對大南湖十號煤礦主斜井凍結施工技術的探討

馬躍峰

中煤第五建設有限公司第三工程處 江蘇 徐州 221140

正文：

1 概況

大南湖十號煤礦主斜井井筒位于新疆維吾爾自治區哈密市東南約70km處，設計主斜井井筒凈寬5.2m，凈高4.1m，傾角14°。凍結段井壁采用雙層井壁，外層厚度80mm，內層厚度720mm；底部為反底拱，反底拱開挖深度1.5m。井筒穿越地層由新到老分別為第四系（Q4）、新近系上新統葡萄溝組(N2p)部分地層。其中，第四系及新近系地層采用凍結法施工，凍結段井壁斜長為203m，垂深范圍為68.662～117.772m。

2 工程與水文地質條件

2.1 工程地質

地層由新到老分別為第四系（Q4）、新近系上新統葡萄溝組(N2p)，自上而下穿見地層如下：

(1)第四系松散層（Q）主要為砂質黏土、礫石、中細砂及砂礫石層。與下伏地層不整合接觸。鉆孔控制地層厚度4.90～11.84m，平均8.33m。

(2)新近系上新統葡萄溝組(N2p)巖性主要為淺紅色、綠灰色泥巖、粉砂巖、粗砂巖。多為泥質、粉砂狀、粗粒砂狀結構，砂巖成分由長石、少量石英及巖屑組成，泥質膠結，膠結程度差，易風化，遇水易膨脹、崩解，多呈柱狀、碎塊狀，松軟。與下伏地層不整合接觸。鉆孔控制地層厚度130.79～233.60m，平均197.83m。

2.2 水文地質

井筒設計掘進層段穿見的含水層自上而下分為三個含水層組，即第四系透水不含水層；新近系上新統葡萄溝組含水層；侏羅系中統西山窯組含水層。現將其水文地質條件分述如下：

2.2.1 第四系透水不含水層

由粗、中、細、粉砂及粉土組成。含礫徑為0.2～7cm的礫石，次圓狀礫石不一，松散，無膠結。該層處于地表，即使有微量的降水入滲，也形不成飽和的包氣帶，而耗于其后的強烈蒸發。這些堆積物雖透水性較好，但不具儲水條件，為透水不含水層。

2.2.2 新近系上新統葡萄溝組含水層

巖性主要為泥巖、粉砂巖、粗～中粒砂巖、細粒砂巖。泥巖為泥質結構，平坦斷口，易風化，遇水易膨脹、崩解，松軟。砂巖分別為粗、細、粉砂狀結構，成分由長石、少量石英及巖屑組成，泥質膠結，分選差，次棱角～次園狀。呈柱狀、短柱狀、碎塊狀，較堅硬。揭露該層埋深范圍10.40～243.78m，厚度233.38m。簡易水文觀測未發現有明顯消耗。本次井檢孔抽水試驗結果：單位涌水量0.004082L/s.m，滲透系數0.002341m/d，水位標高689.15m，屬于承壓裂隙富水性弱含水層。

3 凍結設計

3.1 凍結設計方案

凍結段井壁斜長為203m，垂深范圍為68.662～117.772m。凍結起始點傾斜長度確定為253.999m，凍結起始點水平長度確定為246.454m。斜井井筒凍結方案選擇及要點如下：

①采用地面打直孔方案，鉆孔深度由淺入深。②采用異徑凍結方式，斜井頂板凍結壁厚度以上為小管徑凍結管（即φ108×5mm無縫鋼管），頂板凍結壁厚度及以下采用φ159×5mm的無縫鋼管作為凍結管，可節省凍結制冷量。③主斜井凍結斜長203m，水平長度196.97m，均分為5段，每段116個凍結孔。④采用分段打鉆、分段凍結工藝，確保造孔、凍結、掘砌連續施工。④為了報道凍結壁交圈情況，每段均設置2個水文孔。水文孔深度、花管位置垂深范圍64.5～109m。⑤為了準確提供凍結施工經驗數據，掌握第一手原始凍結資料，各段均布設4個測溫孔，各段測溫孔深度均相同，每段測溫孔深度分別為Ⅰ段 70.5m，Ⅱ段80.3m，Ⅲ段90.1m，Ⅳ段99.9m，Ⅴ段109.7m。⑥凍結孔沿井筒開挖方向布置5排，按設計的排距進行布置凍結孔。⑦為了確保每段掘砌施工安全，每段終端孔作為封頭孔。⑧各凍結孔鹽水流量：積極凍結期10m3/h，維護凍結期6m3/h，并根據井筒凍結發展狀況和掘砌施工速度，適時調整開機臺數和鹽水流量，以及凍結孔運行數量。在凍結壁保證掘砌安全的條件下，為井筒施工創造良好環境。

3.2 主要設計參數

（1）井筒凈寬度5.2m，井壁厚度0.8 m，井筒掘進寬度7.0m，井筒凈高度4.1 m，反底拱深度1.2m，井筒掘進高度6.4m；（2）凍結孔深度68.662～117.772 m；（3）凍結壁厚度：頂板6m、兩幫3m、底板5.5m；（4）凍結壁平均溫度頂、底板-12℃，兩幫-8℃。（5）凍結孔最大孔間距：外排2.1m，中排2.9m；（6）凍結孔工程量50150.97m，觀測孔工程量2685m，鉆孔總工程量52835.97m；（7）積極凍結期鹽水溫度-26～-28℃；（8）維持凍結期鹽水溫度-20～-22℃；(9凍結站最大需冷量303.65萬kcal/h，裝機標準制冷量865萬kcal/h

4 凍結施工檢測

4.1 測溫孔溫度檢測

測溫孔共設計20個，每段4個，凍結期間溫度變化均正常，反映了凍結壁的正常形成。

4.2 水文孔溫度檢測

水文孔設計10個，每段2個， 10個水文孔只有2個正常冒水，其余8個孔均未冒水，主要原因為凍結孔間距小，水文孔位于6個左右的凍結孔包圍中，凍脹水結冰未冒出管口。

4.3 鹽水流量檢測與鹽水泵運行

2012年11月29日～2013年3月12日，開泵2臺，單孔流量6.4～7.3m3/h；2013年3月13日～2013年5月2日，開泵3臺，單孔鹽水流量6.0m3/h；2013年5月3日至2013年10月4日開泵4臺，鹽水流量5.4～6.0m3/h。

鹽水流量未達到積極期10m3/h，維護期8m3/h。原因為單孔運行方式，沒有采取串聯運行方式。

4.4 井幫溫度檢測

井筒開挖后井幫溫度檢測情況見下表4.1。

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前28m因為凍結時間短，開挖過早導致井幫溫度較高，根據實際施工過程分析，采用綜掘機掘進方式，兩幫井幫溫度控制在-10℃，井中溫度控制在-8℃，能夠保障井筒安全掘砌。

5 凍結運行狀況與凍結段掘砌情況

5.1 凍結制冷運行狀況

2012年11月29日開機凍結運轉，前期投入2臺高壓冷凍機降溫，12月1日冷凍站運轉改雙級運行，開機1組， 2012年12月23日開機2組，2月23日開機3組，開泵3臺，3月21日開機4組，開泵3臺，4月17日開機5組，開泵3臺。6月28開機4組，7月13日開機3組， 7月21日，冷凍站開機2組，8月1日冷凍站開機調整為1組，一直到10月5日停機，共凍結時間310天。

鹽水溫度降溫曲線如下圖：

5.1 鹽水溫度降溫曲線

5.2 凍結段掘砌情況

主斜井凍結段于2013年1月4日試挖，采用炮掘施工，4月19日后改為綜掘機。2013年10月6日還剩余400-395m段（即5m）二次支護未完成，冷凍站于2013年10月5日停機。主斜井凍結段各部位礦建掘砌工序時間見表5.1：

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綜上，礦建凍結段施工沒有達到正規循環要求，從施工到支護，最大時間差達到80天，掘進方式先采取放炮+挖機，施工速度1m/天，后改為綜掘機掘進，最快速度達2.5m/天，但因設備保養能力差，期間綜掘機損壞3次，每次維修達10天以上，累計影響達30天以上，大大影響施工速度。凍結段施工工序最長時間為139天，基本工序完成時間100天，最后一部位工序完成時間59天還余5m未支護完成。

5.3 凍結段井筒掘砌工序完成時間

表5.2 主斜井各段凍結孔投入及空底、空幫時間

綜上：

1）空底時間最長時間為109天，最小時間為23天，平均空底時間為55天。

2）空幫時間最長時間為139天，最小時間為35天，平均空幫時間為80天內。

6 結論

1）礦井地質水文資料的準確性驗證：主斜井水文資料根據實際施工反映基本準確，但地質資料有偏差，凍結段終點巖性為砂巖，與設計的泥巖有偏差。建議在長距離斜井凍結，在施工凍結孔時應該重新在起始點和終點進行取芯工作，以驗證凍結設計的可靠性。

2）斜井凍結水文孔的設計：目前多數斜井凍結工程未設水位觀測孔，對斜井凍結效果的分析缺乏有力依據。主斜井水文孔僅成功冒水2個，8個凍脹水結冰未成功冒水。建議合理設置水文觀測孔，以反映凍結交圈的情況。

3）斜井分段封頭孔設計：所謂斜井分段設計就是分段加上封頭孔，以確保本段內的掘砌安全，從施工看，封頭孔設置過多實際起到的效果并不明顯，成本反而增加，建議以后設計只在凍結起、始點設計封頭孔。

4）斜井凍結壁交圈：通過施工情況分析，正常情況下兩幫交圈在29～31天，頂底交圈在33～36天。

5）鹽水溫度控制：斜井凍結的深度小于200m，且凍結地層都以第四系、第三系淺部地層為主，積極期鹽水溫度控制在-26℃～-28℃，維護期在-20℃～-22℃，即可滿足施工要求。

6）鹽水流量控制：本工程施工情況分析，單孔鹽水流量積極期8m3/h，維護期5m3/h ，能夠滿足安全施工的要求。

7）凍結孔的運行方式：針對斜井凍結深度較淺的特點，建議凍結孔的運行方式設計為串聯運行方式，可節約運行成本。

8）凍結孔分段投入：斜井凍結凍結孔分段投入的時間應該根據礦建施工的速度、施工方案考慮。放炮施工，控制凍結段在80m，每10天投入10m，綜掘機施工，控制凍結段在120m，每10天投入15m左右。

9）邊排孔的停止凍結：邊排孔的凍結能夠維持兩側凍結壁，也能夠緩解頂、底凍結壁的解凍，所以何時停止兩幫邊排孔凍結至關重要，原則是鋪底二次支護結束后便停止兩幫邊排孔的凍結，本工程中最短時間為90天，最長時間為188天，建議邊排孔在二次支護結束后再維持15天左右的凍結效果，來緩解凍結壁的解凍為好。

10）空幫、空頂時間控制：建議在斜井凍結施工中，應按照正規循環施工，建議空底時間不超過50天，空幫時間不超過60天。

11）井筒開挖時間確定：斜井井筒凍結段開挖天數宜凍結50天后，井幫溫度降至-5℃后。

12）凍結段交界點出水處理：本井筒上部254m采用普通法施工，且上部地層含水，估算出水量達到50m3/h。建議施工前必須采取有效封止水措施，可以采取注漿法或施工排水水倉，但水倉應該設在非凍結段內施工。

13）井幫溫度的控制：對于長距離斜井凍結，井幫溫度建議控制在-8℃以下。