潘一礦東井第二副井井筒安全高效凍結技術

王洪濤

摘 要：凍結法施工在煤礦立井掘進工程中有著廣泛的應用，主要是改善表土段水文地質條件，并形成具有一定強度的凍土帷幕，為施工創造有利條件。如何實現安全、高效、快速凍結，是一個值得研究的課題。本文總結了潘一礦東井第二副井筒快速凍結工程的實施過程，為同類礦井立井凍結法施工提供借鑒。

關鍵詞：大管徑；大流量；凍結壁；差異凍結

中圖分類號： TD352 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）21-189-2

1 工程概況

潘一東區礦井位于安徽省淮南市潘集區，設計規模3.0Mt/a，礦井于2008年7月1日正式開工。該礦井在工業廣場內布置有主井、副井、第二副井、風井四個井筒。二副井井筒設計井口設計標高+23.2m，凈徑Ф8.6m，井深1034.2m，井筒凍結段深度270m，基巖段深度764.2m，井筒地面預注漿深度為1045.2m。

2 凍結設計

根據檢查孔資料顯示，而副井井筒穿過地層為新生界沖積層和二疊系石盒子組含煤地層。根據地質檢查孔柱狀報告，第二副井穿過新生界沖積層厚度203.6m，地層以砂質粘土、粘土和中細砂為主。粘土層總厚度125.45m，其中單層最大厚度45.75m，砂層總厚度78.15m。根據勘探資料，沖積層上部含水組以大氣降水和地表水下滲補給為主，水位19.09m～20.23m，滲透系數3.656～6.219m/d，單位涌水量0.978～1.74L/s·m，富水性中等到強，故表土段采用凍結法施工。

二副井井筒采用主、輔雙圈差異凍結方式凍結。以外圈孔作為凍結壁形成的主凍結孔，采用差異凍結方式，深孔穩入基巖第一含水層地板以下，淺孔達風化帶底界；內圈輔助孔深入到沖積層底部，起上部防片幫、下部加強凍結的作用。綜合新生界沖積層厚度和風化基巖厚度，考慮基巖第一含水層預計涌水量大（預計涌水量241.25m3/h～264.18m3/h），故將基巖第一含水層納入凍結范圍（此段已進行地面預注漿處理），確定第二副井凍結深度為276m。深孔穩入基巖第一含水層底板以下，淺孔達風化帶底界以下，輔助孔深入到沖積層底部以下。

2.1 凍結指導思想

凍結法施工首先考慮的是井筒掘砌安全問題，其次要實現上部片幫量少、下部少挖凍土，提高綜合成井速度。故在保證凍結壁強度、厚度的技術原則下，實現井筒施工綜合經濟效益最大化的目標。具體要求為：

①凍結壁形成要快，并能盡快達到設計強度，滿足快速掘砌的要求；

②提高對鉆孔質量要求，嚴格控制凍結孔間距、鉆孔偏斜及輔助孔徑向內偏值；

③加快掘砌速度，控制凍結壁裸露時間，減小徑向位移，使凍結管處于凍結壁的彈性變形區域內，防止凍結管斷裂，確保安全；

④在確保井筒掘砌安全的前提下，減少凍土擴入荒徑量，保證凍結段安全快速掘砌。

2.2 凍結方案設計要點

2.2.1 鹽水溫度

根據近兩年淮南礦區井筒凍結經驗，采用低溫、大流量鹽水的凍結方法，保證鹽水溫度可達-32℃以下。鹽水系統分階段降溫，凍結交圈前鹽水溫度在-28～-30℃，井筒試挖階段達-32℃以下，開挖到沖積層掘進結束前保持在-30～-32℃之間，掘砌通過沖積層后鹽水溫度保持在-25℃左右。

2.2.2 凍結壁厚度計算

目前國內凍結井普片采用以砂性土為控制地層采用多姆克公式計算凍結壁厚度。結合在淮南地區凍結的成功經驗，考慮潘一東礦區第二副井井筒特征和地址情況，在應用上述設計計算的基礎上，結合近幾年凍結鑿井經驗對設計參數進行適當優化調整來計算凍結壁厚度。按多姆克公式計算

式中：E為按強度條件計算的凍結壁厚度（m）；R為凍結壁設計控制層處的井筒掘進半徑（m）；P為設計水平的地壓（Mpa）；K為砂性土層的凍土計算強度（Mpa）。

綜合考慮凍土為重塑土、土體含水量等因素影響，結合井徑大小，確定第二副井凍結壁厚度設計為4.1m。

2.2.3 凍結孔布置設計

凍結孔布置圈徑取決于凍結井筒的掘進直徑、凍結壁厚度、凍結深度及鉆孔允許偏斜率。

2.2.4 觀測孔布置

凍結帷幕內布置水文孔3個，布在距井心1.5m處，避開吊桶位置，W1深度為48m、W2深度為72m、W3深度為188m。分別報導主要含水層水位。

水位觀測采用人工觀測。測溫孔溫度觀測采用一線總線制測溫系統。根據每天測溫情況，分析凍結壁發展情況。二副井凍結布置測溫孔4個，T1深度為276m、T2深度為205m、T3深度為205m、T4深度為276m；T1布置在外圈水流上方，T2布置在內圈孔最大間距處，T3布置在內圈孔水流上方兩孔中間，T4布置在外圈孔水流下方。

2.2.5 凍結造孔

凍結造孔質量直接影響凍結工程工期，否能安全、高效、快速凍結，對造孔的質量有嚴格的要求，潘一礦東井對井筒凍結造孔質量要求為：所有鉆孔徑向偏斜值不得超過300mm；表土層偏率不大于0.2‰，最大孔底距不大于1.6m；基巖段偏率不大于0.3‰，相鄰兩深孔最大孔底距不超過3.5m。

2.3 凍結制冷設計

凍結站采用高效螺桿壓縮機組，裝機制冷量大于設計需冷量的4倍以上。二副井制冷設備選擇4臺LG25型低壓冷凍機、1臺LG20型低壓冷凍機及2臺LG25型高壓冷凍機，最終確定二副井需冷量、裝機能力見表1。

2.4 鹽水系統設計

經過對近兩年兩淮地區井筒凍結鹽水流量的比照和鹽水循環流態的計算，確定二副井凍結主孔鹽水流量：單孔12～16m3/h，防片加強孔鹽水流量：單孔12～16m3/h。

3 凍結效果

W1孔于送冷第52天冒水，W2孔于送冷第40天冒水，W3孔于送冷第49天冒水。通過對3個水文孔涌水量進行實測，顯示報導層位涌水量與實測水量基本吻合，說明凍結壁已形成并交圈。根據水文孔冒水量、凍結測溫孔監測情況及試挖時凍結壁實際擴展情況，確認凍結壁強度、厚度均達到設計要求后，井筒于凍結第54天試挖。

經4天時間試挖30m，凍結壁發展良好，此時井幫平均溫度+2℃。由于施工速度快，井筒在垂深80m后井幫溫度達0℃，向下凍土進幫，在188m砂層處凍土最大進井幫700mm。203.6m表土僅用25天施工完畢，且首月創下淮南礦區表土段單月成井196m的最高記錄。

井筒開挖過程中根據凍結情況，及時調整凍結冷量，輔助孔于5月8日關閉（孔深204m ），短孔于5月16日關閉（孔深223m）。至5月7日止井筒凍結表土段開挖結束，沒有發生片幫現象。至凍結表土段施工完畢時，井幫溫度達-7℃，開挖過程中無斷管、無井壁壓壞、無漏水，井筒一次性順利通過凍結段。

4 結束語

通過該工程的施工，取得了凍結深厚粘土層大型礦井施工的寶貴經驗，對今后淮南礦區及類似地層的井筒施工極有借鑒之處：

①從第二副井井筒凍結施工結果來看，采用主、輔雙圈凍結孔強化凍結，特別是將內圈輔助孔間距縮小至2.513m、兩排孔間距1.6m的情況下，凍結交圈時間短，形成凍結壁強度大，開挖時井筒上部不片幫，整個凍結壁穩定，有效的防止了凍結管的斷裂，保證了井筒的連續施工，達到安全、快速鑿井的目的。

②凍結站采用氨螺桿壓縮機組，裝機制冷量高于井筒需冷量4倍以上，保證了凍結壁形成快、高強高，可為今后凍結井筒的設備配置選型提供有效指導。

③采用雙圈孔快速強化凍結工藝，每臺機組都組成獨立系統，可根據井筒開挖時凍結效果，隨時在凍結過程中關閉部分制冷機組，合理控制凍結孔的冷量供給，保證凍結壁的強度，控制凍土進荒徑距離，提高開挖工效。

④鹽水循環將主、輔孔鹽水分流形成兩路鹽水循環系統，保證了凍結孔內冷量均勻分配。

參 考 文 獻

[1] 崔云龍.簡明建井工程手冊（下冊）[M].北京：煤炭工業出版社，2003.

[2] 周興旺，程樺等.全國礦山建設學術會議論文選集[J].合肥：合肥工業大學出版社，2008.