度通過解析計算并結合類似工程施工經驗綜合確定，由《煤礦凍結法開鑿立井工程技術規范》中強度公式計算凍結壁厚度。

（1）上部控制層埋深89.85m粘土層凍結壁厚度計算：凍土強度的選取σt-7℃=2.31MPa；固約系數的選取ξ=0.1［1］；掘進段高h=2.5m；安全系數的選取k北風=1.0，k北副=1.1。計算出凍結壁厚度為：E北風=1.97m，E北副= 2.17m。

（2）下部控制層埋深182.2m粘土層凍結壁厚度計算：凍土強度的選取σuf-10℃=3.01MPa；固約系數的選取ξ=0.1［1］；掘進段高h=2.5m；安全系數的選取k北風=1.0，k北副=1.1。計算出凍結壁厚度為：E北風=3.07m，E北副= 3.37m。

根據計算結果，綜合考慮井筒開挖荒徑的大小，開挖前凍結時間要求及開挖速度要求，并結合同類工程的施工經驗及該地區工程類比和本工程特點，確定凍結壁厚度為北副風、北風井凍結壁厚度：上部控制層E北風=2.0m，E北副=2.2m；下部控制層E北風=3.1m，E北副= 3.4m。

2.4凍結壁平均溫度校核

按成冰公式［2］計算凍結壁平均溫度。

式中：tc——凍結壁有效厚度的平均溫度，℃；

tb——鹽水溫度，取-30℃；

l——凍結孔間距，取上部控制層1.5m，下部控制層1.8m；

E——凍結壁有效厚度，取上部控制層E北風= 2.0m，E北副=2.2m；下部控制層E北風=3.1m，E北副=3.4m；

tn——井幫凍土溫度，取上部控制層-3℃，下部控制層-6℃。

經計算得出北風井上部凍結壁平均溫度tc=-8.4℃，下部凍結壁平均溫度tc=-10.0℃；北副井上部凍結壁凍結壁平均溫度tc=-8.7℃，下部凍結壁凍結壁平均溫度tc=-10.2℃。均符合設計要求。

3　凍結施工

3.1凍結孔布置

根據凍結壁設計參數，結合凍結壁厚度、掘進荒徑以及掘進速度要求，結合井筒凍結施工經驗，綜合確定凍結孔布置圈直徑、開孔間距、凍結深度及凍結方式，以滿足凍結壁厚度及平均溫度的要求。北風井、北副井凍結孔設計采用長短腿插花均勻布置的凍結方式［3-4］。北風井長腿凍結深度315m，北副井長腿凍結深度316m，兩井短腿凍結深度均穿過強風化帶進入穩定基巖，另布置測溫孔3個，水文孔3個，其技術參數如表1所示。

表1　凍結孔布置參數表

3.2開機運轉與掘砌施工

北風井于2012年3月22日開機凍結，設計要求井筒試挖前凍結42d。該井筒水文孔二含（105m）于4月22日冒水，三含（155m）于4月23日冒水，一含（56m）經測溫資料分析已經交圈（一含水文孔在施工過程中可能產生堵孔現象，但井筒鎖口內已于4月16日出水，且水位持續增長到4月22日，期間沒有雨水天氣，井筒內水位至4月28日仍沒有減少），通過資料分析表明182m以上凍結壁已經形成并交圈。

北風井井筒凍結壁交圈以后，在5月3日施工臨時鎖口，在試挖過程中出現少量片幫現象，通過對凍結資料分析，凍土的發展滿足凍結壁的強度和厚度要求，出現少量片幫屬正常現象。5月20日正式開挖，6月21日掘砌至182.2m表土段施工完畢，8月8日掘砌至307m凍結段施工完畢，8月11日完成壁座施工并開始進行套壁工作，9月3日套壁結束，北風井凍結工程圓滿成功。凍結資料的準確分析給掘砌單位創造了良好的施工環境，在掘砌期間既沒有挖凍土，又滿足正常的施工需要，創造了月成井150m的好成績。

北副井于2012年4月26日開機凍結，設計要求井筒試挖前凍結42d。水文孔一含（23m）于年5月27日冒水，二含（105m）于6月1日冒水，三含（160m）于6月10日冒水，3個水文孔的順利冒水，表明該井筒表土層凍結壁已形成并交圈，通過資料分析也表明182m以上凍結壁已經形成并交圈。

北副井于6月9日施工臨時鎖口，在試挖過程中出現大量片幫現象，采取了強化凍結措施后予以解決。6 月28日井筒正式開挖，8月5日掘砌至182.2m表土段施工完畢，9月13日掘砌至308m凍結段施工完畢。9 月15日完成壁座施工，10月10日套壁工作結束，北副井凍結工程安全順利結束，凍結站于10月18日關機停止運轉。

3.3凍結實施情況

本工程凍結孔采用的是插花布置，孔間距相對較大，基巖段尤為明顯，在掘進至基巖段井幫溫度在0℃～-2℃之間，能夠滿足交圈要求。但在北副井掘砌過程中井筒外壁混凝土水化熱較大，凍結壁比較薄弱，而且200m左右處地質條件比較復雜，造成基巖段220m處出現少量滲水現象，為了確保套壁安全順利的進行，采取了強化凍結的方式，將鹽水溫度降到-30℃以下，效果顯著［5］。

為了有效掌握凍結壁的發展情況，預測工作面以下凍土擴展速度，了解凍結壁凍土的擴展或退縮情況，確保凍結壁各項參數在開挖到相應層位時達到設計要求。及時組織工程技術人員對井筒掘砌工作面對關凍結參數進行監測。通過對監測的鹽水總去回路溫度、測溫孔溫度以及井筒井幫溫度（表2）和井幫位移變化量來推算凍土的發展情況。以指導凍結站的開機配比，調配井筒供冷量來控制凍土進入井筒荒徑量，盡量不挖或少挖凍，為井筒的安全掘砌創造了良好的施工條件［6］。

表2　井筒井幫溫度實測記錄表

4　施工體會

（1）對凍結壁設計中的有關參數的選取，按隨機變量處理，用統計方法對現有資料進行分析和進行相關的試驗確定。

（2）在凍結造孔過程中，必須將凍結孔徑向偏斜值和凍結孔最大間距嚴格控制在設計允許范圍內，以確保凍結過程中凍結壁厚度、均勻性及穩定性。

（3）在掘砌期間應嚴格按設計和相關規范要求施工，并結合凍結監測資料及時調整掘砌段高和空幫暴露時間，以控制凍結壁變形量在允許范圍之內。

（4）由于基巖凍結所需凍結壁厚度較薄，在采用爆破法掘進時，要嚴格控制炮眼分布、深度及爆破裝藥量，以確保爆破施工的安全［7］，避免因凍結壁“開天窗”造成凍結施工失敗甚至淹井事故的發生。

5　結束語

凍結壁設計質量是關系到凍結工程成敗的重要因素，凍結壁厚度設計過大，則增加工程量，耗費大量費用；若凍結壁厚度設計過小，則可能導致事故的發生。按以前常規的凍結壁設計方法，即一個井筒設計一個凍結壁的模式，不僅增加了工程量，還造成很大的經濟浪費。恒源煤礦改建工程的北風井、北副井井筒凍結工程凍結壁設計采取一個井筒上、下部位確定了2個控制層位，設計出上、下兩個凍結壁。通過凍結施工實踐證明該設計不僅可以滿足工程施工的需要，同時節約了大量的施工成本，具有良好的經濟效益和社會效益。

［1］MT/T 1124-2011煤礦凍結法開鑿立井工程技術規范［S］.

［2］何挺秀，胡向東.凍土帷幕平均溫度“成冰”公式的適應性研究［J］.低溫建筑技術,2009,31（5）：79-81.

［3］吳康寧，宋亞楠，黃飛.祁南煤礦安全改建箕斗井工程凍結法施工技術［J］.安徽建筑工業學院學報：自然科學版,2013, 21（6）：34-37.

［4］崔云龍.簡明建井工程手冊［M］.北京：煤炭工業出版社，2003.

［5］吳康寧.錢營孜煤礦西風井凍結施工技術［J］.建井技術,2012, 33（5）：7-9.

［6］吳康寧.周油坊鐵礦1#措施井快速凍結施工分析與研究［J］.安徽理工大學學報：自然科學版,2010,30（2）：13-16.

［7］吳康寧.凍結法鑿井中的凍結管斷裂及其防治［J］.安徽水利水電職業技術學院學報,2010,10（2）：43-45.

TD265

B

1004-5716（2016）01-0171-04

2015-03-03

吳康寧（1983-），男（漢族），安徽青陽人，工程師、一級建造師、監理工程師，現從事施工項目管理及工程技術工作。