神木市升富煤礦回風立井凍結施工技術研究

吳創

（煤炭工業西安工程造價管理站，陜西 西安710000）

近十年來隨著西部大開發戰略的不斷深入推進，我國西部地區的煤炭資源開采能力大幅度提升，新建、改擴建礦井數量劇增。建設期間發現西部地區第四系沖積層埋藏深度相對較淺,而白堊系砂巖地層厚度一般較大,且孔隙裂隙發育,為主要含水層,隔水層分布較少,厚度較薄,侏羅系地層雖在水文地質資料中多描述為弱含水層,但實際揭露的水量一般都遠大于預計。[1-2]考慮到上覆巖層強度低、富含水、可注性差、遇風崩解、遇水泥化且可注性差，采取普通鉆井法或注漿法施工井筒都具有了一定的困難，無論是在工期、質量、安全上都難以完全保證，為了解決這個問題，一般采用凍結法施工，所謂凍結法是用人工制冷的方法, 將地下工程周圍含水巖土層凍結封閉,形成一個按照設計輪廓的凍土墻或密閉的凍土體,用以抵抗巖土壓力,隔絕地下水,并在凍土墻的保護下進行地下工程施工的一種巖土特殊施工方法。這種方法不僅法封水效果好而且工藝也相對成熟。

1 工程概況

神木縣升富礦業有限公司煤礦位于陜西省神木市西北約25km 處，設計生產能力120 萬噸/年，選擇即主斜井、副斜井、回風立井混合開拓。回風立井井筒深度163.35m，凈直徑6.0m，最大掘進荒直徑8.3m，承擔全礦井回風任務。

井筒區地表全部被第四系風積沙覆蓋，根據鉆孔資料，可將工作將區內含水層由上至下劃分為6 層。分別為:①第四系全新統風積沙孔隙潛水含水層（Q4eol）；②第四系上更新統薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層（Q3s）；③第四系中更新統離石黃土弱含水層（Q2l）；④侏羅系中統直羅組上部風化基巖孔隙裂隙承壓水含水層（J2z 上）；⑤侏羅系中統直羅組孔隙裂隙承壓含水層（J2z）；⑥侏羅系中統延安組第四段孔隙裂隙承壓含水層（J2y4）。含水層主要特征見表1。

表1 含水層主要特征表

2 井筒凍結施工設計

2.1 凍結深度

根據規范要求，井簡凍結深度必須穿過沖積層、風化帶深至穩定基巖10m 以上,或超過永久支護5-8m，根據井筒地層條件及涌水量, 確定凍結深度為穿過侏羅系中統直羅組孔隙裂隙承壓含水層（J2z）20m,則凍結深度為140m。

2.2 凍結壁

積極凍結期鹽水溫度為-26～-28℃；控制層位凍結壁平均溫度：-8℃。

由于基巖凍壁的受力態與沖積層中比較并未發生本質變化,凍結壁仍然處于彈性-粘滯體狀態，在外荷載作用下仍然呈現出彈性區和塑性區,并且產生塑性變形,當塑性區或塑性變形量超過允許值時，凍結壁和凍結管將會受到破壞。據此分析,該工程凍結壁均看作是無限長彈、塑性厚壁筒的力學模型。[3]

綜合考慮《礦山立井凍結法施工及質量標準》，根據地質條件按照有限長塑性體強度條件選取如下公式計算凍結壁厚：

根據工程實踐和大量研究成果[4],同時與神木地區相似工程進行類比對井壁凍結厚度進行論證在公式計算的基礎上，綜合考慮還應根據地層深度、巖性、凍土試驗和含水層等資料,并結合掘砌施工速度指標、凍結壁發展情況、井筒開挖時間等因素，確定凍結壁厚度為2.7 m。

2.3 凍結孔布置

由于底層以孔隙含水為主，凍結的根本任務是封水，故采用“主凍結+防片幫凍結孔”方式布置，考慮到主凍結孔至井筒最大掘進荒徑的距離宜控制在2.8～3. 5m 之間;防片幫孔至井簡掘進荒徑的距離宜控制在1.0～1.2m 之間,孔深宜穿過強風化帶。故布置圈徑分別為11.6m 和10.4m；結合主凍結孔開孔間距宜為1.3-1.4m,防片幫孔開孔間距宜為1.9-2.1m，確定鉆孔孔數分別為28 和14。具體布置見下圖1。

圖1 鉆孔位置布置圖

凍結管規格選用Φ108×5mm 的20#低碳鋼無縫鋼管，內襯箍焊接連接；管內下放Ф62×5m 聚乙烯塑料管作為供液管。

井筒內設計布置1 個水文孔，報導凍結基巖風化帶底部含水層的凍結情況。為了準確掌握凍結溫度場變化情況，設計2個測溫孔，分別布置在主、界面上，溫度測點在各孔內沿垂直方向宜每隔20～50m 左右布置一個測點，以監測不同方位、不同深度地層的凍結溫度。

2.4 凍結制冷設備

為保證冷凍站具有足夠的制冷量，制冷設備選型需要采用如下公式提前計算所需冷量。

Q =πdnHq（Kcal/h）

式中：d-凍結管直徑（m）；

n-凍結管數目（個）；

H-凍結深度（m）；

q-凍結管吸熱效率（Kcal/m2·h），取280Kcal/m2·h。經計算得：Q =40.7×104Kcal/h

考慮富裕系數凍結站需冷量應為1.2 倍的Q 及48.8×104 Kcal/h。故建議選2 組TBS1100.2JT 型及1 組W-FYSLGF600III型螺桿機組（備用），冷凍站裝機工況制冷量為：73.1×104Kcal/h，滿足凍結需要。

同時選用循環鹽水采用含鹽量26.6%，波美度29°Be，比重為1250kg/m3氯化鈣溶液，鹽水總循環量按照平均每孔鹽水流量≥10m3/h 來計算，應大于310m3/h。

3 凍結效果及研究意義

經過46 天的積極凍結期間鹽水溫度低于設計溫度，最低達到-32.3℃，維護凍結期鹽水溫度最低達到-24.1℃。達到開挖條件，凍結壁有效厚度為2.8m，凍土壁溫度最低達到13.6℃，平均溫度為-11°C，經凍結后施工期間全井筒井壁無水滲出，滿足井筒凍結段安全、連續施工的要求。

通過對神木市升富煤礦回風立井凍結施工技術研究，不僅為其礦井的副斜井凍結施工提供理論基礎及現場經驗，而且為所在地區同類地質條件的井筒施工提供重要參考。