斜井凍結技術在龐龐塔礦千萬噸項目部斜井施工中的應用

文/蘇樂斌

凍結法鑿井作為通過不穩定沖積層及鄰近含水基巖的特殊鑿井施工方法， 一直是國內外礦井建設領域研究的熱點之一。 霍州煤電集團呂臨能化公司龐龐塔礦千萬噸項目地處山西省呂梁市臨縣境內，屬河東煤田，井田地處晉西黃土高原。 主副井均采用斜井開鑿，主井傾角16°，一號副斜井傾角23°，二號副斜井傾角25°。 一期工程施工前期，根據地質報告，在掘進過程中將穿過3 層砂礫石層，其涌水量最高可達303m3/h。同時還面臨表土層和深厚砂礫石層、斜井傾角大、斷面大等工程困難。 經研究論證決定，在井筒施工過程中，為了保證施工安全與質量， 特采取國內先進技術特殊鑿井法（凍結法）施工井筒。

一、施工原理

斜井凍結鑿井是利用傳統的氨循環制冷技術來完成的。 該技術是在井筒開挖之前，用人工制冷的方法， 將井筒周圍含水地層凍結成一個封閉的不透水的帷幕——凍結壁，用于抵抗地壓、水壓，隔絕地下水與井筒之間的聯系。 之后， 在凍結壁的保護下進行掘砌施工。 為形成凍結壁，首先在欲開挖井筒的周圍打一定數量的凍結孔，孔內安裝凍結器。 低溫鹽水在凍結器中流動， 吸收其周圍地層之熱量，形成凍結圓柱。 凍結圓柱逐漸擴大并連接成封閉的凍結壁， 直至達到設計厚度和強度為止，然后在其保護下進行掘砌施工，以便安全穿過含水地層。

二、凍結方案設計

結合地質報告， 采用的凍結方式為分段造孔、分段凍結，分段開挖，分段拆除。 現結合二號副斜井實際情況，介紹具體方案設計。

1.凍結深度的確定

二號副斜井凈寬5.2m，凈高4.5m，井壁厚度0.7m，掘進斷面寬度為6.6m，高度為5.8m。

2.凍結技術參數的確定

根據二號副斜井井筒工程地質條件， 凍結參數設定如表1 所示。

表1 二號副斜井凍結壁參數表

3.凍結孔布置

根據二號副斜井開挖斷面尺寸、 凍結壁厚度及地質資料等情況， 綜合各種因素確定凍結孔布置方式。 凍結孔布置原則是：在滿足凍結壁厚度達到設計要求的前提下， 盡量少布置凍結孔，以減少鉆孔施工工期。

凍結地面水平方向凍結范圍為： 井筒中心 起101.843 ～204.822m， 其 水 平 長 度 為102.979m。凍結孔布置五排。即兩排邊孔AE；兩排中間孔BD；一排中間孔C。 其排間距為2.4m。 兩排邊孔A E 共2×69 個， 其深度為51.69～99.70m，其孔間距為1.514m；兩排中間 孔B D 共2×41 個， 其 深 度 為51.69 ～99.70m，其孔間距為2.574m；一排中間孔C共69 個，其深度為51.69～99.70m，其孔間距為1.514m。 在凍結段開始端及距開端28.2 米處各增設一組4 個堵頭孔， 其深度為51.69m和65.68m。

所有凍結孔均采用局部凍結， 其凍結范圍為斜井頂板以上5.0m 至斜井底板以下3.0m，非凍結區域均進行隔溫，隔溫方法采用充填鹽水方式。 另外，為減少鑿井過程中的凍結挖掘量，井筒斷面內的凍結管改用Φ89mm無縫鋼管，外進行保溫和隔溫處理，隔溫管長度均為5.8 米（有效隔溫長度5.5 米）。

4.凍結器設計

凍結管選用φ133×4.5mm 低碳鋼無縫鋼管，外管箍聯接，采用充填鹽水式進行局部凍結，內下兩根φ50×5mm 塑料管作為供液管。

5.測溫孔布置設計

按水平長30m/段布置2 個測溫孔， 本工程共布置8 個測溫孔， 布置凍結壁內部與凍結壁外側位置。 布置原則：布置在每段末端凍結壁內側孔間距較大位置及凍結壁外側較大孔間距界面位置。 測溫孔采用φ57×3.5mm 無縫鋼管外管箍焊接，底端封實，管內不需灌水和試壓，但不得滲漏水。

測溫孔深度暫定為：64.10m/2 個、78.09m/2 個、92.08m/2 個、99.70m/2 個。 測溫孔位置應根據實際情況而定， 測溫孔數量根據凍結孔施工情況增加。

三、效果分析

實踐證明， 凍結法保證凍結施工安全的同時，縮短了凍結施工工期，節省了大量電力資源， 避免了不必要的浪費。 從開挖斷面來看，凍結效果很好，無漏水及片幫現象。 開挖過程中，凍結效果很好，凍土強度也很高，完全滿足封水承壓的條件。 井幫迎頭溫度維持在-8℃～-10℃，左右幫溫度基本維持在-8℃左右。 頂板、底板、兩幫凍結壁厚度和強度均滿足設計要求。 在滿足凍結設計對于凍土強度要求的同時，井幫溫度不致過低，有利于混凝土的凝固，節省了時間，提高了井筒掘進的效率。 根據井下實測數據，砂礫石層凍結效果良好，穩定性好，沒有片幫發生；粘土層穩定性稍差，暴露段表面溫度回升較快，采取的措施是減小放空段，效果良好，沒有片幫發生。

四、結語

通過理論與實踐相結合， 龐龐塔礦千萬噸項目部在通過砂礫石層時采用的凍結法施工， 不僅保證了在松散層掘進期間的安全施工，還提高了井筒掘進的效率，為千萬噸礦井的建成投產打下了很好的基礎， 同時為今后斜井在深表土凍結方面提供了借鑒。