某煤礦主副井深厚表土層凍結技術

【摘要】某煤礦井筒具有主副井相距較近、粘土層較厚等特征，結合此煤礦井筒的地質條件，最終決定對煤礦的主副井深厚表土層實施凍結技術。煤礦主副井深厚表土層凍結技術的實施要求相當高，具體包括主副井間設凍結站、凍結參數適時優化、各大型工程的施工安排要合理、時空關系安排要合理、監測監控工作要到位、凍結安全措施要有效落實等。實踐證實，煤礦主副井深厚表土層凍結技術具有建井工期短、工程建設成本低等優點。

【關鍵詞】凍結方式 凍結壁厚度 凍結站 井幫位移

某煤礦生產能力設計值為1.8Mt/a，井口標高為27m。主井凈直徑為5m，外壁與內壁厚度分別為400mm、550mm，主井深度為572mm；副井凈直徑為7m，外壁與內部厚度分別為550mm、650mm，其中主副井間存在60m的間距。結合煤礦井筒檢查孔有關資料可知，沖積層主要由多層粘土組成（約占沖積層總厚度的74%），其總厚度為210m，其中鈣質粘土的分布深度為-128～160m和-83～-112m。結合凍土試驗資料可知，在-100℃單軸抗壓條件下，上述兩層粘土的平均強度為3.87MPa和2.32MPa。砂質粘土的分布深度為-162～-177m，該類粘土層亦被稱作水敏性地層。結合規范要求可知，凍結深度應確定到264m。為了加快建井進度、降低工程成本，工程技術人員最終決定采用合理安排主副井筒有關工序與時空優化凍結方案。

一、凍結方案的設計

研究結果表明，凍結壁強度與厚度對井筒掘砌安全具有直接性的影響。結合該煤礦的地質條件最終確定，凍結壁設計方案為深厚粘土層凍結設計；凍結方案為主井與副井分別處在凍結期和積極凍結期的最大鹽水流量與最大需冷量。為了滿足工程實際需要，該煤礦決定把主井凍結施工安排到副井凍結施工之前。

（一）凍結方式與凍結深度設計

1.設計原則

該煤礦的凍結方式最終確定為“主排孔+輔助孔”凍結方式，其中主排孔執行差異凍結方式。結合井筒的地質條件、凍結時間、開挖速度、整體強度要求與凍結壁厚度，輔助孔執行全深凍結方式，同時堅持“穿過風化帶”原則。

2.孔間距要求

研究結果表明，必須嚴格控制凍結孔的偏值與間距，由此把凍結壁的交圈時間控制到位，其中表土內主排孔的偏值<500mm、輔助孔內的偏值<400mm、孔間距≤2.2m。

（二）凍結壁厚度的計算

結合該項工程的具體特點，下部粘土層凍結壁厚度的設計標準為空幫時間≤20h、掘砌高2m。下文主要介紹三種計算方式，同時結合各計算結果確定出主副井凍結壁的實際厚度。

1.里爾曼公式：

其中， 為上覆巖層的容重，取 ； 為上覆巖層各層的厚度； 為凍結壁暴露時間所對應的凍土強度； 為掘進安全段高度，取2.5m； 為安全系數，取1.2。結合里爾曼公式最終計算出E主井為4.0m；E副井為5.09m。

2.維亞洛夫-扎列洪基公式： （備注：此時僅有上端固定到位）

其中， 為計算層位的地壓。結合維亞洛夫-扎列洪基公式計算出E主井為3.83m；E副井為4.79m。

3.《煤礦凍結片鑿井技術規程》提供的強度公式：

其中， 取1.3； 取0.2； 取2.5。結合此強度公式計算出E主井為3.99m；E副井為4.99m。

結合上述計算結果和該項工程的具體要求，最終把凍結壁厚度確定為E主井為4.0m；E副井為5.1m。

二、凍結方案的實施

（一）凍結站的運轉情況

主井的打鉆作業與凍結站的安裝同步進行，其中主井的打鉆作業耗時44d、地溝槽的施工耗時10d。該煤礦凍結站首次運轉的時間安排在主井打鉆結束的第11d，此時開始對副井進行打鉆作業。主井與凍結站運轉30d后，凍結壁交圈三含報水結束，其中37d后才完全擁有開挖條件，此時掘砌施工單位可開始井筒試挖，同時實行快速掘進施工方案。待主井凍結系統運轉三個月后，壁座進入套壁停機狀態，而副井自正式運轉的38d后三含冒水，此時決定試挖時間安排到17d后。主副井間凍結站同時為主井與副井提供85d的服務，期間主井保持維護凍結期、副井保持積極凍結期，其中副井的凍結運轉時間共141d。

（二）井幫位移觀測與凍結壁外側的擴散速度

1. 井幫位移觀測：若凍結壁保持著穩定狀態，則粘土層的變形速率與井幫的暴露時間呈負相關，其中粘土層的最大位移速率出現在井幫暴露后的3h。

2. 凍結壁外側的擴散速度：凍結壁的結冰溫度處在0℃。假定凍結壁的到達時間與測溫孔徑到外圈孔的距離分別為T、L，則外壁擴展的平均速度應為L/T。基于上述參數可計算出各地層凍結壁的擴展速度，其中粘土凍結速度比砂質粘土凍結速度更慢。研究證實，各地層間平均溫度的發展規律和凍結壁的有效厚度大致相同，其中雙排孔交圈階段的凍結壁厚度較大，自此以后呈緩慢趨勢；其次凍結壁平均溫度的下降速度呈現出前期快后期慢的現象。

三、討論

總體而言，上文針對某煤礦主副井深厚表土層凍結技術所談及的內容可簡單歸納為如下幾點：

（一）就膨脹性粘土層段而言，需做到如下幾點：適量增加鹽水的流量；切實加強凍結；把深厚固結粘土層地段的井幫溫度控制到-3℃～5℃以內，同時把荒徑內凍土的深度控制到400mm～600mm之間。

（二）就深厚膨脹性粘土34m段與29m段而言，必須做到如下幾點：加快掘進速度、精心組織施工、加強觀測監控，由此確保掘進過程安全有序。觀測數據顯示，主井井幫位移速率為2.8mm/h，其主要分布在開幫后的2h～3h以內；主井段與副井段高度分別為2.4m、3.3m；主副井段井筒所對應的循環霎時間為15h、18h；井幫位移量為32mm、38mm，其中井幫位移量<50mm，屬安全井幫位移量。

（三）若井幫溫度被控制到-3℃～-50℃之間，則內排孔雙號全部處在關閉狀態，其中單號孔僅開啟1/2。若井幫溫度為-6.9℃，則內排孔全部處在關閉狀態，其中主排孔的鹽水供給正常，此時需適當降低開機的功率，同時控制好凍結壁溫度場的穩定狀態。

參考文獻

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作者簡介：石偉 （1980-10）男 安徽省淮北市人 助理工程師，主要從事凍結鑿井以及施工管理和技術工作。