潘一矿东井第二副井井筒安全高效冻结技术

王洪涛

摘 要：冻结法施工在煤矿立井掘进工程中有着广泛的应用，主要是改善表土段水文地质条件，并形成具有一定强度的冻土帷幕，为施工创造有利条件。如何实现安全、高效、快速冻结，是一个值得研究的课题。本文总结了潘一矿东井第二副井筒快速冻结工程的实施过程，为同类矿井立井冻结法施工提供借鉴。

关键词：大管径；大流量；冻结壁；差异冻结

中图分类号： TD352 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）21-189-2

1 工程概况

潘一东区矿井位于安徽省淮南市潘集区，设计规模3.0Mt/a，矿井于2008年7月1日正式开工。该矿井在工业广场内布置有主井、副井、第二副井、风井四个井筒。二副井井筒设计井口设计标高+23.2m，净径Ф8.6m，井深1034.2m，井筒冻结段深度270m，基岩段深度764.2m，井筒地面预注浆深度为1045.2m。

2 冻结设计

根据检查孔资料显示，而副井井筒穿过地层为新生界冲积层和二叠系石盒子组含煤地层。根据地质检查孔柱状报告，第二副井穿过新生界冲积层厚度203.6m，地层以砂质粘土、粘土和中细砂为主。粘土层总厚度125.45m，其中单层最大厚度45.75m，砂层总厚度78.15m。根据勘探资料，冲积层上部含水组以大气降水和地表水下渗补给为主，水位19.09m～20.23m，渗透系数3.656～6.219m/d，单位涌水量0.978～1.74L/s·m，富水性中等到强，故表土段采用冻结法施工。

二副井井筒采用主、辅双圈差异冻结方式冻结。以外圈孔作为冻结壁形成的主冻结孔，采用差异冻结方式，深孔稳入基岩第一含水层地板以下，浅孔达风化带底界；内圈辅助孔深入到冲积层底部，起上部防片帮、下部加强冻结的作用。综合新生界冲积层厚度和风化基岩厚度，考虑基岩第一含水层预计涌水量大（预计涌水量241.25m3/h～264.18m3/h），故将基岩第一含水层纳入冻结范围（此段已进行地面预注浆处理），确定第二副井冻结深度为276m。深孔稳入基岩第一含水层底板以下，浅孔达风化带底界以下，辅助孔深入到冲积层底部以下。

2.1 冻结指导思想

冻结法施工首先考虑的是井筒掘砌安全问题，其次要实现上部片帮量少、下部少挖冻土，提高综合成井速度。故在保证冻结壁强度、厚度的技术原则下，实现井筒施工综合经济效益最大化的目标。具体要求为：

①冻结壁形成要快，并能尽快达到设计强度，满足快速掘砌的要求；

②提高对钻孔质量要求，严格控制冻结孔间距、钻孔偏斜及辅助孔径向内偏值；

③加快掘砌速度，控制冻结壁裸露时间，减小径向位移，使冻结管处于冻结壁的弹性变形区域内，防止冻结管断裂，确保安全；

④在确保井筒掘砌安全的前提下，减少冻土扩入荒径量，保证冻结段安全快速掘砌。

2.2 冻结方案设计要点

2.2.1 盐水温度

根据近两年淮南矿区井筒冻结经验，采用低温、大流量盐水的冻结方法，保证盐水温度可达-32℃以下。盐水系统分阶段降温，冻结交圈前盐水温度在-28～-30℃，井筒试挖阶段达-32℃以下，开挖到冲积层掘进结束前保持在-30～-32℃之间，掘砌通过冲积层后盐水温度保持在-25℃左右。

2.2.2 冻结壁厚度计算

目前国内冻结井普片采用以砂性土为控制地层采用多姆克公式计算冻结壁厚度。结合在淮南地区冻结的成功经验，考虑潘一东矿区第二副井井筒特征和地址情况，在应用上述设计计算的基础上，结合近几年冻结凿井经验对设计参数进行适当优化调整来计算冻结壁厚度。按多姆克公式计算

式中：E为按强度条件计算的冻结壁厚度（m）；R为冻结壁设计控制层处的井筒掘进半径（m）；P为设计水平的地压（Mpa）；K为砂性土层的冻土计算强度（Mpa）。

综合考虑冻土为重塑土、土体含水量等因素影响，结合井径大小，确定第二副井冻结壁厚度设计为4.1m。

2.2.3 冻结孔布置设计

冻结孔布置圈径取决于冻结井筒的掘进直径、冻结壁厚度、冻结深度及钻孔允许偏斜率。

2.2.4 观测孔布置

冻结帷幕内布置水文孔3个，布在距井心1.5m处，避开吊桶位置，W1深度为48m、W2深度为72m、W3深度为188m。分别报导主要含水层水位。

水位观测采用人工观测。测温孔温度观测采用一线总线制测温系统。根据每天测温情况，分析冻结壁发展情况。二副井冻结布置测温孔4个，T1深度为276m、T2深度为205m、T3深度为205m、T4深度为276m；T1布置在外圈水流上方，T2布置在内圈孔最大间距处，T3布置在内圈孔水流上方两孔中间，T4布置在外圈孔水流下方。

2.2.5 冻结造孔

冻结造孔质量直接影响冻结工程工期，否能安全、高效、快速冻结，对造孔的質量有严格的要求，潘一矿东井对井筒冻结造孔质量要求为：所有钻孔径向偏斜值不得超过300mm；表土层偏率不大于0.2‰，最大孔底距不大于1.6m；基岩段偏率不大于0.3‰，相邻两深孔最大孔底距不超过3.5m。

2.3 冻结制冷设计

冻结站采用高效螺杆压缩机组，装机制冷量大于设计需冷量的4倍以上。二副井制冷设备选择4台LG25型低压冷冻机、1台LG20型低压冷冻机及2台LG25型高压冷冻机，最终确定二副井需冷量、装机能力见表1。

2.4 盐水系统设计

经过对近两年两淮地区井筒冻结盐水流量的比照和盐水循环流态的计算，确定二副井冻结主孔盐水流量：单孔12～16m3/h，防片加强孔盐水流量：单孔12～16m3/h。

3 冻结效果

W1孔于送冷第52天冒水，W2孔于送冷第40天冒水，W3孔于送冷第49天冒水。通过对3个水文孔涌水量进行实测，显示报导层位涌水量与实测水量基本吻合，说明冻结壁已形成并交圈。根据水文孔冒水量、冻结测温孔监测情况及试挖时冻结壁实际扩展情况，确认冻结壁强度、厚度均达到设计要求后，井筒于冻结第54天试挖。

经4天时间试挖30m，冻结壁发展良好，此时井帮平均温度+2℃。由于施工速度快，井筒在垂深80m后井帮温度达0℃，向下冻土进帮，在188m砂层处冻土最大进井帮700mm。203.6m表土仅用25天施工完毕，且首月创下淮南矿区表土段单月成井196m的最高记录。

井筒开挖过程中根据冻结情况，及时调整冻结冷量，辅助孔于5月8日关闭（孔深204m ），短孔于5月16日关闭（孔深223m）。至5月7日止井筒冻结表土段开挖结束，没有发生片帮现象。至冻结表土段施工完毕时，井帮温度达-7℃，开挖过程中无断管、无井壁压坏、无漏水，井筒一次性顺利通过冻结段。

4 结束语

通过该工程的施工，取得了冻结深厚粘土层大型矿井施工的宝贵经验，对今后淮南矿区及类似地层的井筒施工极有借鉴之处：

①从第二副井井筒冻结施工结果来看，采用主、辅双圈冻结孔强化冻结，特别是将内圈辅助孔间距缩小至2.513m、两排孔间距1.6m的情况下，冻结交圈时间短，形成冻结壁强度大，开挖时井筒上部不片帮，整个冻结壁稳定，有效的防止了冻结管的断裂，保证了井筒的连续施工，达到安全、快速凿井的目的。

②冻结站采用氨螺杆压缩机组，装机制冷量高于井筒需冷量4倍以上，保证了冻结壁形成快、高强高，可为今后冻结井筒的设备配置选型提供有效指导。

③采用双圈孔快速强化冻结工艺，每台机组都组成独立系统，可根据井筒开挖时冻结效果，随时在冻结过程中关闭部分制冷机组，合理控制冻结孔的冷量供给，保证冻结壁的强度，控制冻土进荒径距离，提高开挖工效。

④盐水循环将主、辅孔盐水分流形成两路盐水循环系统，保证了冻结孔内冷量均匀分配。

参 考 文 献

[1] 崔云龙.简明建井工程手册（下册）[M].北京：煤炭工业出版社，2003.

[2] 周兴旺，程桦等.全国矿山建设学术会议论文选集[J].合肥：合肥工业大学出版社，2008.