煤礦副井千米深井凍結技術的實踐

馬宏偉

（晉能控股煤業公司挖金灣虎龍溝煤業有限公司，山西 懷仁 038300）

1 工程概況

甘肅核桃峪煤礦礦區面積191.30 km2，煤炭儲量2 116.09 Mt，設計生產能力8.0 Mt/a。井田的開拓方式主斜井—副（風）立井綜合開拓方式，副立井井口位于303鉆孔南部葛家村附近，副立井井口標高為+1 195 m，井筒凈直徑為Φ9.0 m，設計井深1 005 m。由于設計前期井筒的地質資料不準確，該井筒最初設計采用普通法進行鑿井。但在井筒施工進行至白堊系洛河組砂巖后，由于工作面出水太大無法施工，采取工作面注漿的方法施工了近一年時間，平均月進尺小于5 m，嚴重影響工程進度與質量。針對這一情況，經專家會論證將施工方法由普通法改為凍結法。但由于井筒穿過地層沒有規范所描述的穩定隔水層，原定凍結深度超過井筒底部的煤層，后為防止將地層中的水導入煤層，將凍結深度確定在煤層頂板。在施工第一個凍結孔時進行取芯確認煤層頂板深度，最終確定凍結深度為950 m。

2 副井凍結法施工面臨的難點分析

1）井筒需凍結深度過大。

2）井筒上部472 m已經由普通法施工完成，其井壁是按普通法施工設計的。在凍結施工時如何對以普通法施工完成的井壁進行保護是工程的一大難點。

3）由于井筒工作面與所凍結的含水層相通，施工中無法設置水文孔，給凍結壁交圈判斷帶來很大困難。

4）凍結地層主要為砂巖與礫巖，占總層位的84.45%，不利于鉆孔偏斜的控制，對成孔質量期有很大影響。

5）白堊系洛河組含水層厚度大（403.02 m），沒有隔水層不能分層、分段交圈提前開挖。針對以上工程特點與難點，采取三大（大圈徑、大管徑、大開孔間距）（終孔間距）結合千米深井凍結測溫技術與實時、異地監測的控制凍結技術進行施工。

3 凍結技術施工方案

3.1 凍結鉆孔技術施工

在該煤礦副井凍結鉆孔施工中采用6臺TSJ—2000型鉆機進行凍結孔施工。沖積層采用三牙輪鉆頭或三翼刮刀鉆頭鉆進，鉆頭直徑Φ215 mm。基巖采用牙輪鉆頭鉆進，鉆頭直徑Φ215 mm。鉆具配置為：Φ89 mm鉆桿+Φ168 mm鉆鋌（不少于3根）+鉆頭。凍結孔孔位根據施工基準點，按凍結孔施工圖布置凍結孔。孔位偏差不大于20 mm、不向井心方向偏斜。

設計鉆孔偏斜指標：井筒凍結孔偏斜率不大于2.5‰。400 m以上按偏斜率不大于2.5‰控制，400 m以下按靶域1.6 m控制，856 m以上終孔間距最大不大于35 m，856~955 m最大孔間距不大于5.0 m。其中溫控孔偏斜率不大于2.5‰、內偏要求小于0.3 m。

凍結孔鉆進深度和凍結管下放深度：凍結孔鉆進深度應該考慮泥漿沉淀影響，要求凍結管能下到設計深度。凍結管下放深度不小于設計深度，不超過設計深度0.5 m。凍結管采用差異方式布置淺孔856 m，共22個。溫控管為127 mm×6 mm的優質20號低碳鋼無縫鋼管，其余凍結管采用168 mm×6 mm（500 m以上）、168 mm×7 mm（500 m以下）的優質20號低碳鋼無縫鋼管。供液管為75 mm×6 mm增強塑料管，回液管為130 mm×8 m增強塑料管，供、回液管材應符合低溫使用要求。凍結管耐壓：凍結管耐壓不小于6.5 MPa。實際施工時采用JDT-5型陀螺測斜儀測斜、螺桿糾偏。

鉆機臺效達到1 800 m/月。鉆孔完成后實測最大孔間距35 m，滿足設計要求。在副井凍結工程的設計及實施過程中，成功解決了凍結造孔速度緩慢的問題，革新了鉆進工藝。

3.2 凍結技術參數

設計凍結圈徑19.4 m，凍結孔共布置44個，凍結孔單號深955 m，雙號深856 m。

溫控孔布置圈徑13.4 m；溫控孔布置20個，溫控孔開孔間距2.096 m。

3.3 井壁保護措施

根據凍結站鹽水去回路溫度以及井筒的測溫孔數據，初步判定凍結壁在正常條件下應該已經交圈。但由于井筒上部已經開挖，工作面與所凍結的含水層連通，沒有水文孔來判定凍結壁的交圈情況。為此，只能將整個井筒看成一個大水文孔，加強井筒水位觀測，判斷井筒水位變化是否符合凍脹水產生的規律，在確認凍結壁交圈的前提下，采用向井內灌水的方法，最終確定凍結壁的強度滿足鑿井施工要求后，可以同意開挖。

副井井筒排水、試挖需在內外壁之間采用兩層厚度為l mm的聚乙烯塑料薄板。塑料薄板極好地達到了內外壁之間的隔離緩沖效果。井壁保護措施：

1）采用大圈徑（如果不考慮井壁保護，凍結孔圈直徑會縮小3 m左右）單排孔布置凍結孔形式，延長凍結鋒面到達井筒荒徑的時間，凍結孔布置系數達到傳統布置系數（凍結孔到井筒荒徑的距離與井筒荒半徑之比）的兩倍。同時，大圈徑凍結管布置為凍結基巖的鉆爆施工提供了安全保證，有利于井筒的快速掘進。

2）采用低散熱同軸供、回液管凍結器：控制井筒上部凍結孔的散熱量，保護上部井筒用普通法施工井壁不受凍結施工的影響，確保它的安全。

3）雙供液方式溫控孔運轉：溫控孔是控制凍結鋒面發展的重要手段。根據計算在井筒周圍適當地方布置一圈溫控孔。溫控孔采用兩種供熱水方式進行控制：在冷凝器中冷卻水夠用的情況下，僅用冷卻水進行溫控孔循環；在冷凝器中冷卻水不夠用的情況下采用鍋爐加熱補充熱源。

3.4 工期保證措施

1）采用大管徑凍結管（Φ168 mm），加大散熱面積實現快速凍結，滿足井筒盡快開挖的要求。

2）增加大單孔鹽水流量，這樣可縮短開挖前的凍結時間。

3）采用分段式控制凍結孔間距技術，在確保了凍結壁快速交圈的同時，還減少了總造孔工程量。

4）采用千米深井分段式靶域外偏控制凍結孔成孔技術進行鉆孔偏斜控制，保證凍結壁的按時交圈與安全性。

4 結論

甘肅核桃峪煤礦副井凍結工程采用的控制凍結技術，在保證凍結壁承載能力與實現千米深井凍結鑿井快速掘進的同時保護了井筒已成井壁未受凍結施工的影響，做到了安全、可靠、快速掘進，值得我們山西同朔地區煤礦在向縱深發展中借鑒應用。整個副井凍結工程打鉆用時358 d，積極凍結120 d，維護凍結296 d（其中井筒掘進162 d，壁座施工及套內壁134 d）。凍結施工結束后，副井井筒總成井涌水量小于4 m3/h，井壁質量優良。在千米深井施工中，沒有出現斷管、片幫等事故，確保了煤礦副井礦井建設的安全，實現了快速、優質施工，獲得了顯著的經濟與社會效益，為我國事故井筒二次凍結施工及深大井筒凍結施工提供了成功的技術經驗，對我國向地球深部進軍起到了積極的推動作用。