巴拉素煤矿立井井筒超期冻结问题分析

赵俊峰

(陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

巴拉素煤矿项目，2013年5月相继完成“四通一平”等配套设施施工。2014年4月，主立井、副立井、回风立井3条井筒冻结造孔开钻、冻结站和辅助设备开始安装，10月完成冻结站安装工程。开机送冷50天后，井筒冻结圈形成，具备初步开挖条件。由于项目未经核准，按照国家能源局《关于调控煤炭总量优化产业布局的指导意见》(国能煤炭〔2014〕454号)和发改委等三部委《关于全面清查和坚决制止煤矿违法违规建设生产的紧急通知》(发改运行〔2014〕2546号)文件要求，项目停工，冻结站仍处于工作状态，文章分析了立井井筒超期冻结存在的问题。

1 矿井概况

巴拉素井田位于陕西省榆林市以西约40 km，地处榆横矿区(北区)的中西部，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。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层可采煤层共获得资源量4 971.46 Mt，其中探明的资源量(331)618.28 Mt，控制的资源量(332)1 047.01 Mt，推断的资源量(333)3 306.17 Mt。

井田地处毛乌素沙漠东南缘，地表绝大部分被第四系松散沉积物所覆盖，基岩仅在东南部和中部零星出露。区内地形以沙漠滩地为主，北东-南西向排列的新月形沙丘和链状沙丘遍布，其间分布有较多的滩地。地形总体起伏不大，相对高差一般5～20 m，总体北部较高，向南地势逐渐降低。海拔标高一般在+1 085～+1 261 m之间。

根据井田地质资源及外部开采条件，矿井设计生产能力1 000万t/a，采用立井开拓方式，设主立井、副立井、中央回风立井及二号回风立井。全井田划分为3个水平，分别布置在2#煤、3#煤和8#煤层中。工业场地布置在井田中部，分为行政福利区、主副井生产区和风井场地。结合矿井水文地质情况，确定矿井立井筒施工采用全深冻结法施工方法。

2 水文地质

巴拉素井田地质构造和水文地质条件简单，井田内各段承压水主要通过区域上基岩风化裂缝带潜水的下渗补给，基岩裸露地段地表水的渗入补给。井田内主要含水层为白垩系洛河砂岩孔隙裂隙潜水，富水性中等至强。洛河砂岩孔隙裂隙潜水，主要靠上覆松散层潜水的下渗补给。该潜水与松散层潜水间局部地段存在黄土(古土壤层)隔水夹层略显承压水特性外，大部分地区则为具有密切水力联系的统一含水体。该组岩性单一，为紫红色、砖红色块状中～细粒长石砂岩。矿物成分以石英、长石为主，被泥、钙质弱胶结。岩石结构较疏松，表层风化强烈，岩体破碎，整体质量较差。白垩系洛河组砂岩饱和抗压强度很低，含水层孔隙裂隙较发育，含水率较高，地下水赋存条件较好，连通性及径流条件较好，部分岩石出现遇水崩解现象。与第四系松散层孔隙含水层无稳定隔水层，易于接受其下渗补给，富水性较好，岩石厚度60.19～259.38 m，平均194.85 m。井田北部厚度大，南部厚度小，变化规律明显。

井田勘探资料显示，井田水文地质勘探类型为二类二型，预计正常涌水量1 500 m3/h，最大涌水量为1 800 m3/h，根据《煤矿防治水规定》，矿井水文地质类型为复杂型。

3 超期冻结存在的问题

井筒采用冻结法施工，由于项目建设手续不全，被责令停止建设。项目停工，而冻结站不能停止运行，导致现场施工安全等方面出现了一系列问题。

3.1 冻结系统方面

由于巴拉素煤矿井筒采用全深冻结，冻结钻孔穿过的安定组、直罗组、延安组含水层硫酸根离子浓度分别为1 888.64 mg/L、3 636.57 mg/L、3 816.90 mg/L，对钢结构的腐蚀性均为“中等腐蚀”。冻结工程始于2014年4月15日，2014年6月25日造孔完毕，截止井筒正式开挖前，冻结管已形成34个多月，经检查各井筒冻结管不同程度产生漏气泄压现象，冻结沟槽出现底板不均匀沉降，沟槽底部、墙体产生严重开裂变形现象。存在冻结管失效、冻结工程报废、井筒报废、设计井筒位置不得不重新调整，井筒重新选址将严重影响矿井安全建设及首采区位置的合理选择。

3.2 井筒防治水治理方面

为处理3条井筒冻结沟槽底板沉降、沟槽底部、墙体开裂变形等安全隐患，各井筒被迫进行了试开挖，对沟槽底部进行混凝土护壁处理，而未按照设计进行增强、防渗永久支护，使得该区段沉积层涌水全部进入井筒内，造成井筒涌水量增加。如若长期停掘，冻结管长期受盐水腐蚀会强度变低，造成断裂，冻结前功尽弃，已成型井壁持续受冻胀压力，易造成开裂，丧失使用功能并存在坠落风险、报废风险。如果冻结站停止运转，冻结管内的盐水将会结晶，使冻结管报废，冻结壁化冻后，初步估算井筒涌水量可能达到529.79 m3/h，将会出现淹井危险的重大涌水事故。

3.3 井筒施工方面

鉴于煤矿立井筒冻结施工的特殊性，井筒冻结工程与掘砌工程无论在时间还是空间上，都有一个科学合理的最佳结合点。冻结站一旦开机送冷，就无法中断设备运转，特别是完成冻结任务，进入维持冻结以后，若井筒掘砌工程长期停工，冻结壁持续向井筒内推进，井筒内温度持续降低，最终导致井筒内岩体与冻结圈浑为一体，成为坚硬无比的“冰体岩石”，不仅增加了施工难度，更重要的是无论采用挖掘机破碎锤施工，还是采用较为传统的炮掘施工，都将不同程度地出现预想不到的瞎炮、聚爆和机械故障，进而产生机械、放炮和人员伤亡及冻伤等事故。

3.4 环境保护方面

根据井田勘探报告，井筒涌水量较大，各含水层均为“中等腐蚀”，若冻结管超期服务，将会出现大面积腐蚀，产生泄露盐水现象，给施工人员生活带来安全隐患，在矿井水处理站和生活污水处理站尚未建设情况下，极易造成环境污染。

3.5 安全管理方面

冻结工程属特殊凿井技术，制冷设备均为压力容器等特种设备，超期运行各保险阀、压力表等压力容器附属构件将不断出现各类问题，日常检修维护量较大，任何一个环节疏漏，都极易造成安全事故，给安全质量管理带来极大压力。

3.6 建井主要生产系统方面

矿井3条井筒掘砌施工所需的建井井架、绞车、稳车、天轮、钢绳等设备已经全部安装到位3年有余，这些设备长期停止使用，且处在低温潮湿环境之中，其强度逐渐降低，安全系数将无法保证安全使用。特别是设备基础的地脚螺栓、各井架、梁的连接螺栓因超期服务，经过长时间风吹日晒，锈蚀严重。持续冻结会使井架基础产生冻胀抬升、位移和井架倾斜现象，这也是安全隐患。

3.7 防洪排涝方面

项目“四通一平”工程基本投入使用，各级管理人员在此生活工作，工业场地和选煤厂场地汇水面积较大，区域季节性气候变幻无常，使得项目抗御暴雨等天然灾害和环保工作压力不断攀升。特别是在2015年至2016年7～9月份，巴拉素镇区域遭遇50年不遇的暴雨洪水袭击，现有防洪排涝系统无法满足需要，存在重大安全隐患。

3.8 项目停建期间投资费用方面

经现场初步估算，停工期间110 kV变电站带电空载运行电费约达200万元/月，冻结及矿建施工设备维护费用约180万元/月，冻结站设备继续维持冻结电费消耗约268万元/月，维护人员工资约为290.6万元/月，项目财务费用约1 705.6万元/月；若冻结孔报废，重新补打直接经济损失约11 281.16万元；若因冻结管报废造成矿井原设计井筒位置发生被动调整，工业场地重新选址，经济损失约36 262.67万元。

4 结语

针对存在的问题，如何科学地加以解决，仍需相关部门认真思考。为全面贯彻落实“安全第一、预防为主、综合治理”的安全生产方针，落实安全生产主体责任，有效遏制重、特大安全生产事故发生，加强现场安全隐患排查治理力度，确保停产停建期间煤矿安全。巴拉素煤矿必须严格遵守“限定范围、限定工期”的原则，开展隐患治理工程施工，减少冻结运行维护费用，消除冻结系统、井筒掘砌及主要建井生产系统安全隐患，完成井筒涌水治理系统(矿井水处理站和生活污水处理站)工程，保证矿井水及污水水质达标，杜绝发生环境污染事故及因排水引发当地村民群体事件，完成工业场地防洪排涝工程，提高项目抗灾能力。