鉆井法和凍結(jié)法在立井施工中的效益分析

杜均莉

平煤股份八礦二井位于河南省平頂山建設(shè)路東段路南，東靠許平南高速公路，西距許南公路3.5公里，其中回風(fēng)井井筒深度480.2米，凈直徑為6米，使用鉆井法施工，最終總投資為8059.26萬元；進(jìn)風(fēng)井井筒深度493.2米，凈直徑為7.6米，使用凍結(jié)法施工，最終總投資為13533.42萬元。兩井筒地質(zhì)特征相同，均為表土段較深，占井筒深度的86.5%，而基巖段所占比例較小，占井筒深度的13.5%。其中表土段的粘土層多、厚，且多含粘性含鈣及膨脹較強(qiáng)的灰綠色粘土；砂層較多，單層比較厚，較板結(jié)；地層含有較厚的卵石層，且飽和、密實(shí)，且井筒深度較大、斷面積大、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致其施工難度大、施工技術(shù)復(fù)雜、施工周期長。立井井筒表土段施工方法是由表土層的地質(zhì)及水文條件決定的。在不穩(wěn)定表土層中施工立井井筒，用普通的施工方法是很難通過其表土層的，必須采用特殊的施工方法，作為特殊鑿井法中最常見的凍結(jié)法和鉆井法施工工藝，在八礦二號(hào)井的回風(fēng)井和進(jìn)風(fēng)井中分別得到應(yīng)用，通過對(duì)兩種施工工藝在投資方面的直觀對(duì)比，可以為施工方案的選擇提供依據(jù)。

一、研究意義

立井井筒工程是礦井建設(shè)的關(guān)鍵工程。我國立井井筒的主要特點(diǎn)是井筒深度大、斷面積大、表土層厚、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致其施工難度大、施工技術(shù)復(fù)雜、施工周期長。立井井筒表土段施工方法是由表土層的地質(zhì)及水文條件決定的。立井井筒穿過的表土層，按其掘砌施工的難易程度分為穩(wěn)定表土層和不穩(wěn)定表土層。在不穩(wěn)定表土層中施工立井井筒，用普通的施工方法是不可以通過其表土層的，必須采用特殊的施工方法。我國目前主要以凍結(jié)法和鉆井法為主。目前鉆井施工法和凍結(jié)施工法在我國均屬于比較成熟的井筒施工工藝，實(shí)現(xiàn)了全套設(shè)備國產(chǎn)化，全部工序機(jī)械化，綜合技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，但兩種施工工藝對(duì)投資的影響差異未量化，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況合理選擇施工工藝。八礦二號(hào)井的回風(fēng)井和進(jìn)風(fēng)井地質(zhì)狀況相同，分別使用鉆井法和凍結(jié)法施工，是平煤集團(tuán)公司內(nèi)部所有工程項(xiàng)目中唯一既有鉆井法也有凍結(jié)法立井井筒施工工藝的新建項(xiàng)目。通過研究鉆井法和凍結(jié)法兩種施工工藝的特點(diǎn)，及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，來分析判斷針對(duì)某個(gè)井筒應(yīng)采取何種施工工藝，從而達(dá)到投資最為節(jié)省，合理選擇施工方法，為業(yè)主提出合理建議，具有很好的推廣前景。

二、鉆井法與凍結(jié)法簡介

由于我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求量不斷增加，致使礦山建設(shè)工程量在全國范圍內(nèi)大幅度增加，井筒施工也大幅度增加。因很多地區(qū)地下土層情況復(fù)雜，地下水位較高或地下管線密布等情況，給施工帶來了較大難度。特別是地下水位較高地區(qū)，土方挖掘后因水流關(guān)系易造成土方坍塌，危害施工人員安全，也給工程建設(shè)帶來較大經(jīng)濟(jì)損失。

鉆井法是用鉆頭破碎巖石，用洗井液進(jìn)行洗井排渣和護(hù)壁，當(dāng)井筒鉆至設(shè)計(jì)直徑和深度以后，在洗井液中進(jìn)行支護(hù)的機(jī)械化鑿井方法。鉆井法鑿井綜合多種技術(shù)工藝，通過在地面專門研制的大直徑鉆機(jī)，驅(qū)動(dòng)鉆桿、鉆頭和破巖刀具向地層鉆進(jìn)，鉆進(jìn)時(shí)用泥漿臨時(shí)支護(hù)井幫和冷卻鉆具。通過鉆桿中的風(fēng)管送入壓縮空氣，用壓氣升液法將泥漿高速排上地面（又稱反循環(huán)洗井），達(dá)到?jīng)_洗井底和攜帶鉆屑的目的。含鉆屑的泥漿，經(jīng)過地面凈化處理，返回井中，多余廢漿和成井后的大量棄漿可經(jīng)過快速處理，固化或還原成水和土。井孔鉆進(jìn)為了合理利用設(shè)備能力和保證質(zhì)量，一般采用一次超前，分級(jí)擴(kuò)孔。當(dāng)鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)直徑和深度后，將地面分節(jié)預(yù)制好帶有井壁底的鋼筋混凝土井壁或鋼板混凝土復(fù)合井壁，在充滿泥漿的鉆孔中用鋼法蘭盤逐節(jié)連接，懸浮下沉至井底作永久支護(hù)。最后在井壁外圍用水泥漿和其它材料，根據(jù)地層條件分段進(jìn)行置換泥漿的充填固井。成井偏斜率根據(jù)井型不同，控制在0.4‰（主、副井）～0.8‰（風(fēng)井）以內(nèi)。鉆井法實(shí)現(xiàn)了全部鑿井工序在地面進(jìn)行，大大減輕鑿井工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，工作安全，施工質(zhì)量好。鉆井法鑿井技術(shù)可應(yīng)用于任何地層，已有百余年的歷史，我國于1969年首次采用鉆井法鉆鑿煤礦立井獲得成功。但就其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益來看，目前仍以鉆進(jìn)表土底層時(shí)效果最佳。

凍結(jié)法施工的基本原理為利用土體凍結(jié)后其強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及隔水能力大大優(yōu)于天然土的性質(zhì)。在巖土工程開挖之前，在開挖的工程周圍，鉆造鉆孔（凍結(jié)孔），利用人工制冷技術(shù)，通過凍結(jié)孔對(duì)地層進(jìn)行制冷，形成一個(gè)封閉的凍土結(jié)構(gòu)，隔絕地下水的聯(lián)系，同時(shí)抗抵周圍巖土的壓力，確保工程開挖的安全。凍結(jié)法施工的工藝原理是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水結(jié)冰，將松散含水巖土變成凍土，增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，隔絕地下水，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下，進(jìn)行地下工程掘砌作業(yè)。凍結(jié)法的凍結(jié)制冷技術(shù)通常是利用物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，即氣化過程的吸熱現(xiàn)象來完成的。立井凍結(jié)鑿井是利用傳統(tǒng)的氨循環(huán)制冷技術(shù)來完成的。它是在井筒開挖之前，用人工制冷的方法，將井筒周圍含水地層凍結(jié)成一個(gè)封閉的不透水的帷幕，即凍結(jié)壁，用于抵抗地壓、水壓，隔絕地下水與井筒之間的聯(lián)系。而后，在其保護(hù)下進(jìn)行掘砌施工。為形成凍結(jié)壁，首先在欲開挖井筒的周圍打一定數(shù)量的凍結(jié)孔，孔內(nèi)安裝凍結(jié)器。低溫鹽水在凍結(jié)器中流動(dòng)，吸收其周圍地層之熱量，形成凍結(jié)圓柱。凍結(jié)圓柱逐漸擴(kuò)大并連接成封閉的凍結(jié)壁，直至達(dá)到其設(shè)計(jì)厚度和強(qiáng)度為止。然后在其保護(hù)下進(jìn)行掘砌施工，以便安全穿過含水地層。

三、工程投資對(duì)比

1.工程投資對(duì)比分析。因?yàn)閮蓚€(gè)井筒直徑不同（進(jìn)風(fēng)井井筒凈直徑7.6米，回風(fēng)井井筒凈直徑6米），使用礦山建設(shè)中常用的“延米/元”作為單位不太合適，又因?yàn)閮蓚€(gè)井筒深度接近（進(jìn)風(fēng)井井筒深493.2米，回風(fēng)井井筒深480.2米），所以在本次研究中我們創(chuàng)造性的引入“立方米/元”這一單位進(jìn)行井筒工程投資對(duì)比分析，更加貼合實(shí)際，并且簡單直觀的反映出鉆井法和凍結(jié)法施工的單位造價(jià)。

2.從工程投資考慮，鉆井法施工占優(yōu)勢。因此，應(yīng)優(yōu)先考慮鉆井法施工，但鉆井法施工無法保證井筒的垂直度。有提升要求的進(jìn)風(fēng)井不能采取鉆井法施工，而回風(fēng)井無提升要求，可采取鉆井法施工。八礦二井回風(fēng)井采取鉆井法施工為最優(yōu)方案，進(jìn)風(fēng)井采取凍結(jié)法施工為最優(yōu)方案。

3.對(duì)工程投資的影響及差異值對(duì)比。鉆井法由于實(shí)現(xiàn)了鑿井工藝綜合機(jī)械化和部分工藝自動(dòng)化，使鑿井工人從繁重的體力勞動(dòng)中解脫出來。由于鉆井速度快，勞動(dòng)生產(chǎn)率高，降低了工程成本，建井投資費(fèi)用比普通鑿井法低15%～40%。凍結(jié)法由于制冷過程中需要耗費(fèi)大量電力，每月單純用于冷凍的電費(fèi)即可達(dá)到20萬元甚至更多，一年的電費(fèi)將達(dá)到240萬元以上，大大超出了普通鑿井法的施工費(fèi)用。通過引入普通鑿井法的對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，鉆井法鑿井的工程投資是大大低于凍結(jié)法鑿井施工工藝。

四、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析

1.經(jīng)濟(jì)效益。回風(fēng)井使用鉆井法施工，最終總投資為8059.26萬元。進(jìn)風(fēng)井使用凍結(jié)法施工，最終總投資為13533.42萬元。因此采用鉆井法后可為建設(shè)單位節(jié)約投資。

2.社會(huì)效益。鉆井法和凍結(jié)法在八礦二井立井施工中的經(jīng)濟(jì)效益分析，有利于提高施工決策水平，對(duì)加速井筒施工行業(yè)的發(fā)展起到推動(dòng)作用。在井筒施工中采用先進(jìn)的特殊鑿井工藝進(jìn)行施工，能夠有效規(guī)避地下含水層對(duì)施工造成的影響，它能保證井筒開鑿順利快速施工，很大程度上保證了井筒施工的安全性。但究竟應(yīng)采取何種特殊鑿井法，在確保工程質(zhì)量的前提下加快工程進(jìn)度，有效的控制工期，使建設(shè)單位盡快投入生產(chǎn)并贏得效益，為建設(shè)單位及施工單位規(guī)避了質(zhì)量事故和由于地質(zhì)條件造成拖延工期而帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失。通過研究鉆井法和凍結(jié)法兩種施工工藝的特點(diǎn)，來分析判斷針對(duì)某個(gè)井筒應(yīng)采取何種施工工藝，從而達(dá)到投資最為節(jié)省，可以產(chǎn)生良好的社會(huì)效益。

五、推廣應(yīng)用前景

在井筒施工中采用先進(jìn)的特殊鑿井工藝進(jìn)行施工，能夠有效規(guī)避地下含水層對(duì)施工造成的影響，它能保證井筒開鑿順利快速施工，很大程度上保證了井筒施工的安全性。采取合適的特殊鑿井法，可以在確保工程質(zhì)量的前提下有效的控制工期，使建設(shè)單位盡快投入生產(chǎn)并贏得效益。通過研究鉆井法和凍結(jié)法兩種施工工藝的特點(diǎn)及投資對(duì)比，來分析判斷針對(duì)某個(gè)井筒應(yīng)采取何種施工工藝，從而達(dá)到投資最為節(jié)省，為業(yè)主提出合理建議，可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，具有很好的推廣前景。

（作者單位：中國平煤神馬集團(tuán)技術(shù)中心）