凍結法在陽煤集團堡子公司副斜井過續(xù)魯河沖積層施工中的應用

【摘 要】該文就凍結法在陽煤集團堡子公司副斜井過續(xù)魯河沖積層施工中的應用進行具體的闡述，以供同行探討，具有一定借鑒意義。

【關鍵詞】凍結法；副斜井；續(xù)魯河沖積層

0.引言

早在1880年，德國工程師波茨舒就提出了人工凍結法原理并獲得了專利，并在1883年首次將該技術應用于德國阿爾巴里德煤礦井筒施工（凍結深度為103m），獲得了成功。至今，人工凍結法已有近130年的歷史，已是一種理論上和實踐上都比較成熟的特殊施工方法。下面就凍結法在陽煤集團堡子公司副斜井過續(xù)魯河沖積層施工中的應用進行具體的闡述，以供同行探討。

1.副斜井基本情況簡介

堡子公司副斜井設計副斜井擔負礦井矸石、設備及材料等輔助提升任務，同時作為礦井的主要進風井和安全出口。

開掘過程中依次穿過地表黃土層、第四系含水層、二疊系下盒子組并最終抵達山西組2#煤，其中地表黃土層為明槽開挖，長度98m，第四系含水層厚度35m，主要由砂、砂礫石，卵石組成，滲透性強，出水量大，采用冷凍法通過。

副斜井遇續(xù)魯河沖積層時，先采用帷幕注漿進行施工未達到預期效果，之后采用凍結法施工。在井筒施工期間，由于個別冷凍管布置誤差或在井筒施工中被截斷，導致井筒涌水并逐漸增大為26m3/h，施工困難較大。帷幕注漿法失敗后，經(jīng)過咨詢和走訪兄弟單位遇見類似情況時采用凍結法施工效果比較理想。故堡子公司、晉南公司、集團公司研究后決定采用凍結法施工。2011年12月根據(jù)勘探現(xiàn)場成果繪制了鉆孔平面圖和基巖面剖面圖，計算出需凍結長度80m左右，為下一步的凍結法施工提供了依據(jù)。

2.凍結法施工工藝

凍結法施工方案及鉆孔設計于2012年1月完成，經(jīng)晉南公司對凍結法施工方案及鉆孔設計進行會審后，報集團公司審查批準，凍結法施工方案及施工工藝如下：

A：凍結孔布置：

（1）根據(jù)副斜井現(xiàn)場地質(zhì)勘查情況，井筒凍結施工長度確定為84m，分兩段施工，第一段凍結0m到43m為斜孔凍結方式，第二段43m到84m為地面垂直孔凍結方式。斜孔布置在巷道圍巖外1.1-1.4m處，采用25度下山斜孔20個進行凍結，孔深為43m。垂直孔深度按設計井筒底板下3m處為終孔深度，垂直孔布置四排，排距為2.2-2.3，間距為1.2-2m設計孔數(shù)為90個。

（2）凍結孔偏斜率表土段≤5‰，凍結孔向井中偏值≤300mm。

（3）凍結管選用∮108×4.5mm，20#低碳鋼無縫鋼管。

（4）凍結管采用焊接連接，斜孔每根長度小于4m，保持0.1MPa壓力2小時不降低為合格。

B：測溫孔布置：

井筒布置4個測溫孔，測溫孔深度為30m，根據(jù)凍結孔測斜情況，設置在凍結孔間距大的位置，凍結圈徑外0.8m處，測溫管選用∮108×4.5mm，20#低碳鋼無縫鋼管。

C：凍結站制冷設計：

冷凍站最大需冷量必須滿足凍結需要，并裝有一定數(shù)量的備用機組以確保井筒正常凍結，根據(jù)井筒凍結實際需求，設立凍結站一個。

經(jīng)計算，凍結站需冷量為23.5kcal/h，選用螺桿鹽水機組，凍結站配備F1YSLG20F型螺桿鹽水機組2臺，標準制冷量100萬kcal/h。

3.鉆孔施工過程

（1）鉆機施工鉆場2012年2月1日開始開挖，2月下旬鉆場及護坡于2月下旬施工完成，鉆場開挖土方約1000立方。

（2）凍結施工隊伍于2012年2月中旬進場，鉆場施工完畢后開始安裝鉆機。1號斜孔于2012年2月29日開鉆，于2012年6月10日斜孔下管全部施工完成，斜孔設計長度為42.33m，根據(jù)現(xiàn)場施工情況，斜孔長度延長到46m，覆蓋到設計垂直孔第4排處。共施工鉆孔36個，孔深長度總計1735m，成孔20個，成孔孔深長度總計1094m，鉆孔成孔率為55.56%，孔深使用率為63%。斜孔于6月14日開始凍結，7月15日凍結達到預期要求，7月18日副斜井開始掘進。截止11月20日斜孔冷凍段已經(jīng)施工完畢，開始施工垂直孔凍結段，2013年3月10日停止斜孔冷凍。

（3）垂直冷凍孔2012年4月26日開始施工，2012年7月12日施工完成，共施工鉆孔89個，全部有效，無廢孔，鉆孔設計總長度為3125.52m，實際總長度為3283.42m。垂直孔10月8日開始凍結。11月20日開始施工垂直孔段，2013年4月19日停止垂直孔冷凍。2013年5月2日垂直孔凍結段全部施工完畢。

4.副斜井壁后注漿施工工藝

副斜井凍結段掘進80m時，井筒涌水量約為26m3/h，由于巷道涌水量太大，施工及其困難，經(jīng)公司領導研究決定：采用壁后注漿充填加固止水，副斜井于2013年4月1日開始停掘，注漿隊伍開始進場注漿，4月2日開始打孔注漿，于4月29日注漿完成，利用4月份一個月時間對副斜井凍結段進行壁后注漿充填加固止水，每孔深度為1—2m，共施工鉆孔198m，注漿用水泥321噸，RSS粉狀化學料5.5噸、RSS液體化學料40.6噸。注漿截止4月底，將副斜井井筒澆筑段壁后全部注漿充填加固，已無涌水現(xiàn)象，由于掌頭范圍9m未進行混凝土澆筑，注漿時無法加壓，將水全部控制到兩根2寸管中，集中排水，現(xiàn)井筒中的涌水已控制。

5.副斜井過沖積層掘進施工工藝

副斜井凍結段施工采用人工風鎬、手鎬掘進，運渣采用人工裝渣到礦車上運輸，由于副斜井井筒施工全部采用人工施工，工人勞動難度較大且施工進度還比較緩慢，正常掘進時，將一架棚的渣清理完，支完一架棚需兩天才能完成，每支15架棚左右進行一次混凝土澆灌，澆灌時需對井筒進行起底，起完底后開始對底板進行澆筑，底板澆筑完成后開始澆筑幫部和拱部，最后拆模，完成15架棚混凝土澆筑一般為15天，每月副斜井井筒施工進度約為10m。

6.副斜井施工期間存在的問題及解決方法

6.1鉆場布置

副斜井一側1-5號冷凍孔是利用挖掘機挖出井筒后，在表土段停掘處打鉆，由于鉆場為深坑處，鉆機施工冷凍斜孔需根據(jù)設計孔位搭架施工，鉆機下部為積水和淤泥，鉆孔施工期間需要進行排水，因而，導致施工難度加大。凍結期間，凍結管接頭破裂需處理時，還需清理淤泥和排水后方可進行。在施工副斜井另一側9-15號孔時采用延長斜孔外端至地面的方法直接在地表穩(wěn)鉆施工，降低了施工難度。

6.2斜孔凍結的優(yōu)缺點

斜孔凍結的弊端為：斜孔施工時，成孔率及使用率較低，副斜井的鉆孔成孔率為55.56%，孔深使用率為63%。且鉆孔偏移度較大，也因部分冷凍斜孔偏移設計位置導致凍結效果欠佳。

有利方面為：有效控制了沖積層在井筒施工過程中的蠕變流動、垮塌及涌水量，顯著改善了副斜井的施工條件。且井筒施工后，能繼續(xù)對井筒進行凍結，使涌水量的控制得以繼續(xù)維持。

6.3垂直孔凍結的優(yōu)缺點垂直孔凍結有利方面為：垂直孔施工時，成孔率及使用率高，副斜井垂直孔施工無廢孔。

垂直孔凍結弊端為：施工期間中間兩排孔需割斷處理，割斷后將無法進行凍結，割斷孔解凍后，都成為導水孔，導致巷道涌水量加大。

6.4支護方面

凍結段支護為29U棚+鋼筋混凝土澆灌聯(lián)合支護，掘進時，先采用29U棚支護，再進行鋼筋混凝土澆灌，剛開始29U棚支護時，采用砼背板、破板進行構頂支護，每支一架棚進行噴砼封閉，由于噴砼不能使背板后面全部充填，凍結效果不好的局部地點開始涌水。針對這一問題，將29U棚后采用鋼筋網(wǎng)和噴砼支護，使29U棚后無空隙，大幅度降低了井筒涌水量。

7.結論

冷凍法施工在井筒中應用，安全性比較高，冷凍形成的凍土帷幕效果比較好，尤其適用于河床沖積層或流沙層的加固。堡子煤業(yè)有限公司副斜井采用冷凍法施工，屬集團公司首例，在施工過程中雖有不足之處，但總體是成功的，對集團公司同類地質(zhì)條件下的斜井施工提供了可資借鑒的有效施工方法。隨著施工技術和冷凍技術的不斷發(fā)展，冷凍法在井筒施工方面的應用會越來越廣泛。