立井凍結防片幫孔優化設計與實踐

張海驕 宋海清 王成博

（1.淮南礦業集團張集煤礦，安徽 淮南 232000；2.安徽理工大學，安徽 淮南 232000）

通過對新建凍結立井的分析，立井凍結方案在不斷地變化和改進，根據不同的工程特點，采用不同的凍結方案，如最初的單排孔設計到2排孔、3排孔和4排孔等[1]，雖有很多成功案例，但依然存在不少有待解決的問題：（1）交圈時間長，且不能根據設計控制交圈時間；（2）防片幫孔設計不合理，井幫溫度難以控制，導致幫部要么容易片幫要么凍得太實；（3）井筒上部和下部凍結不協調，尤其是深孔凍結，經常不能做到連續施工的要求；（4）凍結壁厚度不夠或離荒徑太近，井筒開挖后，在薄弱段發生斷管等。因此，防片幫孔的圈徑和開孔間距設計，是直接影響井筒安全高效開挖的主要因素[2-3]。

1 防片幫孔的開孔間距計算

防片幫孔主要作用是防片幫和進一步加強凍結壁厚度和強度，因此，設計主要考慮的是保證井幫穩定性。首先是凍土要進入荒徑一部分，但不能進入太多，控制既能保證井幫穩定又能快速掘進為宜[4]；其次是盡量使得井幫四周凍結壁均勻分布，不能出現大面積低溫和大面積高溫分布。防片幫凍結孔分布示意圖如圖1所示。

圖1 防片幫孔分布示意圖

根據圖1計算出防片幫孔的開孔間距公式如下：

其中：

l-防片幫孔開孔間距，m；

r-井筒荒半徑，m；

R1' -防片幫孔圈半徑與井筒荒半徑差，m；

θ-圓心角一半，°；

ε-凍土入荒距離，一般取0.3～0.5m。

通過上式，可以推算到井筒荒徑與井筒直徑以及開孔間距之間的關系式，并計算出合理的開孔間距。

2 凍土入荒距離

為了保證井筒施工過程中井幫和防片幫孔的安全，凍結壁應進入荒徑一部分，既要保證井幫安全、保證混凝土質量，又不至于凍得太實，增加施工難度。一般而言，凍土入荒距離ε的取值范圍是300～500mm，小于300mm井幫易出現片幫，影響井壁安全和混凝土質量，大于500mm會增加掘進施工的難度，影響工程進度，混凝土容易被凍壞，還造成凍結工程的能源消耗。

3 防片幫孔的圈徑要求

凍結管離荒徑太近，凍結管的位移會加大，影響凍結管安全，若凍結管露出井筒，必須截斷處理，影響下部的凍結壁安全，所以必須考慮到造孔時的容許偏斜值，嚴防凍結管進入荒徑。如凍結孔深度300m，容許最大偏斜值500mm，井筒荒徑5m，那么防片幫孔最小5.5m。除此之外，防片幫孔圈半徑還要根據井筒的掘砌速度和凍結時間來確定，凍結時間越長，掘砌越慢，凍土發展的范圍就越大，但又不能讓凍土發展到荒徑內太多，就需要越大的圈徑。

4 防片幫孔圈半徑與單管凍結發展速度的關系

凍結孔單孔發展速度是指凍結管在一定的冷凍溫度下、特定土質的受凍層位每天的發展距離，它受多種因素影響[3]，可以用如下公式算得：

式中：

m-土的比熱容，J/kg·℃；

ρ-土的密度，kg/m3；

Rn-第n天凍結發展半徑，m；

n-凍結天數；

t0-巖層的原始溫度，℃；

de-凍結管的外徑，m；

kt-凍結管散熱系數，kJ／(m2·h）；

α-溫度影響系數。

上式根據凍結天數就可以計算出單管凍結管的凍土發展半徑（也就是公式1中的R1'），再根據容許的凍土入荒最佳距離，利用公式（1）就可以計算出防片幫孔的圈半徑和最佳開孔間距。

5 工程實踐

淮南礦業集團張集煤礦第二副井井筒設計凈半徑4.4m，凍結段荒半徑5.5m，新生代至-330m，風化帶至-350m，凍結壁設計厚度7.2m，最不利層位在160m處，合同要求60d具備開挖條件。根據以上資料對該井筒進行凍結防片孔設計，如下：

合同要求60d具備開挖條件，根據公式（3）計算出60d后單孔擴散半徑R60為1.4m。取凍土入荒距離為0.5m，再根據公式（1）計算防片孔開孔間距為：

將數據帶入上式計算得l=2.9m，防片孔共計15個，進一步驗算開孔間距為2.89m。

整體凍結方案如表1。

表1 凍結孔布置參數

根據以上設計，井筒掘進時實現了吃“糖心”少挖凍土的目的，井幫溫度得到很好的控制。具體如表2。

表2 開挖時實測井幫溫度

6 結語

凍結方案的設計包括凍結壁厚度和強度、鹽水溫度和流量、不同功能凍結孔的送冷時機等。防片孔的作用一是對凍結壁厚度和強度的進一步加強，二是起到井筒在開挖的時候防止片幫的作用。防片幫孔設計的最佳效果是即不發生片幫又不挖凍土，做到全吃“糖心”的安全高效施工。案例中的井筒實測井幫溫度從開挖-86m處為0.53°到-268m處的-6.21°，凍土進入荒徑0～0.6m，與計算基本吻合，開挖時很少挖到凍土，也沒有發生斷管事故，最快成井速度超過了160m，真正做到了安全高效掘砌。