巴拉素煤礦立井井筒超期凍結問題分析

趙俊峰

(陜西延長石油巴拉素煤業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

巴拉素煤礦項目，2013年5月相繼完成“四通一平”等配套設施施工。2014年4月，主立井、副立井、回風立井3條井筒凍結造孔開鉆、凍結站和輔助設備開始安裝，10月完成凍結站安裝工程。開機送冷50天后，井筒凍結圈形成，具備初步開挖條件。由于項目未經核準，按照國家能源局《關于調控煤炭總量優化產業布局的指導意見》(國能煤炭〔2014〕454號)和發改委等三部委《關于全面清查和堅決制止煤礦違法違規建設生產的緊急通知》(發改運行〔2014〕2546號)文件要求，項目停工，凍結站仍處于工作狀態，文章分析了立井井筒超期凍結存在的問題。

1 礦井概況

巴拉素井田位于陜西省榆林市以西約40 km，地處榆橫礦區(北區)的中西部，行政區劃隸屬陜西省榆林市榆陽區巴拉素鎮、補浪河鄉、紅石橋鄉等管轄。井田南北長約22.5 km，東西寬約13.4 km，總面積300.40 km2。井田內7層可采煤層共獲得資源量4 971.46 Mt，其中探明的資源量(331)618.28 Mt，控制的資源量(332)1 047.01 Mt，推斷的資源量(333)3 306.17 Mt。

井田地處毛烏素沙漠東南緣，地表絕大部分被第四系松散沉積物所覆蓋，基巖僅在東南部和中部零星出露。區內地形以沙漠灘地為主，北東-南西向排列的新月形沙丘和鏈狀沙丘遍布，其間分布有較多的灘地。地形總體起伏不大，相對高差一般5～20 m，總體北部較高，向南地勢逐漸降低。海拔標高一般在+1 085～+1 261 m之間。

根據井田地質資源及外部開采條件，礦井設計生產能力1 000萬t/a，采用立井開拓方式，設主立井、副立井、中央回風立井及二號回風立井。全井田劃分為3個水平，分別布置在2#煤、3#煤和8#煤層中。工業場地布置在井田中部，分為行政福利區、主副井生產區和風井場地。結合礦井水文地質情況，確定礦井立井筒施工采用全深凍結法施工方法。

2 水文地質

巴拉素井田地質構造和水文地質條件簡單，井田內各段承壓水主要通過區域上基巖風化裂縫帶潛水的下滲補給，基巖裸露地段地表水的滲入補給。井田內主要含水層為白堊系洛河砂巖孔隙裂隙潛水，富水性中等至強。洛河砂巖孔隙裂隙潛水，主要靠上覆松散層潛水的下滲補給。該潛水與松散層潛水間局部地段存在黃土(古土壤層)隔水夾層略顯承壓水特性外，大部分地區則為具有密切水力聯系的統一含水體。該組巖性單一，為紫紅色、磚紅色塊狀中～細粒長石砂巖。礦物成分以石英、長石為主，被泥、鈣質弱膠結。巖石結構較疏松，表層風化強烈，巖體破碎，整體質量較差。白堊系洛河組砂巖飽和抗壓強度很低，含水層孔隙裂隙較發育，含水率較高，地下水賦存條件較好，連通性及徑流條件較好，部分巖石出現遇水崩解現象。與第四系松散層孔隙含水層無穩定隔水層，易于接受其下滲補給，富水性較好，巖石厚度60.19～259.38 m，平均194.85 m。井田北部厚度大，南部厚度小，變化規律明顯。

井田勘探資料顯示，井田水文地質勘探類型為二類二型，預計正常涌水量1 500 m3/h，最大涌水量為1 800 m3/h，根據《煤礦防治水規定》，礦井水文地質類型為復雜型。

3 超期凍結存在的問題

井筒采用凍結法施工，由于項目建設手續不全，被責令停止建設。項目停工，而凍結站不能停止運行，導致現場施工安全等方面出現了一系列問題。

3.1 凍結系統方面

由于巴拉素煤礦井筒采用全深凍結，凍結鉆孔穿過的安定組、直羅組、延安組含水層硫酸根離子濃度分別為1 888.64 mg/L、3 636.57 mg/L、3 816.90 mg/L，對鋼結構的腐蝕性均為“中等腐蝕”。凍結工程始于2014年4月15日，2014年6月25日造孔完畢，截止井筒正式開挖前，凍結管已形成34個多月，經檢查各井筒凍結管不同程度產生漏氣泄壓現象，凍結溝槽出現底板不均勻沉降，溝槽底部、墻體產生嚴重開裂變形現象。存在凍結管失效、凍結工程報廢、井筒報廢、設計井筒位置不得不重新調整，井筒重新選址將嚴重影響礦井安全建設及首采區位置的合理選擇。

3.2 井筒防治水治理方面

為處理3條井筒凍結溝槽底板沉降、溝槽底部、墻體開裂變形等安全隱患，各井筒被迫進行了試開挖，對溝槽底部進行混凝土護壁處理，而未按照設計進行增強、防滲永久支護，使得該區段沉積層涌水全部進入井筒內，造成井筒涌水量增加。如若長期停掘，凍結管長期受鹽水腐蝕會強度變低，造成斷裂，凍結前功盡棄，已成型井壁持續受凍脹壓力，易造成開裂，喪失使用功能并存在墜落風險、報廢風險。如果凍結站停止運轉，凍結管內的鹽水將會結晶，使凍結管報廢，凍結壁化凍后，初步估算井筒涌水量可能達到529.79 m3/h，將會出現淹井危險的重大涌水事故。

3.3 井筒施工方面

鑒于煤礦立井筒凍結施工的特殊性，井筒凍結工程與掘砌工程無論在時間還是空間上，都有一個科學合理的最佳結合點。凍結站一旦開機送冷，就無法中斷設備運轉，特別是完成凍結任務，進入維持凍結以后，若井筒掘砌工程長期停工，凍結壁持續向井筒內推進，井筒內溫度持續降低，最終導致井筒內巖體與凍結圈渾為一體，成為堅硬無比的“冰體巖石”，不僅增加了施工難度，更重要的是無論采用挖掘機破碎錘施工，還是采用較為傳統的炮掘施工，都將不同程度地出現預想不到的瞎炮、聚爆和機械故障，進而產生機械、放炮和人員傷亡及凍傷等事故。

3.4 環境保護方面

根據井田勘探報告，井筒涌水量較大，各含水層均為“中等腐蝕”，若凍結管超期服務，將會出現大面積腐蝕，產生泄露鹽水現象，給施工人員生活帶來安全隱患，在礦井水處理站和生活污水處理站尚未建設情況下，極易造成環境污染。

3.5 安全管理方面

凍結工程屬特殊鑿井技術，制冷設備均為壓力容器等特種設備，超期運行各保險閥、壓力表等壓力容器附屬構件將不斷出現各類問題，日常檢修維護量較大，任何一個環節疏漏，都極易造成安全事故，給安全質量管理帶來極大壓力。

3.6 建井主要生產系統方面

礦井3條井筒掘砌施工所需的建井井架、絞車、穩車、天輪、鋼繩等設備已經全部安裝到位3年有余，這些設備長期停止使用，且處在低溫潮濕環境之中，其強度逐漸降低，安全系數將無法保證安全使用。特別是設備基礎的地腳螺栓、各井架、梁的連接螺栓因超期服務，經過長時間風吹日曬，銹蝕嚴重。持續凍結會使井架基礎產生凍脹抬升、位移和井架傾斜現象，這也是安全隱患。

3.7 防洪排澇方面

項目“四通一平”工程基本投入使用，各級管理人員在此生活工作，工業場地和選煤廠場地匯水面積較大，區域季節性氣候變幻無常，使得項目抗御暴雨等天然災害和環保工作壓力不斷攀升。特別是在2015年至2016年7～9月份，巴拉素鎮區域遭遇50年不遇的暴雨洪水襲擊，現有防洪排澇系統無法滿足需要，存在重大安全隱患。

3.8 項目停建期間投資費用方面

經現場初步估算，停工期間110 kV變電站帶電空載運行電費約達200萬元/月，凍結及礦建施工設備維護費用約180萬元/月，凍結站設備繼續維持凍結電費消耗約268萬元/月，維護人員工資約為290.6萬元/月，項目財務費用約1 705.6萬元/月；若凍結孔報廢，重新補打直接經濟損失約11 281.16萬元；若因凍結管報廢造成礦井原設計井筒位置發生被動調整，工業場地重新選址，經濟損失約36 262.67萬元。

4 結語

針對存在的問題，如何科學地加以解決，仍需相關部門認真思考。為全面貫徹落實“安全第一、預防為主、綜合治理”的安全生產方針，落實安全生產主體責任，有效遏制重、特大安全生產事故發生，加強現場安全隱患排查治理力度，確保停產停建期間煤礦安全。巴拉素煤礦必須嚴格遵守“限定范圍、限定工期”的原則，開展隱患治理工程施工，減少凍結運行維護費用，消除凍結系統、井筒掘砌及主要建井生產系統安全隱患，完成井筒涌水治理系統(礦井水處理站和生活污水處理站)工程，保證礦井水及污水水質達標，杜絕發生環境污染事故及因排水引發當地村民群體事件，完成工業場地防洪排澇工程，提高項目抗災能力。