高河煤礦鮑村風井井筒凍結施工技術淺析

陳引鋒，孫加榮，馬長玲，方迎輝

（1.陜西能源職業技術學院，陜西咸陽712000；2.陜西省煤田地質局一九四隊，陜西銅川727000）

高河煤礦鮑村風井井筒凍結施工技術淺析

陳引鋒*1，孫加榮1，馬長玲1，方迎輝2

（1.陜西能源職業技術學院，陜西咸陽712000；2.陜西省煤田地質局一九四隊，陜西銅川727000）

通過對高河煤礦鮑村風井凍結工程條件的分析，在總結以前該礦區井筒凍結經驗的基礎上，提出了外孔+內孔插花差異布置凍結方案，采用低溫大流量凍結的方式，及信息化監控系統的技術，來監控凍結車間和隨時掌握凍土發展的情況，以保證井筒安全快速掘砌，為今后礦井建設安全生產積累了經驗。

立井；凍結孔；凍結施工技術

1 工程概況

1.1 礦井簡介

高河井田位于長治市以西約4km處，鮑村風井工程為高河煤礦的接續工程，風井位于礦井工業場地北部約2.0km的一處平地上,距鮑村約0.6km，場地地形平坦開闊。

鮑村風井井筒，因其地質條件復雜，采用普通法施工難以通過，為加快礦井建設速度，確定采用凍結法施工[1]。

1.2 井筒地質特征分析

1.2.1 地層巖性

鮑村進、回風立井井筒檢查孔所揭露的地層，由新到老依次為：第四系、二疊系上統上石盒子組、二疊系下統下石盒子組、二疊系下統山西組與石炭系上統太原組（未完全揭穿）。

1.2.2 地質特征

由井筒檢查孔資料得知，進風井揭露第四系厚度為211.76m，下部基巖厚度為299.71m；回風井揭露第四系厚度為213.58m，下部基巖厚度為316.53m。

（1）第四系：其上部為砂質粘土、風成砂，屬軟弱層，強度低、遇水易變軟，為不良工程體，井筒施工中應引起重視；底部為礫石層，松散，透水性強，一般不含水，在建井過程中易坍塌，施工中應特別注意。

（2）風化基巖段：從上到下可分為強風化層、中等風化層與弱風化層。風化層巖石多呈碎塊狀，用手可折斷或錘擊易碎，風化裂隙發育。

（3）基巖段（不包括風化基巖段）：巖性為粉砂巖和砂質泥巖。砂質泥巖主要以石英長石為主，巖石軟弱，遇水易軟化，易風化，穩定性或堅固性差，是凍結的重點。

另外，沖積層較厚，提高鉆孔施工技術，確保鉆孔施工質量是該工程的關鍵，施工中應嚴格控制，重點把握[2]。

1.3 井筒主要技術特征

表土及風化基巖帶采用凍結法施工，外孔凍結深度均暫定為290m，內孔凍結深度均暫定為220m，以凍結取芯孔確定最終凍結深度[2]。凍結段井壁厚度1150～1300mm，基巖段井壁厚度600mm。井筒設計參數具體見表1。

表1 井筒設計參數表

2 凍結方案設計

2.1 凍結方式

為了保證凍結壁的有效厚度和強度，實現井筒連續掘砌、順利開挖，凍結施工方案中凍結孔采用外孔加內孔插花差異布置的方式[3]。

2.2 凍結技術參數的確定

根據高河煤礦鮑村進、回風立井井筒工程地質條件，凍結參數確定如下：

（1）鹽水溫度：積極凍結期鹽水溫度為-28℃～-30℃，維護凍結期鹽水溫度為-22℃～-24℃。

（2）凍結壁厚度：為求得安全、合理的凍結壁，在總結高河煤礦小莊進、回風井等井筒凍結成功施工經驗的基礎上，確定采用有限段高強度極限狀態，按強度條件計算凍結壁厚度[4]，計算公式為E=31/2Ph/σs，計算參數及結果見表2。

表2 凍結壁計算參數表

根據山西地區類似井筒凍結施工經驗，進、回風立井凍結壁厚度均取3.60m。

（3）鉆孔布置設計：

①鉆孔偏斜控制：凍結孔采用靶域半徑和最大孔間距控制，0～150m靶域半徑不大于0.35m，150～290m靶域半徑不大于0.50m。凍結孔向內偏斜不大于0.5m，測溫孔偏斜率不大于3‰[4]，不得打穿鄰近凍結孔，水文孔各水平落點不超出井筒凈斷面。

②鉆孔布置：凍結鉆孔布置及最大孔間距控制,見凍結孔布置參數表3、表4。鉆孔布置示意圖見圖1。

③測溫孔：為了準確掌握凍結溫度場變化情況，監控凍結壁形成及擴展狀況。進、回風立井各布置3個測溫孔。采用?108mm×5mm無縫鋼管，外接箍連接，接箍?121mm×5mm。其中測1布置于地下水流上方外孔外側主面上，測2布置于地下水流下方外孔外側較大界面上，測3布置于外孔與內孔斜距最大孔間距處，均距外凍結孔布孔圈徑1.3m。

表3 鉆孔布置參數表

表4 凍結孔最大孔間距控制要求

④水文孔：根據地質資料查明，在沖積層主要含水層位需設置1個水文孔，作為監測水位和水溫變化情況，以分析判斷凍結壁交圈情況。水文管采用?108mm×5mm無縫鋼管，外接箍連接，接箍?121mm× 5mm。水文孔花管層位及止封水位置見表5。

表5 水文孔深度、花管位置一覽表

圖1 高河煤礦鮑村進、回風立井鉆孔平面布置與剖面圖

封止水材料為粘土、海帶。

⑤凍結壁交圈時間及井筒開挖標準：沖積層主要含水層（150m以上）最大孔間距按1.9m計算，預計40d交圈，開機至試挖45d。水文孔冒水后證實主要含水層凍結壁已交圈；根據測溫資料分析，井筒掘砌至各水平時，凍結壁能夠達到設計需要的厚度和強度。

2.3 施工主要設備

進、回風井共設一個凍結站，冷凍機選用HLG20ⅢDA185型高壓機與HJLG25ⅢTA250型低壓機各4臺，8AS-12.5型活塞機1臺作為打壓機。鹽水泵選擇：每井各選用10Sh-6A型水泵2臺，備用1臺；選用200QJ32-26/2型水泵2臺，備用1臺；凍注鉆機TSJ-2000E型4臺，泥漿泵TBW-850/50型與3PNL-1型各4臺，螺桿冷凍機組HJLG25ⅢTA250型與

HJLG20ⅢTA185型各8臺。進、回風立井均4臺鉆機同時作業，施工時鉆機與泥漿泵配套使用，凍結站冷凍機及鹽水泵啟動裝置與其電機配套使用。

3 施工工藝及技術要求

凍結工程作業內容包括：施工準備、凍結鉆孔施工、凍結站安裝、積極凍結運轉、配合井筒掘砌施工和進行維護凍結。凍結站安裝與鉆孔施工平行作業，同時完成，主要技術要求如下[5]：

（1）施工時，鉆機采用?89mm鉆桿、?159mm加重桿、?171.4mm牙輪鉆頭組成的加重鉆具，回轉式鉆進泥漿護壁的方法，分班連續作業方式。每臺鉆機配備TBW-850/50型泥漿泵1臺。鉆孔測斜采用JDT-5型陀螺儀，實現不提鉆測斜；采用JDT-3K型陀螺儀定向，隨鉆可提式導向器和YL-127型螺桿鉆糾斜。

（2）根據凍結站的總體設計，按照先設備后管路的安裝程序和施工圖的技術要求，將三大循環系統（氨系統、鹽水系統及冷卻水系統）分別進行安裝，并按《煤礦井巷工程施工規范》（GB50511-2010）要求試壓、檢查驗收。

（3）凍結壁未達到設計厚度前的凍結時間均為積極凍結期，達到設計厚度后轉為維護凍結期。凍結期間進行水文孔水位、參考井水位、測溫孔溫度的檢測，井筒掘進期間的井幫溫度、凍結壁位移等要進行嚴格的檢測監控，為井筒安全掘砌施工提供可靠的依據。

4 質量控制與系統監測

（1）為確保凍結深度合理，施工主凍結孔時，對地層進行取芯，以便校核地層結構，要求凍結深度必須終止在不透水的完整基巖中。取芯起止深度暫定從凍結深度往下取10m，即進、回風井凍檢孔取芯從井口算起止位置290～300m。

（2）采用鉆、測、糾相結合的凍結孔鉆進技術，嚴格控制凍結孔向井內偏斜，確保鉆孔垂直度，縮小凍結孔間距，加快凍結壁形成速度，為縮短鑿井工期創造條件[6]。

（3）施工現場采用信息化自動監控系統，實時監測凍結站運轉及凍結壁發展情況，隨時進行凍結狀況分析。根據分析結果，判斷凍結壁是否交圈，確定井筒開挖和施工中凍結壁厚度和強度，及時調整凍結施工參數，以保證井筒安全連續施工。

5 凍結效果檢測

運轉初期，按照施工組織設計要求，凍結站逐臺開機投入運轉，使鹽水溫度呈有規律性下降。在運轉中，合理調配制冷量，使各項指標更趨合理，制冷效率不斷提高；隨后，使鹽水溫度盡快達到設計溫度，最低達-30.0℃，滿足了設計要求。

通過對每個孔鹽水流量進行檢測，每孔鹽水流量達到設計要求，每個凍結器結霜均勻，無堵塞現象，表明凍結器正常工作。

水文孔水位在凍結系統運轉28d后，有水冒出管口，標志著凍結壁溫度場的形成和發展較為良好，之后便是凍結壁盡快形成并達到開挖的需要。設計開凍到開挖為45d，凍結壁設計厚度為3.60m，而實際凍結不到40d便達到開挖條件，凍結壁厚度超過3.90m，比設計工期提前5d，并超過了設計凍結壁厚度。

通過檢測數據，分析凍結壁厚度和強度，并根據井幫溫度及測溫孔溫度，提出掘進施工時的合理段高，并減少井幫暴露時間，確保凍結壁安全。合理調配凍結車間的制冷量，使車間運行更經濟合理化[7]。

6 結語

（1）采用外孔+內孔插花差異布置的多圈孔的凍結方案，降低了凍結壁平均溫度，縮短了凍結時間，提高了凍結壁的整體強度，保證了井筒提前開挖和開挖初期井筒上部不片幫，從而增加了凍結壁的安全可靠性。

（2）根據井筒特點，結合凍結壁計算機結果和類似工程施工經驗，采用低溫大流量凍結，積極期鹽水溫度為-28℃～-30℃，鹽水流量不小于13m3/h。

（3）加大凍結站制冷能力，積極降低鹽水溫度以增強凍結壁的承載能力，以減少粘土的蠕變變形。對于沖積層深厚粘土層段，強化凍結，根據掘進速度，提前加大制冷量，降低鹽水溫度，并與掘進單位配合，提高凍結壁的穩定性，保證凍結管的安全。

（4）采用信息化監控系統，監控凍結車間和掌握凍土發展情況。信息化監控系統，隨時對井筒凍結情況進行凍結分析，及時調整凍結運轉參數，與掘砌單位密切配合，保證井筒安全、快速掘砌。

[1]高立群，李常華，李振武.花園煤礦深厚表土層井筒凍結施工技術[J].煤礦現代化，2009（增刊1）:7-8.

[2]GBJ213－90礦山井巷工程施工及驗收規范[S].

[3]薛毅宏.副立井井筒凍結設計方案及施工技術[J].煤炭工程，2014（3）:29-31.

[4]山西高河能源有限公司鮑村進、回風立井井筒凍結工程施工組織設計[R].2013.

[5]MT5009－94煤礦井巷工程施工質量評定標準[S].

[6]王兵，汪志祥，懂梅，李宏偉.劉塘坊鐵1號副井井筒凍結鉆孔施工實踐[J].探礦工程，2011（4）:53-57.

[7]陳引鋒，方迎輝.高河煤礦立井井筒施工凍結技術淺析[J].地下水，2008（增刊2）:39-41.

TD265.3

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1004-5716（2016）12-0125-04

2016-01-22

2016-01-29

省級自然類科研項目（15JK1166）。

陳引鋒（1976-），女(漢族)，陜西乾縣人，講師、安全評價師，現從事水文地質工程地質及煤礦安全方面的教學與研究工作。