查干淖爾礦主立井井筒凍結設計方案比選

李彬（冀中能源峰峰集團錫盟查干淖爾礦籌建處，河北邯鄲 056200）

查干淖爾礦主立井井筒凍結設計方案比選

李彬
（冀中能源峰峰集團錫盟查干淖爾礦籌建處，河北邯鄲 056200）

查干淖爾礦主立井井筒凈直徑φ6.8m，井壁厚度為0.65m+0.70m，井筒深度298m。根據地質資料顯示，主立井所穿地層有第四系、第三系和白堊系地層，所穿地層大多以軟巖類巖石為主，穩定性差，承載力小，特別是泥巖、粘土（巖）遇水易軟化、膨脹，井田內第四系為松散孔隙含水層，富水性較強，白堊系地層含水量中等，井筒采用普通法施工難度太大。該文以查干淖爾礦主立井為例，提出主立井井筒凍結法施工方案，為以后內蒙白堊紀膨脹軟巖及大硐室凍結施工積累了經驗。

井筒 膨脹 軟巖 大硐室 施工

1　原已施工井筒破壞情況

查干淖爾一號井回風立井井筒、副立井井筒工程，在施工過程中，兩個井筒均出現不同程度的井壁開裂、脫皮、露筋現象，副立井外壁73.5m～94.5m段發生井壁開裂，回風立井外壁86.6m～134m段發生井壁開裂、脫皮，經過地層對比，發生開裂部分位于白堊系泥巖巖層中，屬軟巖類，膨脹性較大。

2　凍結方案

2.1結合地層巖性，凍結工程方案設計思路如下

方案Ⅰ：井筒主+輔孔凍全深和硐主+輔孔異徑局部凍結方式。

方案Ⅱ：井筒外、內插花凍全深+防片幫孔和硐外、內插花異徑凍全深凍結方式。

2.2凍結技術參數的確定

主立井井筒深度298m，凍深308m，預留10m保護段，掘砌深度298m，起算標高按井口±0.0m，絕對標高+1038m。以白堊系泥巖作為凍結控制層位，控制層位取298m，凍結壁平均溫度取-12℃。積極期鹽水溫度-28℃。

2.3凍結壁厚度計算

依據井筒地層條件，控制層位為298m。根據維亞洛夫--扎列茨基有限長塑性壁筒E=31/2*（1-φ）*h*P/［σ］和《煤礦凍結法開鑿立井工程技術規范》（MT/T1124-2011）有限長黏塑體按強度條件E=31/2*（1-）*k*h*P/［σs］計算凍結壁厚度，計算參數及結果見凍結壁計算參數表1、2。

根據以上兩種公式計算凍結壁厚度，借鑒類似井筒凍結施工經驗，控制層298m，凍結壁厚度取6.0m。

2.4測溫孔設計

表1　凍結壁計算參數表

表2　凍結壁計算參數表

布置4個測溫孔，孔深308/270m。測溫管采用Φ127×5mm無縫鋼管，外接箍連接方式，接箍Φ140×5mm。測1布置于地下水流上方主孔外側主面上，距凍結孔布孔圈徑1.3m；測2布置于井筒內側孔最大孔間距處。測3布置裝載硐室內側孔最大孔間距處。測4布置于裝載硐室拐角外側，距凍結孔布孔圈徑1.3m。

2.5水文孔設計

根據地質資料及井筒情況，設置1個水文孔，深度65m，分析判斷凍結壁交圈情況。水文管采用Φ127×5mm無縫鋼管，外接箍連接方式，接箍Φ140×5mm。

2.6凍結施工工期安排及鉆孔工程量

施工準備期15天，不含在總工期內，鉆機臺月效率暫按2200m計。

外壁掘砌速度60m/月，套壁速度300m/月（綜合掘砌速度按50m/月，如掘砌速度減少，工期相應增加）。即外壁掘砌149天，套壁30天，裝載硐室按預留情況考慮，維護凍結期增加90天。

主要含水層最大孔間距按1.9m計算，預計43天交圈，開機至試挖50天，主立井開挖后凍結179天/269天。

2.7凍結方案比選

（1）方案Ⅰ：采用井筒主+輔孔凍全深和硐主+輔孔異徑局部凍結方式。

井筒主孔62個，深度308m。硐室30個，深度270m，凍結孔工程量27196m。

此方案是按190m以下基巖普氏系數小于1.0，軟巖，需強化凍結，凍結控制層298m，凍結壁厚度6.0m。裝載硐室孔深270m，硐室底板下部只凍結了10m。凍結管結構設計硐室孔220m以上采用了φ127×5異徑管凍結，其余采用φ140×5無縫管凍結。井筒需冷量376.478萬大卡/小時，需配備8套冷凍機組。

（2）方案Ⅱ：采用井筒外、內插花凍全深+防片幫孔和硐外、內插花異徑凍全深凍結方式。

井筒主孔43個，深度308m，防孔16個，深度140m。硐室孔39個，深度308m，凍結孔量27496m。

此方案控制層298m，凍結壁厚度6.0m。防片幫孔距離荒徑1. 3m，深度140m，按外壁掘砌速度60m/月，掘砌120天到該孔時，內孔凍土可發展到荒徑。如防孔凍土發展快，及早進入荒徑，可及時調整或關閉，即可少挖凍土，也不影響凍結壁厚度。硐室處布孔加密，比方案Ⅱ硐室孔多9個，布設6個加強孔，是考慮裝載硐室斷面大，上、下頂底板全部凍結，確保安全。為節省冷量，設計硐室凍結孔220m以上采用了φ127×5異徑管凍結，其余采用φ140×5無縫管。井筒需冷量378.123萬大卡/小時，配備8套機組。

方案Ⅱ與方案Ⅰ比較，凍結孔工程量略大，多300m凍結孔工程量，但在滿足凍結壁厚度情況下，即少挖凍土，又加強了裝載硐室凍結。在費用相差不大情況下，方案Ⅱ比較安全。經過兩種凍結方案比選，建議采用方案Ⅱ，即井筒外、內插花凍全深+防片幫孔和硐外、內插花異徑凍全深凍結方式。