东周窑矿富水表土层井筒冻结施工技术与应用

李国鑫

（大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037000）

长期以来，煤炭一直是我国的主体消费能源[1-2]，随着煤炭开采强度和需求的不断增加，赋存条件较好的煤炭资源已经不足以满足国家的经济发展需求，因此，必须在一些水文地质条件复杂的、富含丰富煤炭资源的煤田建立新矿井。在新矿井的建设中，常常会遇到复杂地层，比如在淮南淮北矿区、兖州矿区、开滦矿区等地方建设矿井时，经常遇到几十米到上百米的表土层，表土层内含有多层流沙，涌水量较大，给井筒施工带来了严峻考验[3-4]。冻结施工技术具有适应性强、施工速度快、质量高等优点，是我国凿井施工的首选技术。冻结法施工预先在含水岩层中施工钻孔，并铺设钢管，在钢管内导入循环的液氮，加剧钢管周边的岩层冻结，以形成一层具有足够强度的冻土层壳，强度达5～10 MPa，可有效隔绝地下流沙和涌水，尤其适用于松散、含水、不稳定岩层凿井[5-6]。

1 工程概况

东周窑矿设计年产量1000万t，井田地处山西黄土高原向内蒙古高原的过渡地带，属晋西北低山丘陵区，为黄土丘陵地貌，地形起伏不大，冲沟发育，地势南高北低，一般海拔标高1300～1500 m。矿井计划布置主斜井、副斜井、副立井及中央回风立井四个井筒。其中，主斜井布置于矿井工业场地东北约300 m处的选煤厂内，井筒倾角16°，净宽5.0 m，净断面16.6 m2，井口标高+1 335.50 m，落底于主采5号煤层，井底标高+866.0 m，斜长1 703.3 m。依据矿井水文地质资料，主斜井井筒在穿透表土层期间将穿过第四系松散含水层、碎屑岩含水层、岩溶裂隙含水层、风化壳含水层，需采用冻结施工技术。

（1）第四系松散含水层。位于河床漫滩及两岸一、二级阶地区，厚度为0.6～11.31 m。含水层由砂土，砾砂等组成，透水性较强，单位涌水量为1.21～2.47 L/s·m。

（2）碎屑岩含水层。岩性为中、粗砂岩、含砾粗砂岩，含水微弱，富水性差。其中侏罗系大同组可采煤层已普遍开采，开采中矿井排水改变了地下水的补给排条件，天然流场发生了改变。

（3）岩溶裂隙含水层。为富水程度极不均匀的承压含水层，在岩溶裂隙发育地带，富水性极好。

（4）风化壳含水层。不分地层时代而与地形相关，接近地表30 m之内，岩石呈强风化—微风化，风化裂隙发育，岩石破碎，易接受大气降水补给和地表径流补给，靠近河岸，含水性中等，单位涌水量一般在0.03～1.88 L/s·m。

2 富水表土层井筒冻结施工技术

由于主斜井井筒掘进断面大，斜长较长，技术难度相对较大，加之岩层地下水丰富，与地表水有直接联系，因此，解决好东周窑矿表土层是冻结施工技术的关键所在。主斜井表土段采用冻结施工技术，基岩段采用普通施工方法。表土段施工参数见表1。

表1 表土段施工参数

主斜井133.4～421.75 m段采用冻结施工技术，根据井筒断面与地质资料，设计采用分段钻孔、分段冻结的方法进行施工，保证钻孔、冻结、掘进、砌碹等工序连续。设计每60 m为一段，共计5段。第1段冻结30 d后第2段开始冻结，冻结60 d后第1段开始施工，依次完成5段冻结施工。共设计5排冻结钢管，778个冻结钻孔，33个温度测量钻孔，钻井量共计71 800.89 m。具体冻结施工技术参数如表2。

表2 表土段冻结参数

（1）在地面施工垂直钻孔，钻孔由浅入深。边排孔最浅、最深深度分别为41.554 m、122.289 m，中排孔最浅、最深深度分别为41.554 m、122.449 m。其中，中排孔穿过井筒断面，穿过井筒区域的钢管应进行必要的隔热保温措施。

（2）冻结期盐水温度设计为-30～ -32 ℃，井筒顶板冻结岩层平均温度设计-10 ℃，两帮和底板设计-8 ℃。

（3）井筒顶板冻结岩层厚度设计为8.0 m，两帮冻结岩层厚度设计为2.5 m，底板冻结岩层厚度设计为5.0 m。

（4）井筒顶板冻结采用Φ89 mm×5 mm无缝钢管，底板冻结采用Φ133 mm×5 mm无缝钢管，两者之间采用变径管相连。

3 现场应用

冻结施工技术应用后，及时进行了现场监测，主要包括冻结状态信息和井筒变形监测。冻结状态信息主要采用盐水系统监测，同时还监测了筒壁冻结岩层的温度；井筒变形监测主要监测了顶底板及两帮的变形收敛情况。

现场盐水系统监测反馈，冻结技术施工过程中，系统运转良好，各钻孔盐水循环正常。图1给出了某一冻结基站盐水温度变化曲线。如图所示，盐水系统中去路温度-25 ℃，与回路温差1 ℃，表明该区段表土层已形成基本冻土层，每增加一路冻结钻孔，温度略微增加，后期盐水温度大概保持在18～20 ℃之间。图2给出了某一侧孔筒壁冻结岩层的温度变化曲线。如图所示，侧孔附近的岩层温度在0 ℃左右，具备良好的开挖条件。同时，现场开挖显示，筒壁岩层冻结效果良好，未出现漏水现象。

图1 冻结基站盐水温度变化曲线

图2 测孔筒壁岩层温度变化曲线

图3和图4分别给出了井筒掘进后顶底板和两帮的变形曲线。

图3 井筒顶底板变形曲线

图4 井筒两帮变形曲线

由图可知，顶底板变形主要发生在开掘35 d内，最大变形量约7.3 mm。变形初期（0～6 d），变形速度相对最大，约0.67 mm/d；变形中期（6～15 d），变形速度减缓，约0.45 mm/d；变形后期（25 d后），变形趋于稳定。两帮变形主要发生在开掘30 d内，最大变形量约23 mm，同比顶底板变形有明显增加，但其稳定时间有所减小。变形初期（0～12 d），变形速度相对最大，约2.2 mm/d；变形中后期（12～20 d），变形速度相对减缓，约0.38 mm/d。

4 结论

东周窑矿主斜井穿过富水岩层采用冻结施工技术，设计了冻结施工技术与参数，并进行了现场应用与监测。钻孔盐水系统温度、筒壁冻结岩层温度、井筒变形等监测结果表明，筒壁岩层冻结效果良好，井筒变形在允许范围内，验证了富水表土层井筒冻结施工技术与参数的合理性和可靠性，为富水表土层井筒施工提供参考。