局部冻结法在西部大型矿井立井凿井中的应用

王 黔，李东永，范明建

（1．中煤能源鄂尔多斯分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017200；2．天地科技股份有限公司，北京 100013）

·试验研究·

局部冻结法在西部大型矿井立井凿井中的应用

王 黔1，李东永1，范明建2

（1．中煤能源鄂尔多斯分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017200；2．天地科技股份有限公司，北京 100013）

在分析蒙陕矿区某矿副井穿越地层的水文地质条件的基础上，通过对比分析不同冻结方案的安全、技术、经济指标，确定采用局部冻结法进行立井凿井施工。工程实践表明，局部冻结法能够满足矿井建设的需要，实现了立井快速、安全、高效凿井施工的目标。为我国西部大直径、中深井筒的安全高效建设积累了经验，具有较好的示范作用。

立井凿井；局部冻结法；方案设计；工程应用

1 工程概况及水文地质状况

1．1 井筒概况

蒙陕矿区某矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗境内，井田位于鄂尔多斯高原之东南部，区域性地表分水岭“东胜梁”的南侧，毛乌素沙漠的东部，具有高原沙漠地貌特征。该矿井设计生产能力8 Mt／年，井田走向长度17．8 km，倾斜宽度13．5 km，面积180．67 km2。由于矿区煤层埋藏深度较深，最浅的3-1号煤层埋深达到550 m以上，属于我国西部煤矿开采深度较深的矿井。矿井副井井筒井口标高+1 132．20 m，凿井深度达到580 m以上，主要技术特征见表1。在副井凿井施工时，矿井一、二号主立井和一号回风立井已经施工到底，井下正在施工井筒间的贯通巷道及临时车场。因此，该井筒具有直径大和井上井下同期建设的特点。

表1 副井井筒主要技术特征表

1．2 水文地质

1．2．1 含水层水文地质状况

根据矿井水文地质勘探结果，按照地下水的赋存条件、水力特征及含水层的纵向分布结构，将矿井地下水划分为4层。详细情况如下：

1）第四系萨拉乌素组孔隙潜水含水层。

岩性为灰黄色、灰绿色粉细砂，下部夹有黄土状亚砂土薄层，含钙质结核，疏松。水位埋深18．22 m，含水层厚度43．68 m，静止水位标高1 110．48 m，水柱高度43．68 m，水位降深6．02 m，涌水量18．06 L／s，单位涌水量3．299 L／s·m（统降单位涌水量0．450 7 L／s·m），渗透系数12．26 m／天，富水性中等。

2）白垩系下统志丹群洛河组风化基岩孔隙、裂隙承压水含水层。

含水层为白垩系下统志丹群洛河组砂岩，全区分布。含水层岩性为砖红色中、粗粒砂岩，次为细粒砂岩。岩层上部风化裂隙发育，下部孔隙发育较强，给地下水形成良好的储水空间。水位埋深25．34 m，静止水位标高1 103．34 m，水柱高度176．22 m，含水层厚度120．16 m，水位降深19．68 m，涌水量1．519L／s，单位涌水量0．084 65 L／s·m（统降单位涌水量0．046 83 L／s·m），渗透系数0．197 1 m／d，富水性弱。

3）非煤系地层碎屑岩类孔隙、裂隙承压水含水层。

全区分布，本区是指侏罗系中统安定组和直罗组地层。上部安定组岩性为紫红色、灰绿色中粗粒砂岩、砂质泥岩夹粉砂岩及细粒砂岩岩性；下部直罗组岩性为青灰色、灰绿色中粗粒砂岩，杂色粉砂岩及砂质泥岩。含水层厚度103．84 m，地下水从孔口涌出地表，水位高出地面13．56 m，自流涌水量1．638 L／s，水位标高1 142．55 m，水柱高度468．87 m。单位涌水量0．120 5 L／s·m（统降单位涌水量0．070 89 L／s·m），渗透系数0．028 45 m／d，富水性弱。水化学类型为SO4-Na型水，矿化度6 122 mg／L。

4）煤系地层碎屑岩类孔隙、裂隙承压水含水层。

本次工作层段位于3号煤层顶部岩层，含水层岩性主要为中、细粒砂岩。垂向上与粉砂岩、泥岩及砂质泥岩隔水层成互层状分布。本区构造不发育，岩体完整，岩石致密坚硬，裂隙发育微弱，故含水层富水性弱。含水层厚度77．13 m，地下水从孔口涌出地表，水位高出地面17．48 m，自流涌水量0．483 L／s，水位标高1 146．60 m，水柱高度566．60 m。水位降深44．82 m，涌水量1．094 L／s，单位涌水量0．024 41 L／s·m（统降单位涌水量0．014 81 L／s·m），渗透系数0．029 89 m／d，富水性弱。

1．2．2 地下水补给、径流与排泄

矿井第四系松散层潜水的补给、径流、排泄条件主要受地形地貌、岩性、气象和水文等因素的控制。大气降水、沙漠滩凝结水、灌溉回归水是其主要补给来源。

基岩风化裂隙潜水除零星裸露区直接得到大气降水渗入补给外，绝大部分是通过上覆松散层潜水的下渗而间接得到大气降水的补给。除局部地段在潜水层与松散层存在隔水层外，大部分地区均是具有密切水力联系的统一含水体，故其补给、径流方向、排泄与松散层潜水基本一致。

基岩裂隙承压水除间接得到大气降水补给外，还接受上游地段潜水渗入补给，径流方向沿岩层倾向由东南向西北方向运移。西部含水层埋藏愈深，裂隙愈少，形成了封闭的储水空间，水量小。

根据该矿井的水文地质条件，确定该井筒宜采用冻结法施工，以确保施工安全。

2 冻结方案确定与参数选取［1-2］

根据冻结工艺的不同，冻结形式主要分为一次冻全深、长短管（差异）冻结、分段（分期）冻结、局部冻结等。合理选取井筒冻结的形式，不仅关系到井筒冻结段的施工安全，而且决定了井筒基岩段施工的连续性。冻结深度主要根据井筒含水层、岩性、渗透系数等地质与水文资料确定。特殊凿井技术要求冻结段必须深入不透水的稳定岩层10 m以上。当基岩下部30 m仍有含水层时，应延伸冻结深度。

根据矿井副井穿越的岩层水文地质条件，该井筒适宜采用一次冻全深或局部冻结方案进行施工。

2．1 冻结参数设计

根据井壁结构图和井检孔柱状图，确定井筒冻结采用两圈冻结孔相结合的形式，外圈孔为主冻结孔，内圈孔为辅助孔。总体冻结深度应过中等风化带。冻结参数如下：

1）积极冻结期盐水温度：-30℃～-28℃。2）钻孔偏斜率：表土段≤2‰，风化带及基岩段≤3‰。3）主冻结孔最大孔间距：表土段≤1．5 m，冻结基岩段≤2．8 m。4）冻结壁平均温度确定：-8℃。5）主冻结孔偏斜值：300 m以下靶域半径≤0．8 m；向内径向偏值≤0．5 m。6）冻结壁厚度的计算：表土段以冲积层底界砂土（垂深83．94 m）作为控制层位；基岩段以底部砂岩作为控制层位。通过采用拉麦公式、多姆克公式对冻结壁厚度进行计算。计算结果，表土段冻结厚度3．3 m，基岩段冻结厚度4．7 m。7）冻结孔布置：a）主冻结孔。布置圈径：d21．5 m；数量：N=52个；开孔间距：1．299 m。b）辅助冻结孔。布置圈径：d15．2 m；数量：N=24个；开孔间距：1．990 m。8）测温孔及水文孔布置。a）测温孔布置。测温孔布置3个；主冻结孔外侧1个；主孔与辅孔之间1个；内圈孔圈径上1个，孔深105m。b）水文孔布置。水文孔布置2个：孔深分别为45m、180m。9）冻结时间估算。井筒开始冻结至试挖冻结时间为56天，局部冻结法冻结总工期为243天，全深冻结法冻结总工期为306天。

2．2 冻结方案对比

通过对比井筒局部冻结和全深冻结方案主要技术参数（见表2），结合现场施工状况，从工程量、技术难度、施工进度等方面进行对比分析。

表2 井筒冻结方案主要技术参数对比表

1）钻孔工程量及制冷量需求：从冻结孔钻孔工程量来看，局部冻结方案较全深冻结方案钻孔长度减少5 022 m，施工总工期缩短63天；同时冻结需冷量减少244．764万kJ／h，节约耗能效果明显。

2）置换泥浆所需水泥浆量：局部冻结法确定冻结管与钻孔之间的环形空间水泥浆置换部位为垂深410～510 m井筒段，置换高度为100 m，需浆液量130 m3。全深冻结法水泥浆置换部位为垂深410～603 m井筒段，置换高度193 m，需浆液量250．9 m3。局部冻结方案可减少水泥浆注浆量120．9 m3，减少了材料用量，缩短了施工工期，节约了人工成本。

3）对井底施工的影响：根据井下巷道施工进度，井下巷道将先于井筒与马头门及相关硐室贯通。在副井凿井过程中，全深冻结方案冻结孔将穿过井下硐室及巷道，为井下巷道施工带来困难。局部冻结方案，可不受下部冻结管影响，提前施工副井马头门，为矿井快速高效建设创造条件。

4）冻结方案技术可行性：根据水文地质资料，局部冻结下部基岩段富水性较弱，井下揭露的下部煤层顶板含水量较小。因此，全深冻结的意义不大。

由此可见，局部冻结方案不仅可以满足现场生产条件的需要，而且可以有效缩短工期，减少材料费用和劳务成本，实现矿井的安全、快速、高效、经济建设。

3 现场施工

副井井筒于2010年9月份开始施工冻结钻孔，至12月完成全部冻结孔的现场施工和地面冷冻站的安装调试工作。12月20日正式开机冻结，至2011年3月8日，根据现场测试数据，井筒冻结段达到开掘要求，3月11日正式开始井筒掘砌。经过220天的施工，至2011年10月21日完成井筒套内壁的全部工程量，累计套内壁503m。至2011年11月11日井筒壁间注浆全部完成；井筒与马头门于12月11日贯通，井筒掘砌累计深度为556 m，井底东西马头门墙部砌碹16m。至2012年1月7日完成副井井筒掘砌施工，井筒安全顺利落底。2012年3月8日井筒冻结段壁间及非冻结段壁后注浆全部结束。

在整个副井冻结施工过程中，各环节衔接紧凑、工序安排合理，实现了安全、快速建设。

4 结束语

1）局部冻结法是在分析井筒水文地质、工程地质条件的基础上，优选出的适应于现场施工条件的冻结方案。

2）与全深冻结方案相比，具有工程量小、能耗低、投资少、施工安全和工期短的优点。矿井自冻结孔施工开始，到井筒掘砌工作全部完成，累计耗时15个月，实现了大直径、中深井筒的快速施工。

3）局部冻结法为矿井井筒与井底硐室、联络通道的同时施工创造了条件，实现矿井建设的平行作业，缩短了矿井的建设周期。

4）局部冻结法在该矿井副井凿井中的成功应用，为我国西部大直径、中深井筒的安全高效建设积累了经验，具有较好的示范作用。

［1］ 路耀华，崔增祁．中国煤矿建井技术［M］．北京：中国矿业大学出版社，1995：428-439．

［2］ 胡 坤，吕晓亮，荆留杰．冻结法凿井需注意问题的探讨［J］．山西建筑，2008，34（19）：127-128．

Application on Partial Freezing Method in Shaft Sinking of West Large-scale Coal Mine

Wang Qian，Li Dong-yong，Fan Ming-jian

Based on the analysis in the hydrogeological condition of a coal mine auxiliary shaft in Inner Mongolia and Shaanxi mining area passed through stratum，through comparing and analyzing the indexes of safety，technology and economy in different frozen plans，the partial freezing method in shaft sinking construction is determined．Engineering practice shows that the partial freezing method can meet the needs of coal mine construction，achieve the goal of fast，safe，efficient shaft sinking construction．It accumulated the practical experiences for safe and efficient construction in large diameter and mid-depth shaft in western china，has a good demonstration effect．

Shaft sinking；Partial freezing method；Frozen-plans design；Engineering application

TD265．3

B

1672-0652（2013）10-0025-03

2013-07-06

国家科技支撑计划课题（2012BAB13B02）；中国中煤能源重点科技项目（ZM-MDKY-FW（2011）-018）

王 黔（1980—），男，山东邹城人，2003年毕业于中国矿业大学，工程师，主要从事采煤安全技术管理和矿井建设技术管理工作（E-mail）ykjtwq＠163．com