園子溝煤礦東翼回風立井凍結法施工技術

張海榮，王 萌，呂文玉

(1.榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000；2.中國煤炭科工集團 北京華宇工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075；3.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

凍結法施工最早于1883年由德國工程師提出，此后在世界各地得到了廣泛應用[1]。凍結法是用人工制冷的方法，將地下工程周圍含水巖土層凍結封閉，形成一個按照設計輪廓的凍土墻或密閉的凍土體，用以抵抗巖土壓力，隔絕地下水，并在凍土墻的保護下進行地下工程施工的一種巖土特殊施工方法，常用于立井工程[2]。我國于1955年首次在唐山開灤集團林西煤礦回風立井應用凍結法施工，并取得成功。隨后，在我國中、東部地區煤礦深厚沖積層條件立井井筒的施工中廣泛應用。近年來，隨著國家西部大開發戰略的實施，西部地區煤炭資源開采大規模進行，與中、東部地區新井建設相比，西部地區具有井筒直徑大、白堊系和侏羅系地層強度低、孔隙型含水層厚、埋藏深、水頭高等特點。由于地層以孔隙含水為主，可注性差，采用注漿法施工風險較大，凍結法施工因封水效果可靠且工藝較為成熟備受青睞[3-5]。

1 工程概況

永隴礦區麟游區園子溝礦井位于陜西省麟游縣境內，屬頁嶺以北的隴東黃土高原南部邊緣地帶，西鄰隴山，南為渭河盆地，向東、向北屬渭北黃土高原。總的地形特征呈東南高西北低，屬川梁相間殘塬溝壑地貌[6]。礦井采用“三條立井”(分別為主立井、副立井和回風立井)單一水平開拓全井田，建設規模800萬t/a，目前正在建設階段。因后期生產需要，礦井擬在東翼102盤區北部邊界線附近增加一條回風立井，井筒垂深515m，凈直徑6.0m，裝備梯子間，主要承擔井田東翼回風任務，兼作安全出口。

為了給井筒設計及施工提供可靠的地質、工程地質及水文地質資料，在井筒中心線以外17.80m處施工了一個井筒檢查鉆孔。根據井筒檢查鉆孔揭露，井筒地層由老到新依次為：三疊系中統銅川組，侏羅系下統富縣組、中統延安組、直羅組、安定組，白堊系下統宜君組、洛河組、華池組，第四系全新統地層。井筒區地層產狀較平緩，地質構造簡單，斷裂不發育。井筒自上而下穿過的含水層依次為：第四系沖、洪積層孔隙潛水含水層、白堊系下統洛河組砂礫巖孔隙～裂隙含水層、白堊系下統宜君組礫巖裂隙含水層、侏羅系中統直羅組砂巖裂隙含水層、侏羅系中統延安組煤層及砂巖含水層，含水層涌水量預測結果見表1。

表1 井筒各含水層涌水量預測結果一覽表

經計算，第四系、洛河組、宜君組合計涌水量為94.65m3/h。結合礦井已施工三條井筒的施工經驗，確定東翼回風立井表土段及白堊系地層含水層段均采用凍結法施工，白堊系地層以下的侏羅系地層采用普通法施工[7，8]。

2 井筒凍結施工設計

2.1 井筒凍結深度

井筒凍結深度必須穿過沖積層、風化帶深至穩定基巖10m以上，或超過永久支護5～8m[9-11]。根據井筒地層條件及涌水量，確定凍結深度為進入安定組隔水層15m，則凍結深度為313m。

2.2 井壁結構分段

適當對井筒深度不同選擇不同的井壁分段，不僅可以節省投資更能加快施工進度。井壁分段處需選擇在巖層力學性質相對完整或者不透水巖層的位置[12]。這樣可以減少井筒井壁應力集中的問題，并降低井筒井壁解凍后涌水從變斷面處透入井筒的問題。依據往常設計經驗，一般將井壁每150m左右分為一段，分段處的上、下井壁總厚度之差控制在300mm為宜。本井筒凍結深度為313m，分上下兩段凍結，上段0～-158m，下段-158～-313m；凍結段底部為整體澆筑的壁座，凍結段以下為普通法施工段。井壁結構如圖1所示。

圖1 井壁結構示意圖

2.3 凍結井壁結構設計

采用凍結法在不穩定含水地層中建設井筒，凍結井壁的形成和維護是其施工的核心。凍結井壁設計包括厚度和溫度場的計算，它與井筒的施工深度、大小、地質條件和所采用的凍結方式有關。

根據水文地質、井筒直徑等條件及使用要求，凍結井壁選擇帶夾層的雙層復合井壁結構形式。外層井壁應滿足承受凍結壓力及井壁吊掛、抗裂、穩定性計算的要求，采用單層鋼筋混凝土砌碹支護結構，混凝土等級C40；內壁應滿足承受水壓和豎向荷載的要求，采用雙層鋼筋混凝土砌碹支護結構，混凝土等級C50；雙層井壁應滿足整體承受永久水土壓力及豎向荷載的要求。

根據《煤礦立井井筒及硐室設計規范》(GB 50384—2016)，凍結井壁厚度按式(1)計算：

P=υkPk

(3)

2.3.1 0～-158m段井壁厚度計算

1)0～-158m段內層井壁厚度計算。此段井壁凈半徑rn1=3000mm。內層井壁采用C50混凝土，fc1=23.1N/mm2，代入式(2)得：鋼筋混凝土井壁強度設計值fs1=26.1N/mm2。此段井壁承受的均勻載荷為靜水壓力：Pk1=ρwkH=1.58MPa，式中，ρw為水的似重力密度，取0.01MN/m3；k為水壓系數，取1；H為計算處水頭埋深，取158m。

設計荷載安全系數νk1=1.35，代入式(3)得：P1=2.133MPa；將相關數據帶入式(1)得：內層井壁厚度t1=280mm。

根據《煤礦立井井筒及硐室設計規范》(GB 50384—2016)第6.3.2條：凍結段井筒內層、外層井壁厚度均不應小于300mm，取t1=400mm。

2)0～-158m段外層井壁厚度計算。此段井壁凈半徑rn2=3400mm；外層井壁采用C40混凝土，fc2=19.1N/mm2，代入式(2)得：鋼筋混凝土井壁強度設計值fs2=22.1N/mm2，此段井壁承受的均勻載荷為凍結壓力：Pk2=1.5MPa。

設計荷載安全系數νk2=1.05，代入式(3)得：P2=1.575MPa，將相關數據帶入式(1)得：外層井壁厚度t2=362mm，取400mm。

2.3.2 -158～-313m段井壁厚度計算

1)-158～-313m段內層井壁厚度計算。此段井壁凈半徑rn3=3000mm。鋼筋混凝土井壁強度設計值fs3=26.1N/mm2。此段井壁承受的均勻載荷為靜水壓力：Pk3=ρwkH=3.13MPa，式中，ρw為水的似重力密度，取0.01MN/m3；k為水壓系數，取1；H為計算處水頭埋深，取313m。

設計荷載安全系數νk3=1.35，代入式(3)得：P3=4.226MPa；將相關數據帶入式(1)得：內層井壁厚度t3=648mm，取700mm。

2)-158～-313m段外層井壁厚度計算。此段井壁凈半徑rn4=3700mm；鋼筋混凝土井壁強度設計值fs4=22.1N/mm2；此段井壁承受的均勻載荷為凍結壓力：Pk4=2.7MPa。

設計荷載安全系數νk4=1.05，代入式(3)得：P4=2.835MPa；將相關數據帶入式(1)得：外層井壁厚度t4=591mm。

該礦井已施工主立井(井筒直徑8.2m)和副立井(井筒直徑9.2m)凍結段外層井壁厚度為450mm，回風立井(井筒直徑7.5m)凍結段外層井壁厚度為400mm。根據工程類比法，此段外層井壁厚度取400mm。

2.3.3 井壁計算厚度論證

設計采用工程類比法對井壁計算厚度進行論證。在寶雞和咸陽地區，與該礦井地質條件相似的礦井有招賢礦井、胡家河礦井、孟村礦井及小莊礦井，設計對以上礦井井筒施工方法及井壁結構進行了調查，見表2。

表2 鄰近礦井井筒施工方法及井壁結構調查表

該礦井東翼回風立井0～-158m段內層井壁厚400mm，外壁外層井壁厚400mm；-158～-313m段內層井壁厚700mm，外壁外層井壁厚400mm。經對比分析，井壁計算厚度較為合理。

2.4 壁座結構設計

根據《煤礦立井井筒及硐室設計規范》(GB 50384—2016)第6.3.2條：凍結鑿井法井筒掘砌的底部必須將內、外層井壁整體澆筑作為壁座；壁座厚度不應小于內、外層井壁厚度之和，設計取值為內、外層井壁厚度之和1100mm；壁座高度應根據圍巖強度、壁座所承受的載荷計算，但不應小于4m。

壁座高度按式(4)計算：

式中，hb為壁座整體澆筑段高度，m；Gn為壁座以上內層井壁重力計算值，MN，計算得Gn=167.2MN；rnw為內層井壁外半徑，取3.7m；[fj]為混凝土容許抗剪強度，C50混凝土取1.54MN/m2。

將數據代入式(4)得：hb=4.7m，取hb=10m。

2.5 井壁配筋設計

凍結段外壁配單層Φ22mm鋼筋，配筋間隙250mm；凍結上段內壁配雙層Φ22mm鋼筋，凍結下段內壁配雙層Φ25mm鋼筋，配筋間隙250mm。鋼筋保護層厚度，內緣鋼筋為50mm，外緣鋼筋為70mm。井壁各段全截面配筋率均大于0.4%，滿足規范要求。

2.6 泡沫塑料板與塑料夾層的鋪設

為保證內外井壁結構完整，設計在凍結壁與現澆混凝土外層井壁之間鋪設50mm厚的泡沫塑料板，可有效防止膨脹性土層迅速增長的初期凍結壓力對井壁的破壞，起到緩卸壓力的作用。在內外層井壁之間鋪設雙層1.5mm厚聚乙烯塑料夾層，可使內外層井壁較為自由地做相對位移，避免因溫差過大而產生溫度應力并拉裂井壁。

2.7 井壁后及井壁間注漿

為提高井筒外部巖層的整體強度，設計在內壁套壁結束后凍土解凍初期進行壁后注漿，對井筒外壁后的裂隙注漿封堵。為防止凍結壁解凍后含水層涌水進入塑料夾層壁間，降低壁間靜水壓力，減少內壁承載力，設計在內壁套壁結束后實施塑料夾層壁間注漿，充填井壁間隙、裂縫。

3 施工期間注意事項

凍結法施工屬于特殊鑿井技術，在施工期間要注意以下事項：

1)凍結法施工期間為確保冷卻循環水的供給，施工場地內必須合理布置水源井的位置。為了保障地下水正常的流通，避免地下水流通增大，影響凍結壁交圈效果，最好在凍結井筒以及其降水漏斗影響的范圍以外或者是地下水的上游布置水源井。

2)凍結速度、開挖時間以及施工速度之間要合理配合，否則會造成凍結管斷裂、外層井壁壓裂等工程事故。

3)為了保障塑料夾層的完整性、隔水性，施工期間要避免塑料夾層受到擠壓、碰撞等破壞。

4 結 論

1)在園子溝煤礦東翼回風立井凍結井壁結構設計過程中，嚴格遵循設計規范，通過詳細的計算校核，考慮了多種因素對凍結井筒井壁厚度的影響，并結合園子溝礦井以往井筒施工經驗，合理地確定了凍結施工所需要的各項參數，保證了凍結井筒井壁結構設計的正確性和合理性。

2)目前，西北地區已成為我國主要煤炭生產地，相對于中、東部地區的深厚不穩定沖積層，需要解決的是在深厚含水基巖中的建井問題。隨著新礦井的不斷開發建設，凍結法施工已成為西北地區含水基巖井筒施工的主要方法，園子溝煤礦東翼回風立井凍結法施工對相似地質條件及礦區周邊礦井提供了工程實例和技術經驗。