钻井法和冻结法在立井施工中的效益分析

杜均莉

平煤股份八矿二井位于河南省平顶山建设路东段路南，东靠许平南高速公路，西距许南公路3.5公里，其中回风井井筒深度480.2米，净直径为6米，使用钻井法施工，最终总投资为8059.26万元；进风井井筒深度493.2米，净直径为7.6米，使用冻结法施工，最终总投资为13533.42万元。两井筒地质特征相同，均为表土段较深，占井筒深度的86.5%，而基岩段所占比例较小，占井筒深度的13.5%。其中表土段的粘土层多、厚，且多含粘性含钙及膨胀较强的灰绿色粘土；砂层较多，单层比较厚，较板结；地层含有较厚的卵石层，且饱和、密实，且井筒深度较大、断面积大、水文地质条件复杂，导致其施工难度大、施工技术复杂、施工周期长。立井井筒表土段施工方法是由表土层的地质及水文条件决定的。在不稳定表土层中施工立井井筒，用普通的施工方法是很难通过其表土层的，必须采用特殊的施工方法，作为特殊凿井法中最常见的冻结法和钻井法施工工艺，在八矿二号井的回风井和进风井中分别得到应用，通过对两种施工工艺在投资方面的直观对比，可以为施工方案的选择提供依据。

一、研究意义

立井井筒工程是矿井建设的关键工程。我国立井井筒的主要特点是井筒深度大、断面积大、表土层厚、水文地质条件复杂，导致其施工难度大、施工技术复杂、施工周期长。立井井筒表土段施工方法是由表土层的地质及水文条件决定的。立井井筒穿过的表土层，按其掘砌施工的难易程度分为稳定表土层和不稳定表土层。在不稳定表土层中施工立井井筒，用普通的施工方法是不可以通过其表土层的，必须采用特殊的施工方法。我国目前主要以冻结法和钻井法为主。目前钻井施工法和冻结施工法在我国均属于比较成熟的井筒施工工艺，实现了全套设备国产化，全部工序机械化，综合技术达到国际先进水平，但两种施工工艺对投资的影响差异未量化，应根据不同的地质情况合理选择施工工艺。八矿二号井的回风井和进风井地质状况相同，分别使用钻井法和冻结法施工，是平煤集团公司内部所有工程项目中唯一既有钻井法也有冻结法立井井筒施工工艺的新建项目。通过研究钻井法和冻结法两种施工工艺的特点，及各自的优缺点，来分析判断针对某个井筒应采取何种施工工艺，从而达到投资最为节省，合理选择施工方法，为业主提出合理建议，具有很好的推广前景。

二、钻井法与冻结法简介

由于我国经济的快速发展，对能源的需求量不断增加，致使矿山建设工程量在全国范围内大幅度增加，井筒施工也大幅度增加。因很多地区地下土层情况复杂，地下水位较高或地下管线密布等情况，给施工带来了较大难度。特别是地下水位较高地区，土方挖掘后因水流关系易造成土方坍塌，危害施工人员安全，也给工程建设带来较大经济损失。

钻井法是用钻头破碎岩石，用洗井液进行洗井排渣和护壁，当井筒钻至设计直径和深度以后，在洗井液中进行支护的机械化凿井方法。钻井法凿井综合多种技术工艺，通过在地面专门研制的大直径钻机，驱动钻杆、钻头和破岩刀具向地层钻进，钻进时用泥浆临时支护井帮和冷却钻具。通过钻杆中的风管送入压缩空气，用压气升液法将泥浆高速排上地面（又称反循环洗井），达到冲洗井底和携带钻屑的目的。含钻屑的泥浆，经过地面净化处理，返回井中，多余废浆和成井后的大量弃浆可经过快速处理，固化或还原成水和土。井孔钻进为了合理利用设备能力和保证质量，一般采用一次超前，分级扩孔。当钻孔达到设计直径和深度后，将地面分节预制好带有井壁底的钢筋混凝土井壁或钢板混凝土复合井壁，在充满泥浆的钻孔中用钢法兰盘逐节连接，悬浮下沉至井底作永久支护。最后在井壁外围用水泥浆和其它材料，根据地层条件分段进行置换泥浆的充填固井。成井偏斜率根据井型不同，控制在0.4‰（主、副井）～0.8‰（风井）以内。钻井法实现了全部凿井工序在地面进行，大大减轻凿井工人的劳动强度，工作安全，施工质量好。钻井法凿井技术可应用于任何地层，已有百余年的历史，我国于1969年首次采用钻井法钻凿煤矿立井获得成功。但就其技术经济效益来看，目前仍以钻进表土底层时效果最佳。

冻结法施工的基本原理为利用土体冻结后其强度、稳定性以及隔水能力大大优于天然土的性质。在岩土工程开挖之前，在开挖的工程周围，钻造钻孔（冻结孔），利用人工制冷技术，通过冻结孔对地层进行制冷，形成一个封闭的冻土结构，隔绝地下水的联系，同时抗抵周围岩土的压力，确保工程开挖的安全。冻结法施工的工艺原理是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水，以便在冻结壁的保护下，进行地下工程掘砌作业。冻结法的冻结制冷技术通常是利用物质由液态变为气态，即气化过程的吸热现象来完成的。立井冻结凿井是利用传统的氨循环制冷技术来完成的。它是在井筒开挖之前，用人工制冷的方法，将井筒周围含水地层冻结成一个封闭的不透水的帷幕，即冻结壁，用于抵抗地压、水压，隔绝地下水与井筒之间的联系。而后，在其保护下进行掘砌施工。为形成冻结壁，首先在欲开挖井筒的周围打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结器。低温盐水在冻结器中流动，吸收其周围地层之热量，形成冻结圆柱。冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭的冻结壁，直至达到其设计厚度和强度为止。然后在其保护下进行掘砌施工，以便安全穿过含水地层。

三、工程投资对比

1.工程投资对比分析。因为两个井筒直径不同（进风井井筒净直径7.6米，回风井井筒净直径6米），使用矿山建设中常用的“延米/元”作为单位不太合适，又因为两个井筒深度接近（进风井井筒深493.2米，回风井井筒深480.2米），所以在本次研究中我们创造性的引入“立方米/元”这一单位进行井筒工程投资对比分析，更加贴合实际，并且简单直观的反映出钻井法和冻结法施工的单位造价。

2.从工程投资考虑，钻井法施工占优势。因此，应优先考虑钻井法施工，但钻井法施工无法保证井筒的垂直度。有提升要求的进风井不能采取钻井法施工，而回风井无提升要求，可采取钻井法施工。八矿二井回风井采取钻井法施工为最优方案，进风井采取冻结法施工为最优方案。

3.对工程投资的影响及差异值对比。钻井法由于实现了凿井工艺综合机械化和部分工艺自动化，使凿井工人从繁重的体力劳动中解脱出来。由于钻井速度快，劳动生产率高，降低了工程成本，建井投资费用比普通凿井法低15%～40%。冻结法由于制冷过程中需要耗费大量电力，每月单纯用于冷冻的电费即可达到20万元甚至更多，一年的电费将达到240万元以上，大大超出了普通凿井法的施工费用。通过引入普通凿井法的对比不难发现，钻井法凿井的工程投资是大大低于冻结法凿井施工工艺。

四、经济社会效益分析

1.经济效益。回风井使用钻井法施工，最终总投资为8059.26万元。进风井使用冻结法施工，最终总投资为13533.42万元。因此采用钻井法后可为建设单位节约投资。

2.社会效益。钻井法和冻结法在八矿二井立井施工中的经济效益分析，有利于提高施工决策水平，对加速井筒施工行业的发展起到推动作用。在井筒施工中采用先进的特殊凿井工艺进行施工，能够有效规避地下含水层对施工造成的影响，它能保证井筒开凿顺利快速施工，很大程度上保证了井筒施工的安全性。但究竟应采取何种特殊凿井法，在确保工程质量的前提下加快工程进度，有效的控制工期，使建设单位尽快投入生产并赢得效益，为建设单位及施工单位规避了质量事故和由于地质条件造成拖延工期而带来不必要的经济损失。通过研究钻井法和冻结法两种施工工艺的特点，来分析判断针对某个井筒应采取何种施工工艺，从而达到投资最为节省，可以产生良好的社会效益。

五、推广应用前景

在井筒施工中采用先进的特殊凿井工艺进行施工，能够有效规避地下含水层对施工造成的影响，它能保证井筒开凿顺利快速施工，很大程度上保证了井筒施工的安全性。采取合适的特殊凿井法，可以在确保工程质量的前提下有效的控制工期，使建设单位尽快投入生产并赢得效益。通过研究钻井法和冻结法两种施工工艺的特点及投资对比，来分析判断针对某个井筒应采取何种施工工艺，从而达到投资最为节省，为业主提出合理建议，可以产生良好的经济和社会效益，具有很好的推广前景。

（作者单位：中国平煤神马集团技术中心）