深表土长斜井504米冻结技术

摘要：地质条件的复杂性一直以来都是煤矿井开凿的难题，为解决此难题目前我国主要依赖冻结技术完成深表土层的凿井施工。不仅立井井筒开凿是这样，斜井井筒更是如此。随着我国煤炭开发的发展，年产量千万吨的现代化矿井逐年增加，因立井井筒提升能的限制，均采用了斜井开拓。本文以目前我国斜井冻结最长504米冻结技术的成功应用为例，重点分析冻结法的原理和未来发展。

关键词：地质条件 斜井冻结 504米

0 引言

近年来，煤矿冻结法凿井技术已经得到广泛应用，这样不但可以利用冻结的土层隔绝内外地下水，还能抵押岩石压力，保证施工顺利安全的进行。但由于目前冻结技术、井筒开挖技术水平有限，其在进行深表土长斜井施工时仍然存在技术上的弊端，需要继续攻克与完善。

1 冻结法凿井技术的发展

德国著名工程师波次舒是井下开凿冻结技术的研发者，当时的开采土层深度仅为103米。之后，此技术被传播到了多个国家。1955年，我国开滦林西煤矿成功使用井下冻结技术完成了矿井的开凿工作，为其在煤矿开采施工中的发展打响了第一炮。到目前甘肃新庄煤矿冻结深度902米，这足以说明我国煤矿冻结技术已经相当成熟。

2 深表土层冻结技术与实例分析

冻结技术的关键就在于通过人工制冷将土层冻结，冻结壁的安全性和稳定性直接决定着井筒施工能否顺利进行。随着井筒深度的增加，地压的压力越大，需要井壁的厚度与强度也就越高，对人工制冷设备的要求也就高。古城煤矿冻结垂直高度为147米，冻结深度为504米，通过采用先进的斜井冻结技术，不但节约了工程成本，而且保证了施工安全，笔者将以此为例，剖析504米深表土长斜井技术的工作原理和特性。

2.1 冻结造孔质量保证措施

①因深土层地质条件复杂，所以需要保证钻头和钻机设备平稳和牢固，因此选用钢结构滑撬作为安装塔的基础。此外，在安装过程中，每颗螺丝都必须安装结实，避免因螺丝松动发生钻塔倾斜。提引机、孔中和天伦要用垂线法安装，并且保证误差度在10毫米以内。②在《矿山井巷工程施工机验收规范》的GBJ213-90施工标准中对冻结孔的偏斜率做出了严格的规定，并且要求施工单位选用高精度的陀螺检测仪进行偏斜率的检测。为了保证冻结孔的水平位置间隔符合冻结管下管要求，还需加密斜段的导测点。

2.2 冻结管的下入

①检查冻结空管接头之间的弯曲情况以及焊接效果，只有达到百分百合格以后才允许下入冻结管。②冻结管在进入井口之前需要进行记录与编组排号。③冻结管采用外管箍焊接。中间监控焊接点，不允许砂眼和裂纹的存在，两管焊接位置必须垂直，以确保焊接后不出现质量问题。④对孔深进行严格测量后方可下入冻结管。⑤对冻结管进行打压实验，确保其符合设计规范要求。

2.3 冻结制冷质量的保证措施

施工环境复杂，在进行下管工作时要尽可能保证井筒冻结工作准确有效的完成。在本项目工作，主要是利用计算机远程操控技术对冻结器进行全方位把控，根据当时地层特性完成冻结工作，并且随时对冻结壁进行动态监控管理。

2.4 冻结器盐水的流量检测

①用于冻结的盐水流量与浓度必须符合设计要求，此处选择在总供水处安装电磁流量计以达到监控的目的，比重用比重计测得；②对单孔流进行施测，采用流量计获得数据，以保证各孔达到设计流量，并且要求流量均匀。

2.5 冻结器盐水温度的检测与控制

井筒开冻后，必须每天定时对冷冻器进行观察，如观测盐水温度，冻结管去回路结霜情况等，以保证冷冻过程安全并且有效，一旦出现问题，马上启动紧急处理方案。

2.6 冻结壁形成状况的检测

①采用CW-Ⅱ型计算机测温系统进行施测，准确地采集到各地层的温度，及时地进行分析掌握冻结壁的形成过程及温度场变化规律，以及应用美国ANSYS软件和有限元法进行冻结温度场数值模拟计算和分析，为井筒开挖提供可靠的依据；②根据冻土试验报告对各层，特别是控制层分段验算冻结壁形成及厚度、强度来确定掘砌段长，以确保井筒施工快速；③井筒开冻后每天定时检测温孔温度，并以报告形式存储。

2.7 技术创新应用

虽然冻结技术在我国的应用已经十分广泛，在技术方面也取得了相当瞩目的成就。但考虑到地质条件的复杂与多变，为了确保古城煤矿主斜井井筒冻结斜长504米深表土长顺利施工，在设计施工中大胆创新地对冻结器进行了改造，采用了对冻结管异径加保温层段技术措施，这在国内外均属首创，此技术措施在本项目施工过程中节约了380万度的电能消耗及大量的钢材。另因斜井冻结盐水管路长为防止管路热胀冷缩，在紧配合部位加装伸缩节，以防止损坏设备，确保了工程质量达到预计目的。

3 结语

中煤邯郸特殊凿井有限公司根据自己的实战经验总结出了一项科研结果——《深表土504米长斜井冻结技术研究》，并提交省级检定中心。经审批，该项技术已经被政府承认具有国际领先水平。

随着矿井建设地质环境复杂性的增加，井筒需要穿过的土岩层也越来越深，导致需要进行冻结的深度不断加大。从冻结方面，加大对冻结工艺以及冻结壁温度场的研究，掘砌单位应加大针对斜井冻结井筒开挖专项设备的研究，以提高掘进速度。冻结技术在施工现场的应用与实验室中的力学演示有着巨大的区别，不论是冻结壁所处的高压还是深部冻土的力学性质都无法完全模拟，所以我们必须继续努力，以深表土长斜井504米冻结技术为基础，向着更精湛的技术前进。

参考文献：

[1]陈祥恩，杜长龙.马泰壕煤矿斜井冻结施工技术[J].煤炭科学技术，2009（11）.

[2]张文.我国冻结法凿井技术的现状与成就[J].建井技术，2012（06）.

[3]沈华军，郭圣旵，陆卫国，郭垒.深井冻结设计及施工[J].建井技术，2011（04）.

作者简介：董志业（1983-），女，河北邯郸人，中煤邯郸特殊凿井有限公司科技中心，助理工程师，研究方向：节能减材。endprint