高河煤矿鲍村风井井筒冻结施工技术浅析

陈引锋，孙加荣，马长玲，方迎辉

（1.陕西能源职业技术学院，陕西咸阳712000；2.陕西省煤田地质局一九四队，陕西铜川727000）

高河煤矿鲍村风井井筒冻结施工技术浅析

陈引锋*1，孙加荣1，马长玲1，方迎辉2

（1.陕西能源职业技术学院，陕西咸阳712000；2.陕西省煤田地质局一九四队，陕西铜川727000）

通过对高河煤矿鲍村风井冻结工程条件的分析，在总结以前该矿区井筒冻结经验的基础上，提出了外孔+内孔插花差异布置冻结方案，采用低温大流量冻结的方式，及信息化监控系统的技术，来监控冻结车间和随时掌握冻土发展的情况，以保证井筒安全快速掘砌，为今后矿井建设安全生产积累了经验。

立井；冻结孔；冻结施工技术

1 工程概况

1.1 矿井简介

高河井田位于长治市以西约4km处，鲍村风井工程为高河煤矿的接续工程，风井位于矿井工业场地北部约2.0km的一处平地上,距鲍村约0.6km，场地地形平坦开阔。

鲍村风井井筒，因其地质条件复杂，采用普通法施工难以通过，为加快矿井建设速度，确定采用冻结法施工[1]。

1.2 井筒地质特征分析

1.2.1 地层岩性

鲍村进、回风立井井筒检查孔所揭露的地层，由新到老依次为：第四系、二叠系上统上石盒子组、二叠系下统下石盒子组、二叠系下统山西组与石炭系上统太原组（未完全揭穿）。

1.2.2 地质特征

由井筒检查孔资料得知，进风井揭露第四系厚度为211.76m，下部基岩厚度为299.71m；回风井揭露第四系厚度为213.58m，下部基岩厚度为316.53m。

（1）第四系：其上部为砂质粘土、风成砂，属软弱层，强度低、遇水易变软，为不良工程体，井筒施工中应引起重视；底部为砾石层，松散，透水性强，一般不含水，在建井过程中易坍塌，施工中应特别注意。

（2）风化基岩段：从上到下可分为强风化层、中等风化层与弱风化层。风化层岩石多呈碎块状，用手可折断或锤击易碎，风化裂隙发育。

（3）基岩段（不包括风化基岩段）：岩性为粉砂岩和砂质泥岩。砂质泥岩主要以石英长石为主，岩石软弱，遇水易软化，易风化，稳定性或坚固性差，是冻结的重点。

另外，冲积层较厚，提高钻孔施工技术，确保钻孔施工质量是该工程的关键，施工中应严格控制，重点把握[2]。

1.3 井筒主要技术特征

表土及风化基岩带采用冻结法施工，外孔冻结深度均暂定为290m，内孔冻结深度均暂定为220m，以冻结取芯孔确定最终冻结深度[2]。冻结段井壁厚度1150～1300mm，基岩段井壁厚度600mm。井筒设计参数具体见表1。

表1 井筒设计参数表

2 冻结方案设计

2.1 冻结方式

为了保证冻结壁的有效厚度和强度，实现井筒连续掘砌、顺利开挖，冻结施工方案中冻结孔采用外孔加内孔插花差异布置的方式[3]。

2.2 冻结技术参数的确定

根据高河煤矿鲍村进、回风立井井筒工程地质条件，冻结参数确定如下：

（1）盐水温度：积极冻结期盐水温度为-28℃～-30℃，维护冻结期盐水温度为-22℃～-24℃。

（2）冻结壁厚度：为求得安全、合理的冻结壁，在总结高河煤矿小庄进、回风井等井筒冻结成功施工经验的基础上，确定采用有限段高强度极限状态，按强度条件计算冻结壁厚度[4]，计算公式为E=31/2Ph/σs，计算参数及结果见表2。

表2 冻结壁计算参数表

根据山西地区类似井筒冻结施工经验，进、回风立井冻结壁厚度均取3.60m。

（3）钻孔布置设计：

①钻孔偏斜控制：冻结孔采用靶域半径和最大孔间距控制，0～150m靶域半径不大于0.35m，150～290m靶域半径不大于0.50m。冻结孔向内偏斜不大于0.5m，测温孔偏斜率不大于3‰[4]，不得打穿邻近冻结孔，水文孔各水平落点不超出井筒净断面。

②钻孔布置：冻结钻孔布置及最大孔间距控制,见冻结孔布置参数表3、表4。钻孔布置示意图见图1。

③测温孔：为了准确掌握冻结温度场变化情况，监控冻结壁形成及扩展状况。进、回风立井各布置3个测温孔。采用Ø108mm×5mm无缝钢管，外接箍连接，接箍Ø121mm×5mm。其中测1布置于地下水流上方外孔外侧主面上，测2布置于地下水流下方外孔外侧较大界面上，测3布置于外孔与内孔斜距最大孔间距处，均距外冻结孔布孔圈径1.3m。

表3 钻孔布置参数表

表4 冻结孔最大孔间距控制要求

④水文孔：根据地质资料查明，在冲积层主要含水层位需设置1个水文孔，作为监测水位和水温变化情况，以分析判断冻结壁交圈情况。水文管采用Ø108mm×5mm无缝钢管，外接箍连接，接箍Ø121mm× 5mm。水文孔花管层位及止封水位置见表5。

表5 水文孔深度、花管位置一览表

图1 高河煤矿鲍村进、回风立井钻孔平面布置与剖面图

封止水材料为粘土、海带。

⑤冻结壁交圈时间及井筒开挖标准：冲积层主要含水层（150m以上）最大孔间距按1.9m计算，预计40d交圈，开机至试挖45d。水文孔冒水后证实主要含水层冻结壁已交圈；根据测温资料分析，井筒掘砌至各水平时，冻结壁能够达到设计需要的厚度和强度。

2.3 施工主要设备

进、回风井共设一个冻结站，冷冻机选用HLG20ⅢDA185型高压机与HJLG25ⅢTA250型低压机各4台，8AS-12.5型活塞机1台作为打压机。盐水泵选择：每井各选用10Sh-6A型水泵2台，备用1台；选用200QJ32-26/2型水泵2台，备用1台；冻注钻机TSJ-2000E型4台，泥浆泵TBW-850/50型与3PNL-1型各4台，螺杆冷冻机组HJLG25ⅢTA250型与

HJLG20ⅢTA185型各8台。进、回风立井均4台钻机同时作业，施工时钻机与泥浆泵配套使用，冻结站冷冻机及盐水泵启动装置与其电机配套使用。

3 施工工艺及技术要求

冻结工程作业内容包括：施工准备、冻结钻孔施工、冻结站安装、积极冻结运转、配合井筒掘砌施工和进行维护冻结。冻结站安装与钻孔施工平行作业，同时完成，主要技术要求如下[5]：

（1）施工时，钻机采用Ø89mm钻杆、Ø159mm加重杆、Ø171.4mm牙轮钻头组成的加重钻具，回转式钻进泥浆护壁的方法，分班连续作业方式。每台钻机配备TBW-850/50型泥浆泵1台。钻孔测斜采用JDT-5型陀螺仪，实现不提钻测斜；采用JDT-3K型陀螺仪定向，随钻可提式导向器和YL-127型螺杆钻纠斜。

（2）根据冻结站的总体设计，按照先设备后管路的安装程序和施工图的技术要求，将三大循环系统（氨系统、盐水系统及冷却水系统）分别进行安装，并按《煤矿井巷工程施工规范》（GB50511-2010）要求试压、检查验收。

（3）冻结壁未达到设计厚度前的冻结时间均为积极冻结期，达到设计厚度后转为维护冻结期。冻结期间进行水文孔水位、参考井水位、测温孔温度的检测，井筒掘进期间的井帮温度、冻结壁位移等要进行严格的检测监控，为井筒安全掘砌施工提供可靠的依据。

4 质量控制与系统监测

（1）为确保冻结深度合理，施工主冻结孔时，对地层进行取芯，以便校核地层结构，要求冻结深度必须终止在不透水的完整基岩中。取芯起止深度暂定从冻结深度往下取10m，即进、回风井冻检孔取芯从井口算起止位置290～300m。

（2）采用钻、测、纠相结合的冻结孔钻进技术，严格控制冻结孔向井内偏斜，确保钻孔垂直度，缩小冻结孔间距，加快冻结壁形成速度，为缩短凿井工期创造条件[6]。

（3）施工现场采用信息化自动监控系统，实时监测冻结站运转及冻结壁发展情况，随时进行冻结状况分析。根据分析结果，判断冻结壁是否交圈，确定井筒开挖和施工中冻结壁厚度和强度，及时调整冻结施工参数，以保证井筒安全连续施工。

5 冻结效果检测

运转初期，按照施工组织设计要求，冻结站逐台开机投入运转，使盐水温度呈有规律性下降。在运转中，合理调配制冷量，使各项指标更趋合理，制冷效率不断提高；随后，使盐水温度尽快达到设计温度，最低达-30.0℃，满足了设计要求。

通过对每个孔盐水流量进行检测，每孔盐水流量达到设计要求，每个冻结器结霜均匀，无堵塞现象，表明冻结器正常工作。

水文孔水位在冻结系统运转28d后，有水冒出管口，标志着冻结壁温度场的形成和发展较为良好，之后便是冻结壁尽快形成并达到开挖的需要。设计开冻到开挖为45d，冻结壁设计厚度为3.60m，而实际冻结不到40d便达到开挖条件，冻结壁厚度超过3.90m，比设计工期提前5d，并超过了设计冻结壁厚度。

通过检测数据，分析冻结壁厚度和强度，并根据井帮温度及测温孔温度，提出掘进施工时的合理段高，并减少井帮暴露时间，确保冻结壁安全。合理调配冻结车间的制冷量，使车间运行更经济合理化[7]。

6 结语

（1）采用外孔+内孔插花差异布置的多圈孔的冻结方案，降低了冻结壁平均温度，缩短了冻结时间，提高了冻结壁的整体强度，保证了井筒提前开挖和开挖初期井筒上部不片帮，从而增加了冻结壁的安全可靠性。

（2）根据井筒特点，结合冻结壁计算机结果和类似工程施工经验，采用低温大流量冻结，积极期盐水温度为-28℃～-30℃，盐水流量不小于13m3/h。

（3）加大冻结站制冷能力，积极降低盐水温度以增强冻结壁的承载能力，以减少粘土的蠕变变形。对于冲积层深厚粘土层段，强化冻结，根据掘进速度，提前加大制冷量，降低盐水温度，并与掘进单位配合，提高冻结壁的稳定性，保证冻结管的安全。

（4）采用信息化监控系统，监控冻结车间和掌握冻土发展情况。信息化监控系统，随时对井筒冻结情况进行冻结分析，及时调整冻结运转参数，与掘砌单位密切配合，保证井筒安全、快速掘砌。

[1]高立群，李常华，李振武.花园煤矿深厚表土层井筒冻结施工技术[J].煤矿现代化，2009（增刊1）:7-8.

[2]GBJ213－90矿山井巷工程施工及验收规范[S].

[3]薛毅宏.副立井井筒冻结设计方案及施工技术[J].煤炭工程，2014（3）:29-31.

[4]山西高河能源有限公司鲍村进、回风立井井筒冻结工程施工组织设计[R].2013.

[5]MT5009－94煤矿井巷工程施工质量评定标准[S].

[6]王兵，汪志祥，懂梅，李宏伟.刘塘坊铁1号副井井筒冻结钻孔施工实践[J].探矿工程，2011（4）:53-57.

[7]陈引锋，方迎辉.高河煤矿立井井筒施工冻结技术浅析[J].地下水，2008（增刊2）:39-41.

TD265.3

B

1004-5716（2016）12-0125-04

2016-01-22

2016-01-29

省级自然类科研项目（15JK1166）。

陈引锋（1976-），女(汉族)，陕西乾县人，讲师、安全评价师，现从事水文地质工程地质及煤矿安全方面的教学与研究工作。