立井凍結(jié)防片幫孔優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)踐

張海驕 宋海清 王成博

（1.淮南礦業(yè)集團(tuán)張集煤礦，安徽 淮南 232000；2.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232000）

通過(guò)對(duì)新建凍結(jié)立井的分析，立井凍結(jié)方案在不斷地變化和改進(jìn)，根據(jù)不同的工程特點(diǎn)，采用不同的凍結(jié)方案，如最初的單排孔設(shè)計(jì)到2排孔、3排孔和4排孔等[1]，雖有很多成功案例，但依然存在不少有待解決的問(wèn)題：（1）交圈時(shí)間長(zhǎng)，且不能根據(jù)設(shè)計(jì)控制交圈時(shí)間；（2）防片幫孔設(shè)計(jì)不合理，井幫溫度難以控制，導(dǎo)致幫部要么容易片幫要么凍得太實(shí)；（3）井筒上部和下部?jī)鼋Y(jié)不協(xié)調(diào)，尤其是深孔凍結(jié)，經(jīng)常不能做到連續(xù)施工的要求；（4）凍結(jié)壁厚度不夠或離荒徑太近，井筒開(kāi)挖后，在薄弱段發(fā)生斷管等。因此，防片幫孔的圈徑和開(kāi)孔間距設(shè)計(jì)，是直接影響井筒安全高效開(kāi)挖的主要因素[2-3]。

1 防片幫孔的開(kāi)孔間距計(jì)算

防片幫孔主要作用是防片幫和進(jìn)一步加強(qiáng)凍結(jié)壁厚度和強(qiáng)度，因此，設(shè)計(jì)主要考慮的是保證井幫穩(wěn)定性。首先是凍土要進(jìn)入荒徑一部分，但不能進(jìn)入太多，控制既能保證井幫穩(wěn)定又能快速掘進(jìn)為宜[4]；其次是盡量使得井幫四周凍結(jié)壁均勻分布，不能出現(xiàn)大面積低溫和大面積高溫分布。防片幫凍結(jié)孔分布示意圖如圖1所示。

圖1 防片幫孔分布示意圖

根據(jù)圖1計(jì)算出防片幫孔的開(kāi)孔間距公式如下：

其中：

l-防片幫孔開(kāi)孔間距，m；

r-井筒荒半徑，m；

R1' -防片幫孔圈半徑與井筒荒半徑差，m；

θ-圓心角一半，°；

ε-凍土入荒距離，一般取0.3～0.5m。

通過(guò)上式，可以推算到井筒荒徑與井筒直徑以及開(kāi)孔間距之間的關(guān)系式，并計(jì)算出合理的開(kāi)孔間距。

2 凍土入荒距離

為了保證井筒施工過(guò)程中井幫和防片幫孔的安全，凍結(jié)壁應(yīng)進(jìn)入荒徑一部分，既要保證井幫安全、保證混凝土質(zhì)量，又不至于凍得太實(shí)，增加施工難度。一般而言，凍土入荒距離ε的取值范圍是300～500mm，小于300mm井幫易出現(xiàn)片幫，影響井壁安全和混凝土質(zhì)量，大于500mm會(huì)增加掘進(jìn)施工的難度，影響工程進(jìn)度，混凝土容易被凍壞，還造成凍結(jié)工程的能源消耗。

3 防片幫孔的圈徑要求

凍結(jié)管離荒徑太近，凍結(jié)管的位移會(huì)加大，影響凍結(jié)管安全，若凍結(jié)管露出井筒，必須截?cái)嗵幚?，影響下部的凍結(jié)壁安全，所以必須考慮到造孔時(shí)的容許偏斜值，嚴(yán)防凍結(jié)管進(jìn)入荒徑。如凍結(jié)孔深度300m，容許最大偏斜值500mm，井筒荒徑5m，那么防片幫孔最小5.5m。除此之外，防片幫孔圈半徑還要根據(jù)井筒的掘砌速度和凍結(jié)時(shí)間來(lái)確定，凍結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，掘砌越慢，凍土發(fā)展的范圍就越大，但又不能讓凍土發(fā)展到荒徑內(nèi)太多，就需要越大的圈徑。

4 防片幫孔圈半徑與單管凍結(jié)發(fā)展速度的關(guān)系

凍結(jié)孔單孔發(fā)展速度是指凍結(jié)管在一定的冷凍溫度下、特定土質(zhì)的受凍層位每天的發(fā)展距離，它受多種因素影響[3]，可以用如下公式算得：

式中：

m-土的比熱容，J/kg·℃；

ρ-土的密度，kg/m3；

Rn-第n天凍結(jié)發(fā)展半徑，m；

n-凍結(jié)天數(shù)；

t0-巖層的原始溫度，℃；

de-凍結(jié)管的外徑，m；

kt-凍結(jié)管散熱系數(shù)，kJ／(m2·h）；

α-溫度影響系數(shù)。

上式根據(jù)凍結(jié)天數(shù)就可以計(jì)算出單管凍結(jié)管的凍土發(fā)展半徑（也就是公式1中的R1'），再根據(jù)容許的凍土入荒最佳距離，利用公式（1）就可以計(jì)算出防片幫孔的圈半徑和最佳開(kāi)孔間距。

5 工程實(shí)踐

淮南礦業(yè)集團(tuán)張集煤礦第二副井井筒設(shè)計(jì)凈半徑4.4m，凍結(jié)段荒半徑5.5m，新生代至-330m，風(fēng)化帶至-350m，凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度7.2m，最不利層位在160m處，合同要求60d具備開(kāi)挖條件。根據(jù)以上資料對(duì)該井筒進(jìn)行凍結(jié)防片孔設(shè)計(jì)，如下：

合同要求60d具備開(kāi)挖條件，根據(jù)公式（3）計(jì)算出60d后單孔擴(kuò)散半徑R60為1.4m。取凍土入荒距離為0.5m，再根據(jù)公式（1）計(jì)算防片孔開(kāi)孔間距為：

將數(shù)據(jù)帶入上式計(jì)算得l=2.9m，防片孔共計(jì)15個(gè)，進(jìn)一步驗(yàn)算開(kāi)孔間距為2.89m。

整體凍結(jié)方案如表1。

表1 凍結(jié)孔布置參數(shù)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，井筒掘進(jìn)時(shí)實(shí)現(xiàn)了吃“糖心”少挖凍土的目的，井幫溫度得到很好的控制。具體如表2。

表2 開(kāi)挖時(shí)實(shí)測(cè)井幫溫度

6 結(jié)語(yǔ)

凍結(jié)方案的設(shè)計(jì)包括凍結(jié)壁厚度和強(qiáng)度、鹽水溫度和流量、不同功能凍結(jié)孔的送冷時(shí)機(jī)等。防片孔的作用一是對(duì)凍結(jié)壁厚度和強(qiáng)度的進(jìn)一步加強(qiáng)，二是起到井筒在開(kāi)挖的時(shí)候防止片幫的作用。防片幫孔設(shè)計(jì)的最佳效果是即不發(fā)生片幫又不挖凍土，做到全吃“糖心”的安全高效施工。案例中的井筒實(shí)測(cè)井幫溫度從開(kāi)挖-86m處為0.53°到-268m處的-6.21°，凍土進(jìn)入荒徑0～0.6m，與計(jì)算基本吻合，開(kāi)挖時(shí)很少挖到凍土，也沒(méi)有發(fā)生斷管事故，最快成井速度超過(guò)了160m，真正做到了安全高效掘砌。