徐莊煤礦西風井井筒凍結施工實踐

閆磊磊

摘 要：煤礦工程是對煤礦的一種深度挖掘，煤礦工程的順利開展與人們的生活有很大聯系。在煤礦工程項目建設過程中，立井施工通過含水地層是個較困難的事。尤其是對于厚度比較大的第四系表土層施工，采用凍結法有其較大的優越性，是較為合理和成熟的方案。為此徐莊煤礦西風井井筒表土段施工，優先采用了凍結方法施工，并在工程實踐中進行了有益的嘗試，經過一段時間的嘗試和技術的改進之后，施工中存在的一些問題得到了妥善的解決，與此同時，我們也發現了這種技術在實踐中的優越性，這種技術應用到了煤礦工程中后，施工的難度降低了，效果也提升了。同時也推動了工程的高速、高質量進行。煤礦風井井筒的凍結施工技術雖然已經有了一定的發展，但是還存在著許多的不完善，這些不完善對于煤礦工程的順利進行有一定程度的影響，影響了工程的質量。為了使這些不完善在未來變得完善，必須不斷進行實踐，對施工的技術進行進一步的探討，通過創新手段對施工的過程進行優化，在實踐的過程中，我們會尋找都更多對施工有益的技術，以此來提高施工的質量。本文就凍結工藝中的主要參數和應該注意的一些問題，井筒凍結技術等相關問題，進行分析，希望能為以后的工程建設，進一步的應用凍結施工提供一些借鑒。

關鍵詞：井筒地質；凍結設計；施工實踐

在煤礦工程項目建設過程中，立井施工通過含水地層是個較困難的事，尤其是對于厚度比較大的第四系表土層施工。隨著煤礦建井技術的進一步研究，井筒施工深度在逐漸增加，井筒穿過特殊地層采用普通方法來完成的難度逐漸凸顯出來，施工中存在較大的不確定性。為了克服鑿井過程中地下水的影響和威脅，目前井筒表土段施工主要采用諸如凍結施工，帷幕注漿等特殊方法。根據近一二十年礦井施工的經驗，凍結法施工的成功案例在實際運用中越來越多。采用凍結法有其較大的優越性，是較為合理和成熟的方案。但在凍結施工技術自身不斷完善的過程中，由于工程銜接與配合問題的不同步等，施工中出現了很多問題，不但使得工期被延長，工程的質量也受到了影響。結合徐莊煤礦西風井凍結工程的實踐，本文就凍結工藝中的主要參數和應該注意的一些問題，井筒凍結技術等相關問題，進行分析，談談自己的體會，希望能為以后的工程建設，進一步的應用凍結施工提供一些借鑒。

1 井筒地質、水文地質概況

1.1 井筒地質概況

徐莊礦西風井地質檢查孔揭露地層自上而下分別為第四系、上侏羅～下白堊統（J3+K1）、下石盒子組、山西組、太原組。

1.2 水文地質概況

1.2.1第四系松散層

第四系巖性主要由粘土、砂質粘土及不同粒級砂層組成。

1.2.2上侏羅～下白堊統礫巖含水層

巖性主要由紫紅色的砂質泥巖、礫巖組成，其中礫巖為含水層。

1.2.3下石盒子組

巖性主要由泥巖、砂質泥巖及粉、細、中、粗砂巖組成。本組含水層為底部的分界砂巖。

1.3 工程地質評價

1）建議凍土開挖時凍結壁平均溫度不應小于-10℃。

2）深部粘土的結冰溫度最低（-1.95℃），說明該深部地層比較難凍結，在實際凍結工程中必須嚴格控制凍結壁的溫度。

3）在沒有外部水源補給的條件下，凍土的凍脹率在0.82%～0.93%之間，凍脹力在0.78～1.10MPa之間，屬于弱凍脹土，但在凍結鑿井過程中，仍要注意凍土的凍脹特性及其對凍結管的影響，以及對井壁的作用。

4）在實際工程中要盡量縮短凍結壁的暴露時間，控制凍結壁的總變形量，保證凍結壁的安全，防止凍結管斷裂。

2 井筒凍結施工方案

2.1 凍結深度的確定

結合西風井礫巖含水層深度，為了確保掘砌安全，井筒凍結深度400m，同時為了區別凍土含水層和巖層裂隙水在凍結過程中，對冷媒吸收特性的不同，控制凍結能量分布均衡，凍結施工方法采用差異凍結法，其中凍結深度短管長220m，長管400m。

2.2 凍結方案

2.2.1主凍結孔

主凍結孔深度400m/220m。差異凍結方式，短腿穿過弱風化帶，其作用是加強沖積層、風化基巖凍結壁的強度和厚度，基巖中達到封止水目的。

2.2.2輔助凍結孔

輔助凍結孔深度185m，為加強凍結孔。凍結深度穿過表土段進入強風化帶，其作用是確保沖積層凍結壁厚度與強度，提高凍結壁的穩定性。同時實現井筒提早開挖，防止井筒掘進時片幫。

2.3 凍結壁設計基本參數

1）積極凍結期鹽水溫度：-28～-30℃；

2）第四系控制地層凍結壁平均溫度：-10℃；

3）砂性土層的凍土計算強度：5.0Mpa；

4）第四系控制地層地壓：

根據井檢孔資料，選擇沖積層底部砂性土層作為控制層位。即垂深179.65m的中砂層作為控制層，計算地壓為2.335Mpa；

2.4 凍結壁厚度計算

采用多姆克公式計算砂性土控制層位的凍結壁厚度：

根據計算結果，并結合凍結施工經驗，確定凍結壁厚度：E=2.8m。

2.5 安全掘進段高校核

以井筒最下部垂深162.65m粘土層作為控制層位，按維亞洛夫——扎列茨基的有限長塑性厚壁筒公式計算凍結壁的穩定性。

根據凍結壁形成分析，該工程工作面凍結狀態系數取1.516。

經計算，粘性土層外壁掘砌段高為2.52m，因此段高控制在2.5m之內，井筒施工是安全的。

2.6 凍結孔布置設計

2.6.1凍結孔布置原則

各控制層位凍結壁厚度均滿足設計要求。各控制層位凍結壁平均溫度均滿足設計要求。

2.6.2主凍結孔布孔設計

鉆孔布置設計充分考慮控制地層所需凍結壁厚度、外側凍結壁發展狀況、鉆孔徑向偏值以及凍結井筒基巖段安全放炮距離等因素。

綜上相關因素，主凍結孔布孔圈徑確定為φ11.8m，凍結孔數量N=30個，實際開孔間距1.236m。

2.6.3輔助凍結孔布孔設計

根據凍土發展速度并結合井筒具備開挖條件的凍結時間，輔助凍結孔布置圈至掘砌荒徑宜控制在1.0m左右。

基于此，輔助凍結孔布置圈徑確定φ9.6m，凍結孔數量N=12個；實際開孔間距2.513m。

3 徐莊煤礦西風井井筒凍結法應用分析

3.1 冷卻水水源井的位置

根據建井規范要求，凍結施工期間，特別是積極凍結期間，必須確保冷卻循環水的供給。因此，要求施工場地內必須將水源井的位置進行合理布置，這一點在整個的井筒凍結施工中起著很重要的作用。如果選擇的位置不夠恰當，會直接影響整體的凍結效果。

為了使地下水保持正常的流通，避免人為造成地下水流通加大，影響凍結壁交圈，最好在凍結井筒以及其降水漏斗影響的范圍以外或者是地下水的上游布置水源井。根據規范要求宜將水源井布置在距離凍結井筒位置保持在300米以上。

為了保證礦井的最佳使用狀態，最好是對礦井及其周圍的其他水源都進行調查，然后將可能對礦井有影響的水源登記下來，以便及時對水位的變化和凍結井筒水文孔水位的變化進行檢測。如果檢測的結果發現水位的變化確實與周圍的水源有關，就要找清楚兩者之間的聯系，以免進一步影響井筒凍結的交圈。

3.2 協調凍結制冷與掘砌工程的工期

一般情況下，進行凍結制冷的單位在安排施工時，會考慮到自己本身的施工組織設計和建設單位要求達到的工期，對于掘砌單位對于施工的準備會不會與自己這邊脫節，凍結制冷單位是不會考慮的。

很多情況下，井筒凍結的那一方已經準備好施工的所有條件了，但是掘砌施工的施工方還在準備中，這樣很容易造成凍土入荒過大，不利于掘砌施工的順利進行，還會造成不必要的工期延長，使成本增加，對兩邊來說，都會造成一定的損失，使之陷入相互索賠的矛盾中。為了盡可能避免這種尷尬狀況的出現，在進行建筑招標時，就要首先對兩者的施工進度進行規定，如果因為自身的原因造成了雙方的損失，對對方工期延長要做出相應的賠償，賠償多少也要在招標時說清楚，明確雙方的責任。

但是如果掘砌單位確實遇到了一些麻煩需要延長工期，此時凍結單位如果根據實際情況考慮后決定同樣延遲開機，開機后根據發展的情況做出及時的調整，保證雙方的協調，那么凍結施工方可以不用承擔責任。

徐莊煤礦西風井由中煤五建公司總包，中煤五建公司第二、第三工程處承擔凍結和井筒掘砌施工。兩家施工單位的協調比較容易，由此看來，實行工程總承包方式在工程施工過程的協調控制方面，有較為有利的條件。

3.3 選擇合理的開挖時間

在以前，要想確定凍結井具體的開挖時間，根據水位有規律上升溢出孔口，只要確定凍結壁已經交圈了，那就可以開挖了。但是如果開挖的時間過早了，井壁荒徑處的凍土強度不足以抵抗土層側壓力，井筒開挖后往往會導致片幫的發生。在交圈后，最好是不要立即進行正式施工，要求進行試開挖，同時段高要求進行控制，井壁凍土如果發現強度不足，要求及時進行臨時支護處理。否則會因為片幫的存在，對施工的安全和工程的質量造成威脅。

3.4 段高的選擇

在選擇凍結井的段高時，會受到井筒所處的巖性、掘進速度等多方面的影響。根據公式計算，并結合工程施工質量安全要求，施工現場勞動組織的合理性，混凝土井壁在凍土環境狀態下強度增長特點等綜合控制目標要求。井筒凍結初期段高控制在1-2米比較合適。正常凍結期，凍土層不應該超過4米。基巖段根據圍巖性質及完整情況通常要求段高。盡量適應模板，特別是整體大模板的要求。通常，國內比較與競爭力的施工單位，主要是采用整體金屬大模板作業方式。對提升安全，成套設備選型，技術經濟指標都比較合適。

3.5 套壁施工模板的選擇

整體滑升模板模式最早開始使用是在70年代，但是在當時，因為現實條件的限制，對千斤頂是進行單雙對稱布置的，這就使得在使用的過程中，經常會出現滑膜盤扭轉、滑升速度不一致導致的傾斜的現象等，但是在后來不斷的摸索中，改進、發展、完善了一些新的技術，滑膜套壁就是很好的應用。但是使用這種方法時，為了保證井壁的質量，必須對滑升的速度進行控制，最好是每一個小時只能滑升一次，每次滑升的高度都保持在330毫米之內，這樣一來，混凝土的質量就可以得到有效的保證。

由于滑升模板加工制作成本較高，操作技術比較復雜，設備維護管理受井筒狹小空間的限制，有些施工單位不太愿意使用。根據各地施工經驗的不同，目前井筒套內壁多采用小模板翻模，進行套壁作業。該方法操作簡單，質量也容易控制，井筒混凝土拆模時強度易于保證。對澆筑后的井壁質量能夠及時養護和檢查。使用多套小模板通常為12套金屬小模板。通過依次翻模循環操作的施工方案完成井壁混凝土澆筑，該法使用也比較普遍。

3.6 厚黏土施工

在施工的過程中，為了確保掘砌施工能夠順利的通過又深又厚的粘土層，常常會加強井筒單位對于凍結運行系統的管理，防止意外事故的發生。除此之外，鹽水的溫度和流量也會對工程造成影響，所以也必須進行嚴格的控制。如果需要穿過過于深厚的膨脹粘土層時，應該加強凍土入荒、工作面底鼓進測量等工作。從徐莊煤礦西風井凍土段凍土的物理力學特征看，其膨脹力不大。通過合理組織施工作業，控制掘砌段高，縮短凍土暴露時間，減少凍土變形。嚴格按照設計要求外側讓壓構造施工，確保規定的混凝土強度，嚴格進行質量控制，那么就能夠正常通過厚度較大的具有一定膨脹性的黏土層，確保井壁質量安全。

4 結語

實踐是獲得發展的唯一道路，沒有實踐就不會有更進一步的發展，所以凍結技術要想有發展，就必須不斷深入實踐。徐莊煤礦西風井井筒施工，豐富了凍結法施工施工的內容，拓寬了凍結法施工的領域，取得了一定的成效。

參考文獻：

[1] 朱邦永，盛小飛，褚衍坡.神華集團塔然高勒煤礦風井普通法轉基巖凍結法鑿井施工實踐[J]科技信息，2010.

[2] 吳康寧，宋亞楠.恒源煤礦改建工程井筒凍結壁設計創新及施工實踐[J].西部探礦工程，2016.