東周窯礦富水表土層井筒凍結施工技術與應用

李國鑫

（大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037000）

長期以來，煤炭一直是我國的主體消費能源[1-2]，隨著煤炭開采強度和需求的不斷增加，賦存條件較好的煤炭資源已經不足以滿足國家的經濟發展需求，因此，必須在一些水文地質條件復雜的、富含豐富煤炭資源的煤田建立新礦井。在新礦井的建設中，常常會遇到復雜地層，比如在淮南淮北礦區、兗州礦區、開灤礦區等地方建設礦井時，經常遇到幾十米到上百米的表土層，表土層內含有多層流沙，涌水量較大，給井筒施工帶來了嚴峻考驗[3-4]。凍結施工技術具有適應性強、施工速度快、質量高等優點，是我國鑿井施工的首選技術。凍結法施工預先在含水巖層中施工鉆孔，并鋪設鋼管，在鋼管內導入循環的液氮，加劇鋼管周邊的巖層凍結，以形成一層具有足夠強度的凍土層殼，強度達5～10 MPa，可有效隔絕地下流沙和涌水，尤其適用于松散、含水、不穩定巖層鑿井[5-6]。

1 工程概況

東周窯礦設計年產量1000萬t，井田地處山西黃土高原向內蒙古高原的過渡地帶，屬晉西北低山丘陵區，為黃土丘陵地貌，地形起伏不大，沖溝發育，地勢南高北低，一般海拔標高1300～1500 m。礦井計劃布置主斜井、副斜井、副立井及中央回風立井四個井筒。其中，主斜井布置于礦井工業場地東北約300 m處的選煤廠內，井筒傾角16°，凈寬5.0 m，凈斷面16.6 m2，井口標高+1 335.50 m，落底于主采5號煤層，井底標高+866.0 m，斜長1 703.3 m。依據礦井水文地質資料，主斜井井筒在穿透表土層期間將穿過第四系松散含水層、碎屑巖含水層、巖溶裂隙含水層、風化殼含水層，需采用凍結施工技術。

（1）第四系松散含水層。位于河床漫灘及兩岸一、二級階地區，厚度為0.6～11.31 m。含水層由砂土，礫砂等組成，透水性較強，單位涌水量為1.21～2.47 L/s·m。

（2）碎屑巖含水層。巖性為中、粗砂巖、含礫粗砂巖，含水微弱，富水性差。其中侏羅系大同組可采煤層已普遍開采，開采中礦井排水改變了地下水的補給排條件，天然流場發生了改變。

（3）巖溶裂隙含水層。為富水程度極不均勻的承壓含水層，在巖溶裂隙發育地帶，富水性極好。

（4）風化殼含水層。不分地層時代而與地形相關，接近地表30 m之內，巖石呈強風化—微風化，風化裂隙發育，巖石破碎，易接受大氣降水補給和地表徑流補給，靠近河岸，含水性中等，單位涌水量一般在0.03～1.88 L/s·m。

2 富水表土層井筒凍結施工技術

由于主斜井井筒掘進斷面大，斜長較長，技術難度相對較大，加之巖層地下水豐富，與地表水有直接聯系，因此，解決好東周窯礦表土層是凍結施工技術的關鍵所在。主斜井表土段采用凍結施工技術，基巖段采用普通施工方法。表土段施工參數見表1。

表1 表土段施工參數

主斜井133.4～421.75 m段采用凍結施工技術，根據井筒斷面與地質資料，設計采用分段鉆孔、分段凍結的方法進行施工，保證鉆孔、凍結、掘進、砌碹等工序連續。設計每60 m為一段，共計5段。第1段凍結30 d后第2段開始凍結，凍結60 d后第1段開始施工，依次完成5段凍結施工。共設計5排凍結鋼管，778個凍結鉆孔，33個溫度測量鉆孔，鉆井量共計71 800.89 m。具體凍結施工技術參數如表2。

表2 表土段凍結參數

（1）在地面施工垂直鉆孔，鉆孔由淺入深。邊排孔最淺、最深深度分別為41.554 m、122.289 m，中排孔最淺、最深深度分別為41.554 m、122.449 m。其中，中排孔穿過井筒斷面，穿過井筒區域的鋼管應進行必要的隔熱保溫措施。

（2）凍結期鹽水溫度設計為-30～ -32 ℃，井筒頂板凍結巖層平均溫度設計-10 ℃，兩幫和底板設計-8 ℃。

（3）井筒頂板凍結巖層厚度設計為8.0 m，兩幫凍結巖層厚度設計為2.5 m，底板凍結巖層厚度設計為5.0 m。

（4）井筒頂板凍結采用Φ89 mm×5 mm無縫鋼管，底板凍結采用Φ133 mm×5 mm無縫鋼管，兩者之間采用變徑管相連。

3 現場應用

凍結施工技術應用后，及時進行了現場監測，主要包括凍結狀態信息和井筒變形監測。凍結狀態信息主要采用鹽水系統監測，同時還監測了筒壁凍結巖層的溫度；井筒變形監測主要監測了頂底板及兩幫的變形收斂情況。

現場鹽水系統監測反饋，凍結技術施工過程中，系統運轉良好，各鉆孔鹽水循環正常。圖1給出了某一凍結基站鹽水溫度變化曲線。如圖所示，鹽水系統中去路溫度-25 ℃，與回路溫差1 ℃，表明該區段表土層已形成基本凍土層，每增加一路凍結鉆孔，溫度略微增加，后期鹽水溫度大概保持在18～20 ℃之間。圖2給出了某一側孔筒壁凍結巖層的溫度變化曲線。如圖所示，側孔附近的巖層溫度在0 ℃左右，具備良好的開挖條件。同時，現場開挖顯示，筒壁巖層凍結效果良好，未出現漏水現象。

圖1 凍結基站鹽水溫度變化曲線

圖2 測孔筒壁巖層溫度變化曲線

圖3和圖4分別給出了井筒掘進后頂底板和兩幫的變形曲線。

圖3 井筒頂底板變形曲線

圖4 井筒兩幫變形曲線

由圖可知，頂底板變形主要發生在開掘35 d內，最大變形量約7.3 mm。變形初期（0～6 d），變形速度相對最大，約0.67 mm/d；變形中期（6～15 d），變形速度減緩，約0.45 mm/d；變形后期（25 d后），變形趨于穩定。兩幫變形主要發生在開掘30 d內，最大變形量約23 mm，同比頂底板變形有明顯增加，但其穩定時間有所減小。變形初期（0～12 d），變形速度相對最大，約2.2 mm/d；變形中后期（12～20 d），變形速度相對減緩，約0.38 mm/d。

4 結論

東周窯礦主斜井穿過富水巖層采用凍結施工技術，設計了凍結施工技術與參數，并進行了現場應用與監測。鉆孔鹽水系統溫度、筒壁凍結巖層溫度、井筒變形等監測結果表明，筒壁巖層凍結效果良好，井筒變形在允許范圍內，驗證了富水表土層井筒凍結施工技術與參數的合理性和可靠性，為富水表土層井筒施工提供參考。