徐庄煤矿西风井井筒冻结施工实践

闫磊磊

摘 要：煤矿工程是对煤矿的一种深度挖掘，煤矿工程的顺利开展与人们的生活有很大联系。在煤矿工程项目建设过程中，立井施工通过含水地层是个较困难的事。尤其是对于厚度比较大的第四系表土层施工，采用冻结法有其较大的优越性，是较为合理和成熟的方案。为此徐庄煤矿西风井井筒表土段施工，优先采用了冻结方法施工，并在工程实践中进行了有益的尝试，经过一段时间的尝试和技术的改进之后，施工中存在的一些问题得到了妥善的解决，与此同时，我们也发现了这种技术在实践中的优越性，这种技术应用到了煤矿工程中后，施工的难度降低了，效果也提升了。同时也推动了工程的高速、高质量进行。煤矿风井井筒的冻结施工技术虽然已经有了一定的发展，但是还存在着许多的不完善，这些不完善对于煤矿工程的顺利进行有一定程度的影响，影响了工程的质量。为了使这些不完善在未来变得完善，必须不断进行实践，对施工的技术进行进一步的探讨，通过创新手段对施工的过程进行优化，在实践的过程中，我们会寻找都更多对施工有益的技术，以此来提高施工的质量。本文就冻结工艺中的主要参数和应该注意的一些问题，井筒冻结技术等相关问题，进行分析，希望能为以后的工程建設，进一步的应用冻结施工提供一些借鉴。

关键词：井筒地质；冻结设计；施工实践

在煤矿工程项目建设过程中，立井施工通过含水地层是个较困难的事，尤其是对于厚度比较大的第四系表土层施工。随着煤矿建井技术的进一步研究，井筒施工深度在逐渐增加，井筒穿过特殊地层采用普通方法来完成的难度逐渐凸显出来，施工中存在较大的不确定性。为了克服凿井过程中地下水的影响和威胁，目前井筒表土段施工主要采用诸如冻结施工，帷幕注浆等特殊方法。根据近一二十年矿井施工的经验，冻结法施工的成功案例在实际运用中越来越多。采用冻结法有其较大的优越性，是较为合理和成熟的方案。但在冻结施工技术自身不断完善的过程中，由于工程衔接与配合问题的不同步等，施工中出现了很多問题，不但使得工期被延长，工程的质量也受到了影响。结合徐庄煤矿西风井冻结工程的实践，本文就冻结工艺中的主要参数和应该注意的一些问题，井筒冻结技术等相关问题，进行分析，谈谈自己的体会，希望能为以后的工程建设，进一步的应用冻结施工提供一些借鉴。

1 井筒地质、水文地质概况

1.1 井筒地质概况

徐庄矿西风井地质检查孔揭露地层自上而下分别为第四系、上侏罗～下白垩统（J3+K1）、下石盒子组、山西组、太原组。

1.2 水文地质概况

1.2.1第四系松散层

第四系岩性主要由粘土、砂质粘土及不同粒级砂层组成。

1.2.2上侏罗～下白垩统砾岩含水层

岩性主要由紫红色的砂质泥岩、砾岩组成，其中砾岩为含水层。

1.2.3下石盒子组

岩性主要由泥岩、砂质泥岩及粉、细、中、粗砂岩组成。本组含水层为底部的分界砂岩。

1.3 工程地质评价

1）建议冻土开挖时冻结壁平均温度不应小于-10℃。

2）深部粘土的结冰温度最低（-1.95℃），说明该深部地层比较难冻结，在实际冻结工程中必须严格控制冻结壁的温度。

3）在没有外部水源补给的条件下，冻土的冻胀率在0.82%～0.93%之间，冻胀力在0.78～1.10MPa之间，属于弱冻胀土，但在冻结凿井过程中，仍要注意冻土的冻胀特性及其对冻结管的影响，以及对井壁的作用。

4）在实际工程中要尽量缩短冻结壁的暴露时间，控制冻结壁的总变形量，保证冻结壁的安全，防止冻结管断裂。

2 井筒冻结施工方案

2.1 冻结深度的确定

结合西风井砾岩含水层深度，为了确保掘砌安全，井筒冻结深度400m，同时为了区别冻土含水层和岩层裂隙水在冻结过程中，对冷媒吸收特性的不同，控制冻结能量分布均衡，冻结施工方法采用差异冻结法，其中冻结深度短管长220m，长管400m。

2.2 冻结方案

2.2.1主冻结孔

主冻结孔深度400m/220m。差异冻结方式，短腿穿过弱风化带，其作用是加强冲积层、风化基岩冻结壁的强度和厚度，基岩中达到封止水目的。

2.2.2辅助冻结孔

辅助冻结孔深度185m，为加强冻结孔。冻结深度穿过表土段进入强风化带，其作用是确保冲积层冻结壁厚度与强度，提高冻结壁的稳定性。同时实现井筒提早开挖，防止井筒掘进时片帮。

2.3 冻结壁设计基本参数

1）积极冻结期盐水温度：-28～-30℃；

2）第四系控制地层冻结壁平均温度：-10℃；

3）砂性土层的冻土计算强度：5.0Mpa；

4）第四系控制地层地压：

根据井检孔资料，选择冲积层底部砂性土层作为控制层位。即垂深179.65m的中砂层作为控制层，计算地压为2.335Mpa；

2.4 冻结壁厚度计算

采用多姆克公式计算砂性土控制层位的冻结壁厚度：

根据计算结果，并结合冻结施工经验，确定冻结壁厚度：E=2.8m。

2.5 安全掘进段高校核

以井筒最下部垂深162.65m粘土层作为控制层位，按维亚洛夫——扎列茨基的有限长塑性厚壁筒公式计算冻结壁的稳定性。

根据冻结壁形成分析，该工程工作面冻结状态系数取1.516。

经计算，粘性土层外壁掘砌段高为2.52m，因此段高控制在2.5m之内，井筒施工是安全的。

2.6 冻结孔布置设计

2.6.1冻结孔布置原则

各控制层位冻结壁厚度均满足设计要求。各控制层位冻结壁平均温度均满足设计要求。

2.6.2主冻结孔布孔设计

钻孔布置设计充分考虑控制地层所需冻结壁厚度、外侧冻结壁发展状况、钻孔径向偏值以及冻结井筒基岩段安全放炮距离等因素。

综上相关因素，主冻结孔布孔圈径确定为φ11.8m，冻结孔数量N=30个，实际开孔间距1.236m。

2.6.3辅助冻结孔布孔设计

根据冻土发展速度并结合井筒具备开挖条件的冻结时间，辅助冻结孔布置圈至掘砌荒径宜控制在1.0m左右。

基于此，辅助冻结孔布置圈径确定φ9.6m，冻结孔数量N=12个；实际开孔间距2.513m。

3 徐庄煤矿西风井井筒冻结法应用分析

3.1 冷却水水源井的位置

根据建井规范要求，冻结施工期间，特别是积极冻结期间，必须确保冷却循环水的供给。因此，要求施工场地内必须将水源井的位置进行合理布置，这一点在整个的井筒冻结施工中起着很重要的作用。如果选择的位置不够恰当，会直接影响整体的冻结效果。

为了使地下水保持正常的流通，避免人为造成地下水流通加大，影响冻结壁交圈，最好在冻结井筒以及其降水漏斗影响的范围以外或者是地下水的上游布置水源井。根据规范要求宜将水源井布置在距离冻结井筒位置保持在300米以上。

为了保证矿井的最佳使用状态，最好是对矿井及其周围的其他水源都进行调查，然后将可能对矿井有影响的水源登记下来，以便及时对水位的变化和冻结井筒水文孔水位的变化进行检测。如果检测的结果发现水位的变化确实与周围的水源有关，就要找清楚两者之间的联系，以免进一步影响井筒冻结的交圈。

3.2 协调冻结制冷与掘砌工程的工期

一般情况下，进行冻结制冷的单位在安排施工时，会考虑到自己本身的施工组织设计和建设单位要求达到的工期，对于掘砌单位对于施工的准备会不会与自己这边脱节，冻结制冷单位是不会考虑的。

很多情况下，井筒冻结的那一方已经准备好施工的所有条件了，但是掘砌施工的施工方还在准备中，这样很容易造成冻土入荒过大，不利于掘砌施工的顺利进行，还会造成不必要的工期延长，使成本增加，对两边来说，都会造成一定的损失，使之陷入相互索赔的矛盾中。为了尽可能避免这种尴尬状况的出现，在进行建筑招标时，就要首先对两者的施工进度进行规定，如果因为自身的原因造成了双方的损失，对对方工期延长要做出相应的赔偿，赔偿多少也要在招标时说清楚，明确双方的责任。

但是如果掘砌单位确实遇到了一些麻烦需要延长工期，此时冻结单位如果根据实际情况考虑后决定同样延迟开机，开机后根据发展的情况做出及时的调整，保证双方的协调，那么冻结施工方可以不用承担责任。

徐庄煤矿西风井由中煤五建公司总包，中煤五建公司第二、第三工程处承担冻结和井筒掘砌施工。两家施工单位的协调比较容易，由此看来，实行工程总承包方式在工程施工过程的协调控制方面，有较为有利的条件。

3.3 选择合理的开挖时间

在以前，要想确定冻结井具体的开挖时间，根据水位有规律上升溢出孔口，只要确定冻结壁已经交圈了，那就可以开挖了。但是如果开挖的时间过早了，井壁荒径处的凍土强度不足以抵抗土层侧压力，井筒开挖后往往会导致片帮的发生。在交圈后，最好是不要立即进行正式施工，要求进行试开挖，同时段高要求进行控制，井壁冻土如果发现强度不足，要求及时进行临时支护处理。否则会因为片帮的存在，对施工的安全和工程的质量造成威胁。

3.4 段高的选择

在选择冻结井的段高时，会受到井筒所处的岩性、掘进速度等多方面的影响。根据公式计算，并结合工程施工质量安全要求，施工现场劳动组织的合理性，混凝土井壁在冻土环境状态下强度增长特点等综合控制目标要求。井筒冻结初期段高控制在1-2米比较合适。正常冻结期，冻土层不应该超过4米。基岩段根据围岩性质及完整情况通常要求段高。尽量适应模板，特别是整体大模板的要求。通常，国内比较与竞争力的施工单位，主要是采用整体金属大模板作业方式。对提升安全，成套设备选型，技术经济指标都比较合适。

3.5 套壁施工模板的选择

整体滑升模板模式最早开始使用是在70年代，但是在当时，因为现实条件的限制，对千斤顶是进行单双对称布置的，这就使得在使用的过程中，经常会出现滑膜盘扭转、滑升速度不一致导致的倾斜的现象等，但是在后来不断的摸索中，改进、发展、完善了一些新的技术，滑膜套壁就是很好的应用。但是使用这种方法时，为了保证井壁的质量，必须对滑升的速度进行控制，最好是每一个小时只能滑升一次，每次滑升的高度都保持在330毫米之内，这样一来，混凝土的质量就可以得到有效的保证。

由于滑升模板加工制作成本较高，操作技术比较复杂，设备维护管理受井筒狭小空间的限制，有些施工单位不太愿意使用。根据各地施工经验的不同，目前井筒套内壁多采用小模板翻模，进行套壁作业。该方法操作简单，质量也容易控制，井筒混凝土拆模时强度易于保证。对浇筑后的井壁质量能够及时养护和检查。使用多套小模板通常为12套金属小模板。通过依次翻模循环操作的施工方案完成井壁混凝土浇筑，该法使用也比较普遍。

3.6 厚黏土施工

在施工的过程中，为了确保掘砌施工能够顺利的通过又深又厚的粘土层，常常会加强井筒单位对于冻结运行系统的管理，防止意外事故的发生。除此之外，盐水的温度和流量也会对工程造成影响，所以也必須进行严格的控制。如果需要穿过过于深厚的膨胀粘土层时，应该加强冻土入荒、工作面底鼓进测量等工作。从徐庄煤矿西风井冻土段冻土的物理力学特征看，其膨胀力不大。通过合理组织施工作业，控制掘砌段高，缩短冻土暴露时间，减少冻土变形。严格按照设计要求外侧让压构造施工，确保规定的混凝土强度，严格进行质量控制，那么就能够正常通过厚度较大的具有一定膨胀性的黏土层，确保井壁质量安全。

4 结语

实践是获得发展的唯一道路，没有实践就不会有更进一步的发展，所以冻结技术要想有发展，就必须不断深入实践。徐庄煤矿西风井井筒施工，丰富了冻结法施工施工的内容，拓宽了冻结法施工的领域，取得了一定的成效。

参考文献：

[1] 朱邦永，盛小飞，褚衍坡.神华集团塔然高勒煤矿风井普通法转基岩冻结法凿井施工实践[J]科技信息，2010.

[2] 吴康宁，宋亚楠.恒源煤矿改建工程井筒冻结壁设计创新及施工实践[J].西部探矿工程，2016.