人工凍結(jié)法施工技術(shù)在我國礦井建設(shè)中的應(yīng)用及分析

楊福見

摘 要：凍結(jié)法施工技術(shù)出現(xiàn)于19世紀的英國，最開始它應(yīng)用于地下建筑工程用來加固土壤。而凍結(jié)法在1882年應(yīng)用于德國阿爾巴里德煤礦井筒建設(shè)。截止20世紀初期在礦山領(lǐng)域人工凍結(jié)法已被成功應(yīng)用60余次。本文主要介紹了人工凍結(jié)法施工技術(shù)在國內(nèi)外的施工現(xiàn)狀分析，并結(jié)合新汶龍固煤礦副立井凍結(jié)法施工過程，對人工凍結(jié)法加以詳細分析。

關(guān)鍵詞：煤礦井筒；人工凍結(jié)法；應(yīng)用分析

中圖分類號：TD164 文獻標識碼：A

凍結(jié)法施工技術(shù)在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于地下工程建設(shè)，尤其是煤礦井筒建設(shè)礦。

凍結(jié)法在煤礦上的主要是應(yīng)用于松軟巖層井筒施工，它利用人工制冷技術(shù)，把蘊含在松散巖層中的水凍結(jié)，進而凍結(jié)松散巖層，增加松散巖層的穩(wěn)定性和強度，以便在形成的凍結(jié)壁的保護作用下對松散巖層進行施工作業(yè)的一種特殊地下工程施工技術(shù)。

1 凍結(jié)法施工技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 在國外應(yīng)用現(xiàn)狀

國外采用凍結(jié)法施工技術(shù)應(yīng)用于煤礦井筒開挖時間比較早，早在1882年該技術(shù)就應(yīng)用到德國阿爾巴里德煤礦井筒建設(shè)，并取得圓滿成功。

其中德國、英國、波蘭、加拿大、比利時及前蘇聯(lián)等國家應(yīng)用該技術(shù)較多，井筒凍結(jié)深度最深可達900米，凍結(jié)井筒穿過的沖積層厚度最大接近600米。

比如，1978年前蘇聯(lián)雅可夫列夫鐵礦二號罐籠井，井筒凍結(jié)深度達620米，穿過的沖積層厚度達571.2米。

1974年德國維爾德煤礦風井凍結(jié)深度582米，穿過沖積層厚度567米。

波蘭的魯布林煤礦一號井，凍結(jié)深度達到725米，沖積層厚度為162米。

但近幾十年來，由于國外能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，人工凍結(jié)施工技術(shù)進展緩慢，下表（表1）為國外部分凍結(jié)法施工礦井礦井工程：

1.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國于1955年，初次再用人工凍結(jié)法施工技術(shù)開鑿開軟林西煤礦的風井井筒，井筒直徑達5米，凍結(jié)深度105米。

此后人工凍結(jié)法在礦井井筒施工中被廣泛使用，逐漸東北、華北、華東、中南等地區(qū)，其中中國煤炭特殊鑿井公司在郭屯煤礦井筒建設(shè)過程中采用了人工凍結(jié)技術(shù)，凍結(jié)深度和穿過沖積層厚度分別達702米和587米。

這項工程的完成標志著我國人工凍結(jié)法開鑿井筒已經(jīng)達到國際先進水平，特別是近幾十年來，隨著我國經(jīng)濟、社會發(fā)現(xiàn)的需要，人工凍結(jié)法鑿井技術(shù)發(fā)展快速，趕上甚至超過其他國家，而且在原有的基礎(chǔ)上施工設(shè)備和技術(shù)得到了很大的改進，理論基礎(chǔ)也得到進一步的完善。

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國在近幾十年來，已有多達500個煤礦采用該項技術(shù)開鑿井筒。下表（表2）為我國近年來凍結(jié)法開鑿的煤礦井筒：

2 凍結(jié)法在煤礦井筒開鑿應(yīng)用實例

1）工程概況。新巨龍煤礦副立井表土層厚567.7米，自下而上揭露第四系、上第三系、二疊系上下石盒子組、山西組、石炭系太原組等底層。其中第四系地層厚度160.7米，上第三系地層厚度407米，二疊系上石盒子組地層厚107.4米。

2）冷凍方案選擇。新巨龍煤礦副井井型（直徑達7米）表土層厚（厚度達567.7米），且井筒貫通地層具有：深部粘土層含水少，粘土層自由膨脹率高、凍脹量、凍脹力大，具有較強的蠕變性等特點。根據(jù)井筒凍結(jié)工程施工特點及前人的成功經(jīng)驗，最終采用雙全圈孔+輔助凍結(jié)方案。

3）施工過程。a.凍結(jié)管下方措施?？紤]到煤礦表土層厚，粘土層存在孔徑收縮等問題，采取以下措施：<1>凍結(jié)管在地面預(yù)先焊接；<2>改造鉆井機機架，使鉆機高度大于24米；<3>凍結(jié)管隨下注水；<4>在保證施工質(zhì)量的前提下加快焊接速度；<5>組織專業(yè)人員對鉆孔進行復(fù)核、檢驗。b.鉆孔和下管。施工過程中嚴格按照設(shè)計要求和規(guī)程規(guī)定作業(yè)，成孔質(zhì)量高，復(fù)核實驗也全部合格。c.凍結(jié)運轉(zhuǎn)及井筒開挖。防凍結(jié)管斷裂措施：<1>加強有效監(jiān)測，確保掘進到凍結(jié)壁內(nèi)；<2>加強實驗研究，采用小段掘進，減少井幫暴露時間；<3>加強凍結(jié)壁、井幫的位移監(jiān)測；<4>減少凍結(jié)管溫度應(yīng)力。d.井筒凍結(jié)情況。新巨龍煤礦凍結(jié)站運轉(zhuǎn)、井筒開挖后，整個鹽水系統(tǒng)運行穩(wěn)定，即繼續(xù)積極凍結(jié)期。表土層掘進期間，凍結(jié)壁強度、厚度及井幫溫度均達到設(shè)計要求。在整個凍結(jié)巖土層期間井筒中心凍結(jié)扎實，保證了施工的安全。

3結(jié)語

本文簡要的敘述了凍結(jié)法施工在國內(nèi)外的施工現(xiàn)狀，并借助新汶龍固煤礦應(yīng)用實例對凍結(jié)法進行了具體的分析。凍結(jié)法不僅能應(yīng)用于煤礦井筒開拓，隨著我國地下工程的發(fā)展它應(yīng)經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種地下工程，并取得了良好的技術(shù)、經(jīng)濟效益。

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