人工凍結技術在蒙西深厚軟巖地層的應用

路 忠 劉玉平

(達旗煤炭局安監站，內蒙古 鄂爾多斯 014316)

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人工凍結技術在蒙西深厚軟巖地層的應用

路 忠 劉玉平

(達旗煤炭局安監站，內蒙古 鄂爾多斯 014316)

基于內蒙古西部地區某礦深厚軟巖地層的水文地質特點，選用了單圈布孔凍結設計方案，并闡述了該方案的具體施工技術，既為掘砌工程創造了良好的施工環境，又取得了顯著的經濟效益，為西部類似地層凍結井方案設計提供借鑒。

沖積層，軟巖，富含水層，凍結方案

隨著西部煤炭資源的持續開采，煤田賦存條件由原來的淺埋少水低瓦斯逐漸向深埋富水高瓦斯轉變。內蒙古西部地區某礦位于達拉特旗西南部，設計生產能力為6.00 Mt/年，主井采用斜井開拓，副井及回風井采用豎井方式開拓。主斜井采用普通法鑿井，水泵逐級排水。副井、回風井采用人工凍結法方式開拓。回風井井筒深度465 m，凍結深度477 m，凈直徑7.2 m，采用雙層現澆鋼筋混凝土結構[1-11]。

1 地質及水文條件

井筒場地地表全部被第四系松散沉積物所覆蓋，局部基巖出露。根據鉆孔揭露，井筒地層由老至新為：侏羅系中統延安組(J2y)、侏羅系中統直羅組(J2z)、侏羅系中統安定組(J2a)、白堊系下統志丹群(K1zh)和第四系(Q)。場地地下水含水層包括：

白堊系下統志丹群(K1zh)孔隙潛水全區分布，巖性為各種粒級的砂巖、砂礫巖及礫巖，夾砂質泥巖。水位埋深1.85 m，含水層厚度25.45 m，靜止水位標高1 394.51 m，水柱高度25.45 m，涌水量0.039 L/s，滲透系數0.009 672 m/d，富水性弱。

侏羅系中統(J2a—J2z)碎屑巖類承壓水含水層，巖性為青灰色中、粗粒砂巖、含礫粗粒砂巖。厚度269.98 m～312.50 m，平均297.79 m。該組地層結構疏松，孔隙率相對較高。水位埋深89.44 m，靜止水位標高1 351.67 m，含水層厚度262.00 m，涌水量0.303 L/s，滲透系數0.007 646 m/d，富水性弱。

侏羅系中下統延安組(J2y)碎屑巖類承壓水含水層包括③-1煤層頂板延安組段砂巖裂隙含水層、③-1煤層底板至④-2煤層頂板砂巖裂隙含水層。其中延安組砂巖裂隙含水層厚度74.75 m，水位埋深66.78 m，靜止水位標高1 345.40 m，涌水量0.427 L/s，滲透系數0.040 34 m/d，富水性弱。③-1煤層底板至④-2煤層頂板砂巖裂隙含水層厚度45.66 m，水位埋深119.06 m，靜止水位標高1 324.79 m，涌水量0.186 L/s，滲透系數0.005 568 m/d，富水性弱。

2 針對地層特點的凍結方案設計

由表1可見，該地層第四系地層較薄，厚度僅0.9 m。井筒穿越地層幾近全部由軟巖組成，其中砂巖和含礫砂巖分別占75.81%和7.5%。根據實際揭露巖樣，巖石在自然狀態下強度較高，平均為15 MPa，但遇水浸泡飽和后強度急劇下降，平均為0.3 MPa。幾乎可忽略。在井筒掘進段高設計時應采取充分的迎頭疏排水措施，防止迎頭大范圍遇水，圍巖強度整體喪失，威脅井筒圍巖穩定性，造成凍結管大位移斷裂。

表1 回風井地層統計

針對該井筒所處地層巖性及水文地質特點，采用單圈孔、大流量凍結方案和監測信息化施工技術。在設計階段嚴格區分西部軟巖與東部深厚沖積層凍結壁發展規律和特點，針對西部軟巖強度大，自然狀態下自穩性好，凍結工程主要目的在于防水而不需過多考慮凍土強度，采用單圈孔小圈徑布孔方案以節省冷量，采用大流量凍結方案以增大凍土前期溫度梯度，加速凍結壁前期擴展速度，加大凍土形成階段的凍土溫降速率，以縮短總制冷時間。

3 實際凍結工程施工

采用單圈孔凍結方式，凍結深度477 m，300 m以上地層凍結孔采用140×5 mm的優質20號低碳鋼無縫鋼管，300 m以下地層采用140×6 mm的優質20號低碳鋼無縫鋼管。接頭形式采用內襯管對焊焊接。按快速凍結要求，并考慮合理提高凍結效率，逐級降低鹽水溫度。設計要求凍結15 d鹽水溫度降到-20 ℃以下，開挖時達到-30 ℃以下。開始套內壁后轉入維護凍結，鹽水溫度控制在-22 ℃～-25 ℃之間。凍結孔的單孔鹽水流量均取15 m3/h。控制層設計凍結壁平均溫度低于-8 ℃,設計風井井幫溫度為-4 ℃～-6 ℃。按重液公式計算控制層處地壓值。凍土的單軸極限抗壓強度按類似地層中數據選取，凍土溫度(凍結壁平均溫度)取-8 ℃左右。安全系數取2.2。

采用多姆克公式計算凍結壁厚度。

其中，E為計算的凍結壁厚度，m；R為井筒掘進半徑，m；P為計算水平的地壓，MPa；K為凍土計算強度，MPa。采用成冰公式計算凍結壁的平均溫度，即:

tc=t0c+0.275tn。

其中，tc為按凍結壁有效厚度計算的平均溫度，℃；t0c為按凍結壁0 ℃邊界計算的平均溫度，℃；tn為計算水平的井幫凍土溫度，℃，未凍時取0；tb為凍結鹽水溫度，℃；L為計算水平的凍結孔最大間距，m；E為凍結壁有效厚度，m。

凍結孔偏斜率不大于0.18%。質量控制時：向井心偏斜不大于200 mm。凍結孔平均鉆進效率取1 950 m/(臺·月)，布置4臺鉆機。預計井筒凍結壁交圈時間均為57 d，積極凍結65 d可以試挖。采用加大凍結管鹽水流量等技術措施，使凍結期內凍結管散熱能力大大提高，計算出低溫工況制冷量為：風井低溫最大需冷量為：Q風井=178.3萬大卡/h,考慮到20%的干管冷量損失，風井凍結所需的凍結站制冷量為：Q風井凍結站=214萬大卡/h。裝備5臺W-SAHLG25ⅢT220/20Ⅲ250雙級螺桿式壓縮機組，其中4臺使用，1臺備用。采用QEF240/800虹吸式蒸發器5臺和節水型的SWL-1620蒸發式冷凝器5臺。按照冷凍機組產品說明書，需新水補給量約為20 m3/h。

4 結語

設計凍結壁發展速度25 mm/d，井筒開挖后根據測溫孔數據分析，凍結壁發展速度為28 mm/d，實際凍結壁發展速度較設計值快12%。凍結壁設計交圈時間57 d，施工實際在開機50 d時水文孔持續規律冒水，證明交圈。較設計提前7 d。開挖后井筒核心部分4 m直徑范圍內土體保持在正溫為井筒快速掘進提供了良好的條件，證明采用大圈徑布孔，大溫度梯度快速凍結的方式進行凍結方案設計可以取得客觀的工程效果。開挖后良好的凍土范圍控制表明整個凍結工程在凍結孔造孔偏斜控制、凍結系統前期運行狀態、氯化鈣溶液降溫速率，地層溫度下降速率等方面較好的實現了工程方案設計的宗旨，工程提前7 d交圈并具備開挖條件。井筒開挖后揭露凍結壁強度良好，很好的滿足了精通掘進防水封水的要求。

[1] 劉宜和,李 林.蒙西隴東地區富水軟巖地層凍結造孔施工技術研究[J]．煤炭工程,2014,46(4):40-42.

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Application of artificial freezing technology in deep soft rock stratum of Mengxi

Lu Zhong Liu Yuping

(DaqiCoalBureauSecuritySupervisionStation,Erdos014316,China)

Based on the hydrological and geological characteristics of the deep soft rock strata in western Inner Mongolia, the scheme of single-ring hole freezing is chosen, which not only creates a good construction environment for excavation construction, but also obtains good economic benefit for the western part of the freezing well design for reference.

alluvial layer, soft rock, rich water layer, freezing program

1009-6825(2017)10-0079-03

2017-01-21

路 忠(1972- )，男，工程師； 劉玉平(1970- )，男，工程師

TU472.9

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