凍結施工技術在西部某礦井井筒工程中的應用

梁云海 陳紅蕾 李 林

(1.杭錦旗西部能源開發有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 014316； 2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

·施工技術·

凍結施工技術在西部某礦井井筒工程中的應用

梁云海1陳紅蕾2李 林2

(1.杭錦旗西部能源開發有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 014316； 2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

基于西部某礦進風立井地質水文特點，選用了單圈插花長短腿布孔設計方案，并對凍結施工技術進行了闡述，既為掘砌施工創造了良好的施工環境，又取得了較好的經濟效益，為西部類似地層凍結井方案設計提供借鑒。

沖積層，軟巖，富含水層，凍結方案

隨著西部煤炭資源的大開發，在陜甘、內蒙鄂爾多斯、新疆等地區施工的凍結井筒也越來越多[1]。西部地區地層有其特殊性，部分地區井筒穿過的第四系相對較薄，且穿過的軟巖強度低，自穩能力差，但軟巖凍結凍土發展速度快[2]。因此，在凍結井筒設計及施工過程中，不僅考慮井筒凍結與掘砌的時空配合，還須考慮東西部地區地層及水文地質差異，以保障凍結井筒安全快速施工。

西部某礦井設計生產能力為15.00 Mt/年，設計可采儲量為1 555.50 Mt，服務年限為74.0年。初期投產時共布置主斜井、副斜井、進回風立井4個井筒。主斜井和副斜井采用普通鑿井法施工，進、回風立井采用凍結法施工。

進風立井井筒凈直徑7.8 m，井筒設計深度387 m，上面被第四系現代風積沙所覆蓋，依次穿過第四系全新統風積沙(0 m～9.92 m)、新近系上新統保德組(9.92 m～92.19 m)、安定組(92.19 m～188.3 m)、直羅組(188.3 m～302.4 m)、侏羅系中統延安組第五段(302.4 m～370.5 m)。井筒穿越的風化巖及安定組、直羅組及延安組粉砂巖、泥巖及互層組底層，巖石結構松散，遇水巖石變軟，容易坍塌而失去穩定。井筒穿過的含水層由上至下劃分為五層，分別是：1)第四系全新統風積沙孔隙潛水含水層；2)安定組上部風化基巖裂隙承壓水含水層；3)侏羅系中統安定組基巖裂隙承壓水含水層；4)侏羅系中統直羅組基巖裂隙承壓水含水層；5)侏羅系中統延安組基巖裂隙承壓水含水層。從五個含水層的預計涌水量中可以看出安定組為井筒的主要涌水層(如表1所示)。

表1 含水層層段預計涌水量

1 凍結施工特點

進風立井開挖荒徑為9.9 m，凍結深度設計為237 m，凍結施工工期設計僅193 d，而從開始凍結到具備開挖條件僅為45 d，凍結工期緊張。從凍結井筒穿越的地層來看，該凍結井筒又具有以下特點：

1)凍結井筒深度不大，穿過的沖積層較薄(約占凍結總深度的1/3)，基巖段厚度相對較大。為保障井筒安全快速施工，少掘凍土，在凍結設計及施工中須考慮凍土發展與井筒掘進的時空配合[3-7]。基巖較沖積層導熱系數大，凍結凍土發展快，而基巖埋藏在井筒底部，開挖前的凍結時間較沖積層長，因此，在上部沖積層段凍結孔距離開挖荒徑宜小，保障短時間內凍土發展到荒徑；而在下部基巖段凍結孔距離開挖荒徑宜大，保障在凍結較長時間下凍土進荒徑較少[8-11]。

2)侏羅系安定組(包括風化基巖帶)為主要含水層，裂隙發育較大，含水較為豐富。井筒凍結主要解決該地層涌水問題。水文孔宜報道該含水層凍結壁交圈情況。

2 應對措施

在保證凍結井掘砌施工連續安全的情況下，為縮短造孔工期，節約造孔工程量，少打巖鉆，凍結孔布置采用長短腿布置方式；在少打鉆孔工作量的基礎上，為保障上部沖積層凍結壁快速達到設計厚度和強度，滿足掘砌施工快速開挖的需要，凍結孔布置采用單圈插花布置方式。綜上所述，為保障井筒凍結工程安全快速施工，進風立井選用單圈插花長短腿布置方式。

2.1 單圈內側淺凍結孔深度確定

單圈內側淺凍結孔深度確定原則：1)注意凍結與掘砌的時空配合，保證井筒連續施工的安全，避免掘砌到短腿后下部凍結壁沒交圈或強度不足引發事故；2)基巖風化帶及安定組為主要含水層，涌水量較大(41 m3/h左右)，裂隙發育，為基巖凍結封水的主要層位；3)水文孔報到層位選擇在安定組的含水層。根據積極凍結工期要求及水文孔報到的及時性和準確性，在安定組中應確保較小的孔間距，且與水文孔報到時間對應。

綜合考慮以上內側淺凍結孔深度設計原則，宜將內側淺凍結孔深度穿過主要含水層(基巖風化帶及安定組)，不僅能夠保證在安全的前提下掘砌的連續施工，也能保證水文孔冒水的準確性和及時性。如果淺凍結孔沒有穿過安定組主要含水層(如進風井主要含水層底板-180.9 m)，掘砌施工的連續性無法保證，或水文孔不能有效報道主要含水層的交圈情況或由于孔間距較大交圈時間大大推遲，影響工期。

2.2 單圈內側淺凍結孔圈徑確定

單圈內側淺凍結孔圈徑確定原則：1)考慮淺部沖積層的防片幫，凍結管距離開挖荒徑越近，改善井幫地質條件越快；距離開挖荒徑越遠，在開挖時，凍土未發展到荒徑改善土性，極易造成片幫等事故。2)深部基巖段(安定組)宜保證炮掘的安全距離，凍結管距離開挖荒徑越遠，炮掘時對凍結管安全威脅越小(規范要求炮眼距離凍結管大于1.2 m)。

結合上部沖積層凍土發展速度，內側淺凍結孔距離井幫1.2 m～1.4 m為宜，如設計距離過大，淺部沖積層井幫條件沒有改善，易造成片幫事故；設計距離過小，深部風化基巖段及安定組炮掘時，容易造成凍結管炸裂，綜合考慮內側淺凍結孔距離井幫1.3 m為最佳。

基于凍結壁厚度設計要求和以上分析，進風立井凍結工程布孔見圖1，水文孔布置深度見圖2。

3 實際凍結工程施工

進風立井井筒凍結造孔工程于2014年8月14日開始施工，2014年9月9日完成36個凍結孔、3個測溫孔，2個水文孔施工，實際造孔施工工期27 d，比計劃工期38 d提前11 d完工。

進風立井凍結從2014年9月25日開機運行，JW1水文孔自10月21日(凍結26 d)開始，水文孔內水位快速上漲至-4.19 m后上漲速度遲緩，并于11月2日(凍結38 d)冒出管口。JW2水文孔自10月18日(凍結23 d)開始，水文孔內水位快速上漲并于10月21日(凍結26 d)冒出管口。進風立井水文孔水位曲線如圖3所示。

11月2日掘砌施工單位在進行鎖口施工前的準備工作時，將JW1水文孔上覆蓋土挖去，發現孔管外環形空間向外涌水并形成

大量積水，由涌水量和積水量推斷水文管海帶封水效果不良是導致10月21日后水文孔水位上漲緩慢的原因。可見10月21日JW1水文孔報道的含水層凍結壁已交圈，比計劃工期38 d提前12 d。

掘砌施工單位在井口試挖完成后于11月9日轉入正式開挖。在掘砌施工過程中，無任何安全事故發生，并于2015年1月31日掘砌到底，順利通過凍結段。在井筒施工過程中，凍結單位隨時監測井幫溫度。監測的井幫溫度隨深度變化見圖4。由圖中井幫溫度可以看出：進風立井選用單圈孔插花長短腿布置方式，不僅能為安全快速建井提供保障，還能有效控制淺部沖積層的防片幫問題和深部基巖控制凍土進荒徑量。

4 結語

基于井筒穿過的地層及水文地質特點，西部某礦進風立井凍結工程采用單圈孔插花長短腿布置方式，不僅為安全快速建井提供保障，還能有效控制淺部沖積層的防片幫問題和深部基巖凍土進荒徑量，為西部類似凍結井方案設計提供依據。

[1] 劉宜和,李 林.蒙西隴東地區富水軟巖地層凍結造孔施工技術研究[J].煤炭工程,2014,46(4):40-42.

[2] 寧方波.關于西部軟巖地層井筒凍結設計的幾點認識[A].中國煤炭學會成立五十周年系列文集2012年全國礦山建設學術會議專刊(上)[C].中國煤炭學會煤礦建設與巖土工程專業委員會，2012.

[3] 高 偉,陳紅蕾,梁云海,等.間歇控制凍結技術在紅慶梁回風立井凍結工程中的應用[J].煤炭技術,2014(10):115-117.

[4] 范仕清.淮南丁集礦主井凍結段安全快速掘砌施工技術[J].西部探礦工程,2006(10):211-212.

[5] 張登龍.孫 疃.煤礦副井凍結段快速施工實踐[J].建井技術,2005(1):10-13.

[6] 胡學平.垂直凍結鉆孔下部土體空隙充填技術[J].山西建筑,2015，41(1):148-149.

[7] 公維強，徐學慶，牛 奔.特厚沖積層主井凍結法施工凍脹力監測研究[J].山西建筑,2015，41(1):111-112.

[8] 成中海，朱宗鎮.丁家梁煤礦主井凍結壁交圈分析[J].建井技術,2015(6):39-41.

[9] 劉軍權，郝建忠，王紅松，等.西部侏羅系深基巖立井凍結溫度場實測與分析[J].建井技術,2015(4):12-14.

[10] 張 磊.深厚粘土層凍結壓力實測分析[J].建井技術,2015(8):21-23.

[11] 馬芹永，袁 璞，張經雙，等.立井凍結基巖段爆破振動信號時頻分析[J].建井技術,2015(8):6-8.

Application of freezing construction technology in the shaft of a western coal mine

Liang Yunhai1Chen Honglei2Li Lin2

(1.HangjinBannerWesternEnergyDevelopmentCo.,Ltd,Ordos014316,China； 2.BeijingChinaCoalMineEngineeringCo.,Ltd,Beijing100013,China)

Based on the geological and hydrological characteristics of a western coal mine, the design of air intake shaft is the single ring flower leg length hole layout scheme. It describes the freezing construction techniques, both thinking about a good work environment creating for the continuous excavation and construction, and good economic benefits achieving. The frozen shaft scheme design provides references for the similar strata in western.

alluvium， soft rock， layer rich in water， freezing scheme

1009-6825(2015)30-0081-03

2015-08-13

梁云海(1966- )，男，高級工程師； 陳紅蕾(1981- )，男，工程師； 李 林(1987- )，男，工程師

TD262

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