立井冻结防片帮孔优化设计与实践

张海骄 宋海清 王成博

（1.淮南矿业集团张集煤矿，安徽 淮南 232000；2.安徽理工大学，安徽 淮南 232000）

通过对新建冻结立井的分析，立井冻结方案在不断地变化和改进，根据不同的工程特点，采用不同的冻结方案，如最初的单排孔设计到2排孔、3排孔和4排孔等[1]，虽有很多成功案例，但依然存在不少有待解决的问题：（1）交圈时间长，且不能根据设计控制交圈时间；（2）防片帮孔设计不合理，井帮温度难以控制，导致帮部要么容易片帮要么冻得太实；（3）井筒上部和下部冻结不协调，尤其是深孔冻结，经常不能做到连续施工的要求；（4）冻结壁厚度不够或离荒径太近，井筒开挖后，在薄弱段发生断管等。因此，防片帮孔的圈径和开孔间距设计，是直接影响井筒安全高效开挖的主要因素[2-3]。

1 防片帮孔的开孔间距计算

防片帮孔主要作用是防片帮和进一步加强冻结壁厚度和强度，因此，设计主要考虑的是保证井帮稳定性。首先是冻土要进入荒径一部分，但不能进入太多，控制既能保证井帮稳定又能快速掘进为宜[4]；其次是尽量使得井帮四周冻结壁均匀分布，不能出现大面积低温和大面积高温分布。防片帮冻结孔分布示意图如图1所示。

图1 防片帮孔分布示意图

根据图1计算出防片帮孔的开孔间距公式如下：

其中：

l-防片帮孔开孔间距，m；

r-井筒荒半径，m；

R1' -防片帮孔圈半径与井筒荒半径差，m；

θ-圆心角一半，°；

ε-冻土入荒距离，一般取0.3～0.5m。

通过上式，可以推算到井筒荒径与井筒直径以及开孔间距之间的关系式，并计算出合理的开孔间距。

2 冻土入荒距离

为了保证井筒施工过程中井帮和防片帮孔的安全，冻结壁应进入荒径一部分，既要保证井帮安全、保证混凝土质量，又不至于冻得太实，增加施工难度。一般而言，冻土入荒距离ε的取值范围是300～500mm，小于300mm井帮易出现片帮，影响井壁安全和混凝土质量，大于500mm会增加掘进施工的难度，影响工程进度，混凝土容易被冻坏，还造成冻结工程的能源消耗。

3 防片帮孔的圈径要求

冻结管离荒径太近，冻结管的位移会加大，影响冻结管安全，若冻结管露出井筒，必须截断处理，影响下部的冻结壁安全，所以必须考虑到造孔时的容许偏斜值，严防冻结管进入荒径。如冻结孔深度300m，容许最大偏斜值500mm，井筒荒径5m，那么防片帮孔最小5.5m。除此之外，防片帮孔圈半径还要根据井筒的掘砌速度和冻结时间来确定，冻结时间越长，掘砌越慢，冻土发展的范围就越大，但又不能让冻土发展到荒径内太多，就需要越大的圈径。

4 防片帮孔圈半径与单管冻结发展速度的关系

冻结孔单孔发展速度是指冻结管在一定的冷冻温度下、特定土质的受冻层位每天的发展距离，它受多种因素影响[3]，可以用如下公式算得：

式中：

m-土的比热容，J/kg·℃；

ρ-土的密度，kg/m3；

Rn-第n天冻结发展半径，m；

n-冻结天数；

t0-岩层的原始温度，℃；

de-冻结管的外径，m；

kt-冻结管散热系数，kJ／(m2·h）；

α-温度影响系数。

上式根据冻结天数就可以计算出单管冻结管的冻土发展半径（也就是公式1中的R1'），再根据容许的冻土入荒最佳距离，利用公式（1）就可以计算出防片帮孔的圈半径和最佳开孔间距。

5 工程实践

淮南矿业集团张集煤矿第二副井井筒设计净半径4.4m，冻结段荒半径5.5m，新生代至-330m，风化带至-350m，冻结壁设计厚度7.2m，最不利层位在160m处，合同要求60d具备开挖条件。根据以上资料对该井筒进行冻结防片孔设计，如下：

合同要求60d具备开挖条件，根据公式（3）计算出60d后单孔扩散半径R60为1.4m。取冻土入荒距离为0.5m，再根据公式（1）计算防片孔开孔间距为：

将数据带入上式计算得l=2.9m，防片孔共计15个，进一步验算开孔间距为2.89m。

整体冻结方案如表1。

表1 冻结孔布置参数

根据以上设计，井筒掘进时实现了吃“糖心”少挖冻土的目的，井帮温度得到很好的控制。具体如表2。

表2 开挖时实测井帮温度

6 结语

冻结方案的设计包括冻结壁厚度和强度、盐水温度和流量、不同功能冻结孔的送冷时机等。防片孔的作用一是对冻结壁厚度和强度的进一步加强，二是起到井筒在开挖的时候防止片帮的作用。防片帮孔设计的最佳效果是即不发生片帮又不挖冻土，做到全吃“糖心”的安全高效施工。案例中的井筒实测井帮温度从开挖-86m处为0.53°到-268m处的-6.21°，冻土进入荒径0～0.6m，与计算基本吻合，开挖时很少挖到冻土，也没有发生断管事故，最快成井速度超过了160m，真正做到了安全高效掘砌。