東龐礦新風井雙圈凍結施工方案優化設計

安勇燁 AN Yong-ye

（煤炭工業石家莊設計研究院有限公司，石家莊 050051）

1 工程背景

東龐礦規劃的新風井需穿過多個含水層，其中：松散巖類孔隙水（第四系砂、卵礫石含水層）層位穩定，地層總厚度144.20m，靜水位埋深29.92m，最小降深4.44m，最大降深13.20m，涌水量0.956-1.761L/s，單位涌水量0.1334～0.2158 L/（s·m），滲透系數0.0997-0.1278m/d，富水性中等；2煤以上基巖段碎屑巖類孔隙裂隙水含水層，靜水位埋深45.43m，動水位埋深104.29m，水位降深58.86m，涌水量0.483L/s，單位涌水量0.0082L/（s·m），滲透系數0.0512m/d，富水性弱。

地下水流速較大，超過5m/天。第四系底部礫石含水層段井筒預計涌水量1209m3/d，2煤底板下基巖段含水層層段井筒涌水量預測1057.54m3/d。

含水層多、地下水流速大等地質特性為東龐礦新風井的建設造成了極大困難。采用有針對性的凍結方式，確定合理的凍結施工參數，是本文設計的關鍵。

2 井筒設計概況

井筒直徑7m，深度674.1m，表土段采用雙層鋼筋混凝土塑料夾層復合井壁結構，采用凍結法施工，基巖段采用普通法施工。

由于壁基由下部圍巖的承載力和側面圍巖與壁座外緣混凝土的粘結力來承載，須選擇合適的層位來承托上部井壁重量[1]。要求凍結段井壁生根壁座或筒形壁座深度，應設在穩定性和封水性較好的巖層中。根據巖性確定壁座底所處位置位于垂深178m處，即最大掘砌深度為178m。該位置是設置壁基的較好位置：壁基設置在粗粒砂巖、粉砂巖中，其底部為粉砂巖、中粒砂巖、泥巖。

不同段高的混凝土強度等級、內外壁厚度、鋼筋等參數見表1。

表1 不同段高的內壁、外壁厚度等參數一覽表

3 井筒凍結方案

3.1 井筒凍結方案

方案采用雙圈孔“主排孔+輔排（內）孔（防片幫孔）”凍結方案：主排孔保證凍結壁厚度、平均溫度達到設計要求和保證凍結壁按時交圈作用；防片幫孔起到防止掘進時片幫的作用[2]，同時加強井幫上部地層凍結、縮短交圈時間，為提前開挖創造條件，還能靈活調節地層冷量分配，既可節約凍結需冷量，又防止因深部防片幫孔距井幫太近而發生斷管，實現在保證施工安全的同時最大限度減少凍土進入掘進斷面厚度，加快掘進速度。

3.2 井筒凍結參數

3.2.1 地壓值

取砂礫層上部的砂質黏土層作為控制層位，P=1.794MPa。

3.2.2 凍結技術參數

①積極凍結期鹽水溫度：-24～-27℃。

②井幫溫度（控制層）：Tn=-4℃～-8℃。

③有效凍結壁溫度（控制層）：tc=-5℃～-8℃。

④按深度理論計算最大孔間距。

表土段最大孔間距Lc=1.812m；

基巖孔底最大孔間距Ly=2.052m。

⑤凍結孔允許偏值。

沖積層最大孔底間距≤1.812m，基巖層最大孔底間距≤2.052m。

⑥凍土瞬時極限抗壓強度：10MPa。

⑦凍結壁厚度。

新回風井沖積層厚度大于120m且小于400m，適用多姆克公式，將凍結壁看作無限長的彈塑性厚壁筒，按第三強度理論計算[3]。

計算凍結壁厚度為2.38m，根據計算結果和類似地質條件井筒凍結施工案例，確定凍結壁厚為2.6m。

⑧凍結壁平均溫度。

1）單排孔凍結壁平均溫度計算公式（成冰公式）

2）凍結壁平均溫度

計算tc=-7.646℃，根據計算結果和目前國內已施工同類型深厚表土凍結井實際凍結情況，控制層凍結壁平均溫度tc=-8℃。

⑨凍結深度。

1）《煤礦井巷工程施工規范》（GB50511-2010）第5.2.2條：立井井筒的凍結深度，應根據底層埋藏條件及井筒掘砌深度確定，并應深入穩定的不透水基巖10m以上。基巖段涌水量較大時，應延長凍結深度。輔助凍結孔深度應穿過沖積層深入基巖風化帶5m以上；第5.2.26條：主凍結孔設計深度應深于凍結段井筒的掘砌深度，根據規定沖積層厚度在≤200m時，應比井筒掘砌深度深7m[4]。

2）《礦山立井凍結法施工及質量驗收標準》（GB/T51277-2018）第4.4.1條：井筒凍結深度應穿過沖積層、風氧化帶深至穩定基巖10m以上[5]。

3）《煤礦凍結法開鑿立井工程技術規范》（MT/T1124-2011）9.2.1條、9.5.1條規定：凍結段最深的掘砌（進）位置必須淺于凍結深度5～8m[6]。

4）《煤礦安全規程》第四十五條：采用凍結法開鑿立井井筒時，應當遵守下列規定：凍結深度應當穿過風化帶延深至穩定的基巖10m以上。基巖段涌水較大時，應當加深凍結深度[7]。

綜合上述因素，確定主凍結孔凍結深度為190m，防片幫孔深度為154m。

⑩凍結孔圈徑。

表土段凍結圈徑D表土=13.002m。

?凍結孔數。

主凍結孔圈徑13.002m，主排凍結孔33個，開孔間距1.236m；防片幫凍結孔圈徑11.306m，防片幫孔17個，開孔間距2.077m。凍結孔合計50個。

?凍結管。

凍結管采用φ140×5mm、20#優質低碳鋼無縫管，外管箍焊接連接，主凍結管、防片幫長度分別為190、154m。

管箍采用φ152×5mm、20#優質低碳鋼無縫管制作，每個長度150mm。

底隔板選用10mm鋼板加工，底錐采用8mm鋼板壓制。

供液管采用聚乙稀塑料軟管，內直徑75×6mm。

?測溫孔布置。

1#、2#、3#測溫孔深度均為190m，測溫孔1布置在水流上方凍結孔外側主面上；測溫孔2布置在水流下方凍結孔外側較大界面上；測溫孔3布置在凍結孔最大間距處（具體位置應根據實際施工中偏斜情況確定）。測溫孔均布置在離主凍結圈徑外側1.5m處。

測溫孔采用φ127×5mm優質低碳鋼無縫管。

?水文孔布置。

1#水文孔深度22m，2#水文孔深度144m。隔水地層設置海帶止水段。水文管規格：φ108×4.5mm優質低碳鋼無縫管，外管箍連接。

?凍結壁交圈時間。

凍結壁交圈時間估算為T1=52天。

3.3 凍結制冷系統設計

3.3.1 凍結管吸熱能力

凍結管吸熱能力QT=4.105×106kJ/h。

制冷站能力Q'=4.721×106kJ/h。

3.3.2 制冷站需冷量及制冷設備選擇

井筒凍結需冷量4.721×106kJ/h，制冷設備擬選用LG25L20SY型螺桿制冷機，其-28℃時制冷量2.035×106kJ/h，根據計算配備該制冷機3臺，總標準制冷量21.798×106kJ/h。附屬設備根據冷凍機附屬設備型號及數量見表2。

表2 輔屬設備型號及數量表

3.3.3 鹽水系統設計

凍結孔鹽水總流量460.3m3/h，計算凍結孔單孔流量9.2m3/h。

3.3.4 供液管規格

供液管選用內直徑選用75mm，壁厚6mm的塑料管。

3.3.5 鹽水干管及集、配液管規格

選用φ325mm×8mm作為鹽水干管及配、集液圈。

3.3.6 鹽水循環系統參數及設計

①鹽水泵揚程計算取值見表3。

表3 鹽水干管及配集液圈徑循環量揚程（h1）計算取值表

②鹽水供液管揚程計算取值見表4。

表4 鹽水供液管揚程（h2）計算取值表

③凍結管環狀空間揚程計算取值見表5。

表5 凍結管環狀空間揚程（h3）計算取值表

④鹽水循環系統設計。

鹽水泵揚程為16.946m，凍結需循環鹽水量500m3/h，泵循環揚程16.946m。選用12sh-9A型水泵為鹽水泵，標稱流量720m3/h，水泵有效流量518.4m3/h，揚程49m。制冷站選用12sh-9A型水泵2臺，鹽水泵循環壓力0.214MPa。

3.3.7 氯化鈣溶液配置

氯化鈣溶液采用74%氯化鈣和水配制，見表6。

表6 氯化鈣溶液配制表

3.3.8 冷卻水系統設計

①冷凍站冷卻水用量：制冷站內3臺螺桿制冷機，最大消耗水量45m3/h（單臺耗水量15m3/h）。

②清水泵：IS150-125-315型清水泵3臺。

③冷卻塔：NBL-250T型冷卻塔3臺。

④凍結主要消耗材料明細見表7。

表7 凍結主要消耗材料明細表

3.3.9 風井凍結工程參數表

新風井凍結工程參數見表8。

表8 凍結工程參數表

3.3.10 風井凍結孔平面布置

風井凍結孔平面布置見圖1。

圖1 凍結孔平面布置圖

4 結束語

東龐礦新風井穿過多個含水層，地下水流速超過5m/天。設計采取強化凍結措施，即根據地層特性，通過分析輔助孔間距確定荒徑距離、凍結時間等諸多因素，針對邯邢地區地下水流速大的情況，采用加密鉆孔，提高供冷能力，抵抗地下水流對凍結的影響等非正常地層凍結措施，采用“主排孔+防片幫孔”雙圈凍結方式，主排孔深190m，防片幫孔深154m。凍結工期共計200天，其中凍結孔施工50天，溝槽按照10天，開機至試挖60天，試挖到穿過最下部黏土層80天。工程項目總造價（含特鑿措施費）1378.2萬元。

本文通過探討凍結法施工與最深掘砌深度的關系，確定壁基層位，對類似條件下井壁結構設計可供參考。