高河煤礦鮑村風(fēng)井井筒凍結(jié)施工技術(shù)淺析

陳引鋒，孫加榮，馬長(zhǎng)玲，方迎輝

（1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng)712000；2.陜西省煤田地質(zhì)局一九四隊(duì)，陜西銅川727000）

高河煤礦鮑村風(fēng)井井筒凍結(jié)施工技術(shù)淺析

陳引鋒*1，孫加榮1，馬長(zhǎng)玲1，方迎輝2

（1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng)712000；2.陜西省煤田地質(zhì)局一九四隊(duì)，陜西銅川727000）

通過對(duì)高河煤礦鮑村風(fēng)井凍結(jié)工程條件的分析，在總結(jié)以前該礦區(qū)井筒凍結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了外孔+內(nèi)孔插花差異布置凍結(jié)方案，采用低溫大流量?jī)鼋Y(jié)的方式，及信息化監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)，來(lái)監(jiān)控凍結(jié)車間和隨時(shí)掌握凍土發(fā)展的情況，以保證井筒安全快速掘砌，為今后礦井建設(shè)安全生產(chǎn)積累了經(jīng)驗(yàn)。

立井；凍結(jié)孔；凍結(jié)施工技術(shù)

1 工程概況

1.1 礦井簡(jiǎn)介

高河井田位于長(zhǎng)治市以西約4km處，鮑村風(fēng)井工程為高河煤礦的接續(xù)工程，風(fēng)井位于礦井工業(yè)場(chǎng)地北部約2.0km的一處平地上,距鮑村約0.6km，場(chǎng)地地形平坦開闊。

鮑村風(fēng)井井筒，因其地質(zhì)條件復(fù)雜，采用普通法施工難以通過，為加快礦井建設(shè)速度，確定采用凍結(jié)法施工[1]。

1.2 井筒地質(zhì)特征分析

1.2.1 地層巖性

鮑村進(jìn)、回風(fēng)立井井筒檢查孔所揭露的地層，由新到老依次為：第四系、二疊系上統(tǒng)上石盒子組、二疊系下統(tǒng)下石盒子組、二疊系下統(tǒng)山西組與石炭系上統(tǒng)太原組（未完全揭穿）。

1.2.2 地質(zhì)特征

由井筒檢查孔資料得知，進(jìn)風(fēng)井揭露第四系厚度為211.76m，下部基巖厚度為299.71m；回風(fēng)井揭露第四系厚度為213.58m，下部基巖厚度為316.53m。

（1）第四系：其上部為砂質(zhì)粘土、風(fēng)成砂，屬軟弱層，強(qiáng)度低、遇水易變軟，為不良工程體，井筒施工中應(yīng)引起重視；底部為礫石層，松散，透水性強(qiáng)，一般不含水，在建井過程中易坍塌，施工中應(yīng)特別注意。

（2）風(fēng)化基巖段：從上到下可分為強(qiáng)風(fēng)化層、中等風(fēng)化層與弱風(fēng)化層。風(fēng)化層巖石多呈碎塊狀，用手可折斷或錘擊易碎，風(fēng)化裂隙發(fā)育。

（3）基巖段（不包括風(fēng)化基巖段）：巖性為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖。砂質(zhì)泥巖主要以石英長(zhǎng)石為主，巖石軟弱，遇水易軟化，易風(fēng)化，穩(wěn)定性或堅(jiān)固性差，是凍結(jié)的重點(diǎn)。

另外，沖積層較厚，提高鉆孔施工技術(shù)，確保鉆孔施工質(zhì)量是該工程的關(guān)鍵，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制，重點(diǎn)把握[2]。

1.3 井筒主要技術(shù)特征

表土及風(fēng)化基巖帶采用凍結(jié)法施工，外孔凍結(jié)深度均暫定為290m，內(nèi)孔凍結(jié)深度均暫定為220m，以凍結(jié)取芯孔確定最終凍結(jié)深度[2]。凍結(jié)段井壁厚度1150～1300mm，基巖段井壁厚度600mm。井筒設(shè)計(jì)參數(shù)具體見表1。

表1 井筒設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 凍結(jié)方案設(shè)計(jì)

2.1 凍結(jié)方式

為了保證凍結(jié)壁的有效厚度和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)井筒連續(xù)掘砌、順利開挖，凍結(jié)施工方案中凍結(jié)孔采用外孔加內(nèi)孔插花差異布置的方式[3]。

2.2 凍結(jié)技術(shù)參數(shù)的確定

根據(jù)高河煤礦鮑村進(jìn)、回風(fēng)立井井筒工程地質(zhì)條件，凍結(jié)參數(shù)確定如下：

（1）鹽水溫度：積極凍結(jié)期鹽水溫度為-28℃～-30℃，維護(hù)凍結(jié)期鹽水溫度為-22℃～-24℃。

（2）凍結(jié)壁厚度：為求得安全、合理的凍結(jié)壁，在總結(jié)高河煤礦小莊進(jìn)、回風(fēng)井等井筒凍結(jié)成功施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定采用有限段高強(qiáng)度極限狀態(tài)，按強(qiáng)度條件計(jì)算凍結(jié)壁厚度[4]，計(jì)算公式為E=31/2Ph/σs，計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見表2。

表2 凍結(jié)壁計(jì)算參數(shù)表

根據(jù)山西地區(qū)類似井筒凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)、回風(fēng)立井凍結(jié)壁厚度均取3.60m。

（3）鉆孔布置設(shè)計(jì)：

①鉆孔偏斜控制：凍結(jié)孔采用靶域半徑和最大孔間距控制，0～150m靶域半徑不大于0.35m，150～290m靶域半徑不大于0.50m。凍結(jié)孔向內(nèi)偏斜不大于0.5m，測(cè)溫孔偏斜率不大于3‰[4]，不得打穿鄰近凍結(jié)孔，水文孔各水平落點(diǎn)不超出井筒凈斷面。

②鉆孔布置：凍結(jié)鉆孔布置及最大孔間距控制,見凍結(jié)孔布置參數(shù)表3、表4。鉆孔布置示意圖見圖1。

③測(cè)溫孔：為了準(zhǔn)確掌握凍結(jié)溫度場(chǎng)變化情況，監(jiān)控凍結(jié)壁形成及擴(kuò)展?fàn)顩r。進(jìn)、回風(fēng)立井各布置3個(gè)測(cè)溫孔。采用?108mm×5mm無(wú)縫鋼管，外接箍連接，接箍?121mm×5mm。其中測(cè)1布置于地下水流上方外孔外側(cè)主面上，測(cè)2布置于地下水流下方外孔外側(cè)較大界面上，測(cè)3布置于外孔與內(nèi)孔斜距最大孔間距處，均距外凍結(jié)孔布孔圈徑1.3m。

表3 鉆孔布置參數(shù)表

表4 凍結(jié)孔最大孔間距控制要求

④水文孔：根據(jù)地質(zhì)資料查明，在沖積層主要含水層位需設(shè)置1個(gè)水文孔，作為監(jiān)測(cè)水位和水溫變化情況，以分析判斷凍結(jié)壁交圈情況。水文管采用?108mm×5mm無(wú)縫鋼管，外接箍連接，接箍?121mm× 5mm。水文孔花管層位及止封水位置見表5。

表5 水文孔深度、花管位置一覽表

圖1 高河煤礦鮑村進(jìn)、回風(fēng)立井鉆孔平面布置與剖面圖

封止水材料為粘土、海帶。

⑤凍結(jié)壁交圈時(shí)間及井筒開挖標(biāo)準(zhǔn)：沖積層主要含水層（150m以上）最大孔間距按1.9m計(jì)算，預(yù)計(jì)40d交圈，開機(jī)至試挖45d。水文孔冒水后證實(shí)主要含水層凍結(jié)壁已交圈；根據(jù)測(cè)溫資料分析，井筒掘砌至各水平時(shí)，凍結(jié)壁能夠達(dá)到設(shè)計(jì)需要的厚度和強(qiáng)度。

2.3 施工主要設(shè)備

進(jìn)、回風(fēng)井共設(shè)一個(gè)凍結(jié)站，冷凍機(jī)選用HLG20ⅢDA185型高壓機(jī)與HJLG25ⅢTA250型低壓機(jī)各4臺(tái)，8AS-12.5型活塞機(jī)1臺(tái)作為打壓機(jī)。鹽水泵選擇：每井各選用10Sh-6A型水泵2臺(tái)，備用1臺(tái)；選用200QJ32-26/2型水泵2臺(tái)，備用1臺(tái)；凍注鉆機(jī)TSJ-2000E型4臺(tái)，泥漿泵TBW-850/50型與3PNL-1型各4臺(tái)，螺桿冷凍機(jī)組HJLG25ⅢTA250型與

HJLG20ⅢTA185型各8臺(tái)。進(jìn)、回風(fēng)立井均4臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)作業(yè)，施工時(shí)鉆機(jī)與泥漿泵配套使用，凍結(jié)站冷凍機(jī)及鹽水泵啟動(dòng)裝置與其電機(jī)配套使用。

3 施工工藝及技術(shù)要求

凍結(jié)工程作業(yè)內(nèi)容包括：施工準(zhǔn)備、凍結(jié)鉆孔施工、凍結(jié)站安裝、積極凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)、配合井筒掘砌施工和進(jìn)行維護(hù)凍結(jié)。凍結(jié)站安裝與鉆孔施工平行作業(yè)，同時(shí)完成，主要技術(shù)要求如下[5]：

（1）施工時(shí)，鉆機(jī)采用?89mm鉆桿、?159mm加重桿、?171.4mm牙輪鉆頭組成的加重鉆具，回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)泥漿護(hù)壁的方法，分班連續(xù)作業(yè)方式。每臺(tái)鉆機(jī)配備TBW-850/50型泥漿泵1臺(tái)。鉆孔測(cè)斜采用JDT-5型陀螺儀，實(shí)現(xiàn)不提鉆測(cè)斜；采用JDT-3K型陀螺儀定向，隨鉆可提式導(dǎo)向器和YL-127型螺桿鉆糾斜。

（2）根據(jù)凍結(jié)站的總體設(shè)計(jì)，按照先設(shè)備后管路的安裝程序和施工圖的技術(shù)要求，將三大循環(huán)系統(tǒng)（氨系統(tǒng)、鹽水系統(tǒng)及冷卻水系統(tǒng)）分別進(jìn)行安裝，并按《煤礦井巷工程施工規(guī)范》（GB50511-2010）要求試壓、檢查驗(yàn)收。

（3）凍結(jié)壁未達(dá)到設(shè)計(jì)厚度前的凍結(jié)時(shí)間均為積極凍結(jié)期，達(dá)到設(shè)計(jì)厚度后轉(zhuǎn)為維護(hù)凍結(jié)期。凍結(jié)期間進(jìn)行水文孔水位、參考井水位、測(cè)溫孔溫度的檢測(cè)，井筒掘進(jìn)期間的井幫溫度、凍結(jié)壁位移等要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)監(jiān)控，為井筒安全掘砌施工提供可靠的依據(jù)。

4 質(zhì)量控制與系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

（1）為確保凍結(jié)深度合理，施工主凍結(jié)孔時(shí)，對(duì)地層進(jìn)行取芯，以便校核地層結(jié)構(gòu)，要求凍結(jié)深度必須終止在不透水的完整基巖中。取芯起止深度暫定從凍結(jié)深度往下取10m，即進(jìn)、回風(fēng)井凍檢孔取芯從井口算起止位置290～300m。

（2）采用鉆、測(cè)、糾相結(jié)合的凍結(jié)孔鉆進(jìn)技術(shù)，嚴(yán)格控制凍結(jié)孔向井內(nèi)偏斜，確保鉆孔垂直度，縮小凍結(jié)孔間距，加快凍結(jié)壁形成速度，為縮短鑿井工期創(chuàng)造條件[6]。

（3）施工現(xiàn)場(chǎng)采用信息化自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍結(jié)站運(yùn)轉(zhuǎn)及凍結(jié)壁發(fā)展情況，隨時(shí)進(jìn)行凍結(jié)狀況分析。根據(jù)分析結(jié)果，判斷凍結(jié)壁是否交圈，確定井筒開挖和施工中凍結(jié)壁厚度和強(qiáng)度，及時(shí)調(diào)整凍結(jié)施工參數(shù)，以保證井筒安全連續(xù)施工。

5 凍結(jié)效果檢測(cè)

運(yùn)轉(zhuǎn)初期，按照施工組織設(shè)計(jì)要求，凍結(jié)站逐臺(tái)開機(jī)投入運(yùn)轉(zhuǎn)，使鹽水溫度呈有規(guī)律性下降。在運(yùn)轉(zhuǎn)中，合理調(diào)配制冷量，使各項(xiàng)指標(biāo)更趨合理，制冷效率不斷提高；隨后，使鹽水溫度盡快達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，最低達(dá)-30.0℃，滿足了設(shè)計(jì)要求。

通過對(duì)每個(gè)孔鹽水流量進(jìn)行檢測(cè)，每孔鹽水流量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，每個(gè)凍結(jié)器結(jié)霜均勻，無(wú)堵塞現(xiàn)象，表明凍結(jié)器正常工作。

水文孔水位在凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)28d后，有水冒出管口，標(biāo)志著凍結(jié)壁溫度場(chǎng)的形成和發(fā)展較為良好，之后便是凍結(jié)壁盡快形成并達(dá)到開挖的需要。設(shè)計(jì)開凍到開挖為45d，凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度為3.60m，而實(shí)際凍結(jié)不到40d便達(dá)到開挖條件，凍結(jié)壁厚度超過3.90m，比設(shè)計(jì)工期提前5d，并超過了設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度。

通過檢測(cè)數(shù)據(jù)，分析凍結(jié)壁厚度和強(qiáng)度，并根據(jù)井幫溫度及測(cè)溫孔溫度，提出掘進(jìn)施工時(shí)的合理段高，并減少井幫暴露時(shí)間，確保凍結(jié)壁安全。合理調(diào)配凍結(jié)車間的制冷量，使車間運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)合理化[7]。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）采用外孔+內(nèi)孔插花差異布置的多圈孔的凍結(jié)方案，降低了凍結(jié)壁平均溫度，縮短了凍結(jié)時(shí)間，提高了凍結(jié)壁的整體強(qiáng)度，保證了井筒提前開挖和開挖初期井筒上部不片幫，從而增加了凍結(jié)壁的安全可靠性。

（2）根據(jù)井筒特點(diǎn)，結(jié)合凍結(jié)壁計(jì)算機(jī)結(jié)果和類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，采用低溫大流量?jī)鼋Y(jié)，積極期鹽水溫度為-28℃～-30℃，鹽水流量不小于13m3/h。

（3）加大凍結(jié)站制冷能力，積極降低鹽水溫度以增強(qiáng)凍結(jié)壁的承載能力，以減少粘土的蠕變變形。對(duì)于沖積層深厚粘土層段，強(qiáng)化凍結(jié)，根據(jù)掘進(jìn)速度，提前加大制冷量，降低鹽水溫度，并與掘進(jìn)單位配合，提高凍結(jié)壁的穩(wěn)定性，保證凍結(jié)管的安全。

（4）采用信息化監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控凍結(jié)車間和掌握凍土發(fā)展情況。信息化監(jiān)控系統(tǒng)，隨時(shí)對(duì)井筒凍結(jié)情況進(jìn)行凍結(jié)分析，及時(shí)調(diào)整凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，與掘砌單位密切配合，保證井筒安全、快速掘砌。

[1]高立群，李常華，李振武.花園煤礦深厚表土層井筒凍結(jié)施工技術(shù)[J].煤礦現(xiàn)代化，2009（增刊1）:7-8.

[2]GBJ213－90礦山井巷工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[3]薛毅宏.副立井井筒凍結(jié)設(shè)計(jì)方案及施工技術(shù)[J].煤炭工程，2014（3）:29-31.

[4]山西高河能源有限公司鮑村進(jìn)、回風(fēng)立井井筒凍結(jié)工程施工組織設(shè)計(jì)[R].2013.

[5]MT5009－94煤礦井巷工程施工質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]王兵，汪志祥，懂梅，李宏偉.劉塘坊鐵1號(hào)副井井筒凍結(jié)鉆孔施工實(shí)踐[J].探礦工程，2011（4）:53-57.

[7]陳引鋒，方迎輝.高河煤礦立井井筒施工凍結(jié)技術(shù)淺析[J].地下水，2008（增刊2）:39-41.

TD265.3

B

1004-5716（2016）12-0125-04

2016-01-22

2016-01-29

省級(jí)自然類科研項(xiàng)目（15JK1166）。

陳引鋒（1976-），女(漢族)，陜西乾縣人，講師、安全評(píng)價(jià)師，現(xiàn)從事水文地質(zhì)工程地質(zhì)及煤礦安全方面的教學(xué)與研究工作。