浅析巴拉素矿井井筒冻结工程设计与施工对策

崔学军

摘 要：文章以陕西延长石油巴拉素煤业有限公司巴拉素矿井及选煤厂立井筒为例，简要阐述采用冻结法立井井筒工程的施工方案，为后期该地区立井施工积累了经验。

关键词：立井；井筒；冻结；施工

中图分类号：TD265.34 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）14-0168-01

1 概 况

巴拉素井田地处榆林市以西直距约40 km，行政区划隶属陕西省榆林市榆阳区巴拉素镇、补浪河乡、红石桥乡等管辖，地处规划的榆横矿区（北区）的中西部。井田南北长约22.5 km，东西宽约13.4 km，总面积300.40 km2。井田内7层可采煤层共求得探明的+控制的+推断的资源量4 971.46 Mt，设计可采储量2 622.73 Mt，矿井建设规模一期规模15.0 Mt/a，二期规模按30.0 Mt/a，服务年限为65 a。

2 冻结方案选取

根据井筒预想柱状图、地质勘探报告及冻土试验报告等资料，结合井筒建设速度、经济型以及周边矿井的建设经验等综合考虑，选择冻结设计方案。

2.1 立井筒非全深冻结方案

从井筒建设速度、经济型方面考虑，提出井筒非全深冻结施工方案。即：主、副、回风立井均采用主排孔+防片帮孔冻结方式。主排孔冻结深度均穿过直罗组底板，进入延安组上部，深度暂定为：主立井485 m、副立井457 m、回风立井448 m（具体深度根据井壁结构及建设单位要求确定）。但由于榆横矿区地层涌水量较大，从巴拉素矿井井检钻报告得知，其安定组、直罗组及延安组段涌水量为153.75 m3/h，对矿井立井筒施工影响较大，借鉴临近矿井的建设经验，暂不考虑本方案。

2.2 立井筒全身冻结方案

全深冻结方案采用主排孔+防片帮孔冻结方式时，根据井筒冻结主排孔布置的深浅差异，分为全深冻结和全深差异两种形式。

根据以上方案比较分析，见表1，巴拉素煤矿主、副、风立井均采用全深差异冻结方案较宜，副立井可以采用全深冻结方案。

3 冻结壁设计

3.1 基本参数

①主立井井筒设计净直径φ9.6 m，最大掘进荒直径为14.0 m； 副立井井筒设计净直径φ10.5 m，最大掘进荒直径为14.8 m；回风立井井筒设计净直径φ8.0 m，最大掘进荒直径为11.4 m。

②控制层位选取：由于矿井井筒中洛河组下部细砂岩含水大、抗压强度相对较低、地质条件相对较差，是冻结施工中需要重点控制的薄弱地层。所以冻结控制层均选取洛河组下部细砂岩层，在此层位设置水位孔，可直接为冻结壁形成交圈监测提供依据。其埋深分别为：主立井为203 m，副立井为224 m，回风立井为225 m。

③冻结壁平均温度的选取：根据矿井冻土试验报告中冻结岩土单轴抗压强度试验参数可见，随着温度的降低，冻土强度值提高较大。

3.2 冻结参数选取

3.2.1 冻结壁厚度设计

冻结壁设计厚度是指井筒掘砌至设计控制层位时，此层位冻结壁需达到的最小有效厚度。

根据西部地区软岩井筒冻结施工经验及巴拉素矿地质、水文条件综合考虑，设计采用有限长粘塑性体经验公式计算冻结壁厚度。按《煤矿冻结法开凿立井工程暂行技术规范》中强度公式计算冻结壁厚度：

E=■（1-？孜）■k

根据控制层位、冻土抗压强度等综合因素，冻结壁围压仅取水压P=0.01H，固约系数ξ=0.2，掘砌段高h=4.0，安全系数k主、副=1.3，k回风=1.2，经计算，冻结壁厚度为：

E主=■（1-？孜）■k

=1.732×（1-0.2） ×0.01×203/6.26×1.3=2.34；

E副=■（1-？孜）■k

=1.732×（1-0.2） ×0.01×224/6.19×1.3=2.61；

E回风=■（1-？孜）■k

=1.732×（1-0.2） ×0.01×225/3.36×1.2=2.35。

根据计算结果，综合考虑井筒开挖荒径的大小，开挖前冻结时间要求及开挖速度要求，并结合近年来同类工程的施工经验，确定冻结壁厚度如下：

E主=2.4 m，E副=2.7 m，E回风=2.4 m

3.2.2 冻结孔布置

主冻结孔布置圈径的确定，不仅与冻结钻孔内偏值、冻结壁厚度、开挖荒径、井壁结构等因素有关，而且要满足放炮安全距离要求（放炮安全距离：冻结管距井帮≮1.2 m）。

3.2.3 主排孔开孔间距

根据《煤矿冻结法开凿立井工程技术规范》MT/T 1124-2011

中5.6.2条，冻结深度>300时，取开孔间距1.20～1.35 m。当采用全深差异冻结方案时，为保证浅孔以下孔间距，取小值（方案中中取1.204 m）；采用全深冻结方案时，取大值（可取1.35 m）。

3.2.4 测温孔布置

测温孔是根据冻结钻孔施工后根据钻孔偏斜图确定孔位，一般测温孔是定在最大相邻孔间距的两孔之间或者主冻结孔圈径外侧界面上。

4 冻结施工中的困难及对策

①冻结管与钻孔环形空间充填。冻结壁解冻后，避免上部含水层涌水通过冻结管与钻孔之间的环形空间导入井底。采用缓凝水泥置换专利技术进行冻结管与钻孔环形空间充填封堵。由于本区地层的特殊性，施工冻结孔所用的的泥浆需要加入广谱护壁剂。

②钻孔深度较深，基岩厚度大。冻结深度较深，钻孔穿过基岩厚度大，保证钻孔施工进度和质量存在一定难度。采用螺杆定向纠偏技术、提高陀螺仪的精度等手段，保证钻孔质量。选派具有深厚基岩钻孔施工技术、熟悉本地区地层的施工队伍，投入先进的钻探设备和钻具，保证施工的进度和质量。

③部分冻结管穿过相关硐室，掘砌施工时如不加以有效处理，解冻后冻结管在自重作用下对硐室结构极为不利。

开挖硐室时，在冻结管位置，应向上多挖一定空间，作为后期注浆缓冲空间；

钢板与冻结管和注浆管之间要焊接牢固且不得渗漏；

浇筑混凝土之前要将冻结管和注浆管底端封堵严密，防止浆液进入；

待硐室混凝土强度达到设计值后，可通过冻结管通风的方式强行解冻，然后通过注浆管进行冻结管管外注浆。

④井筒冻结段原则上不宜施工锚杆，井筒基岩段采取放炮作业施工时，应严格控制掘砌段高在4 m以内。

⑤加强冻结与掘砌的密切联系与配合，使冻结与掘砌施工处于可控状态。并强化冻结段内的相关硐室的支护方式和支护强度设计。

参考文献：

[1] 张振戈.浅谈杨柳煤矿东风井井筒冻结设计及施工方案[J].山东煤炭科技，2012，（4）.

[2] 张发元，冯武华.冻结法施工技术在丰龙矿的应用[J].江西煤炭科技，2008，（3）.