恒源煤礦改建工程井筒凍結(jié)壁設(shè)計(jì)創(chuàng)新及施工實(shí)踐

吳康寧，宋亞楠

（1.中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽合肥230601；2.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室<淮北>，安徽淮北235044）

恒源煤礦改建工程井筒凍結(jié)壁設(shè)計(jì)創(chuàng)新及施工實(shí)踐

吳康寧*1，2，宋亞楠1,2

（1.中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽合肥230601；2.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室<淮北>，安徽淮北235044）

介紹了恒源煤礦改建工程中的北風(fēng)井、北副井井筒凍結(jié)工程凍結(jié)壁設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，改變了以往設(shè)計(jì)中一個(gè)井筒設(shè)計(jì)一個(gè)凍結(jié)壁的模式，在充分分析工程地質(zhì)水文等資料的前提下，采用了一種新的凍結(jié)壁設(shè)計(jì)理念和方法，即在一個(gè)井筒上、下部位設(shè)置2個(gè)控制層位，設(shè)計(jì)出上、下2個(gè)凍結(jié)壁。通過凍結(jié)工程施工實(shí)踐證明該設(shè)計(jì)安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理，具有良好的綜合效益和社會(huì)效益，為今后立井井筒凍結(jié)壁設(shè)計(jì)及凍結(jié)施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

井筒；凍結(jié)法鑿井；凍結(jié)壁設(shè)計(jì)；創(chuàng)新；控制層位

1　工程概況

恒源煤礦改建工程是皖北煤電集團(tuán)恒源煤礦為保持和提高原煤產(chǎn)量而建設(shè)的接替性工程，位于安徽省濉溪縣劉橋鎮(zhèn)境內(nèi)。改建工程主要有北風(fēng)井、北副井兩個(gè)井筒及附屬配套工程組成，兩井筒均立井開拓，采用凍結(jié)法施工。

由北副井檢查孔資料，第四系—第三系松散層的厚度厚182.2m，地層較穩(wěn)定，根據(jù)揭露的松散層巖性特征結(jié)合區(qū)內(nèi)地層對(duì)比，從上至下可劃分為3個(gè)含水層（組）和3個(gè)隔水層（組）。第一含水層（組）（Ⅰ含）由地表向下底板埋深24.6m。該組地層主要由灰色粉砂、砂質(zhì)粘土組成，屬潛水—弱承壓水，該層富水性良好。第一隔水層（組）（Ⅰ隔）底板埋深73.55m。主要由紫褐色、淺灰黃等雜色粘土、砂質(zhì)粘土組成。該層段粘土厚度較大，可塑性較好，能起到較好的隔水作用。第二含水層（組）（Ⅱ含）底板埋深107.45m，主要為灰、淺灰綠色中厚粉砂，含水層富水性較好，屬承壓水。第二隔水層（組）（Ⅱ隔）底板埋深125.35m，主要由褐黃色、淺灰色粉砂和砂質(zhì)粘土夾粘土組成，可塑性較好，具有隔水作用。第三含水層（組）（Ⅲ含）底板埋深169.95m，主要以灰黃、灰綠色中厚—厚層粉砂為主，底部為細(xì)砂，次圓狀，分選中等，砂層富水性中等—較強(qiáng)。第三隔水層（組）（Ⅲ隔）底板埋深182.45m，主要由灰黃、灰綠、中—厚層粘土層、砂質(zhì)粘土組成，間夾薄層粉砂，粘土厚度較大，可塑性好，隔水性能好，從而有效地阻止了上部含水層與下部含水層之間的聯(lián)系。

地質(zhì)特征主要表現(xiàn)在淺部主要為粘土及粉砂、砂質(zhì)粘土層，粘土層具可塑性，局部夾細(xì)砂層段，未發(fā)現(xiàn)淤泥等軟弱地層，中下部多為硬塑粘土及密實(shí)層。松散層均屬中等壓縮性—低壓縮性土層，承載力較高。該區(qū)松散層工程地質(zhì)條件較好。

2　凍結(jié)壁設(shè)計(jì)

2.1凍結(jié)壁設(shè)計(jì)基本參數(shù)

招標(biāo)文件已確定的北風(fēng)井、北副井井筒凈直徑分別為6.0m、7.0m，最大掘進(jìn)荒直徑8.3m、9.5m。根據(jù)北風(fēng)井、北副井井筒井壁結(jié)構(gòu)圖、井筒地質(zhì)資料及凍結(jié)規(guī)范要求，確定北風(fēng)井凍結(jié)深度為315m，北副井凍結(jié)深度為316m。凍結(jié)鹽水溫度ty=-25℃～-30℃（積極凍結(jié)期）。

2.2控制層位與凍土抗壓強(qiáng)度

凍土控制層位及平均溫度的選取為上部控制層埋深89.85m粘土層；下部控制層埋深182.2m粘土層。設(shè)計(jì)凍結(jié)壁平均溫度為埋深89.85m粘土層-7℃；埋深182.2m粘土層-10℃。

凍土按《安徽恒源煤電股份有限責(zé)任公司恒源煤礦改建工程井筒檢查孔凍土物理力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)報(bào)告》綜合選取。上部控制層埋深89.85m粘土層σu-7℃= 2.432MPa。下部控制層埋深182.2m粘土層σu-10℃=3.17MPa。

以前采用30s±5s破壞控制式加載方式下立方體試樣瞬時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度σuf大于或等于恒應(yīng)變速率下圓柱體試樣瞬時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度σu的2倍，為安全起見，σuf取σu的1.9倍。即σuf-7℃=4.62MPa，σuf-10℃=6.02MPa。安全系數(shù)m=2.0，埋深89.85m粘土層長時(shí)抗壓強(qiáng)度σt-7℃=2.31MPa，埋深182.2m粘土層長時(shí)抗壓強(qiáng)度σt-10℃=3.01MPa。

2.3凍結(jié)壁厚度計(jì)算

凍結(jié)壁厚度及強(qiáng)度的大小直接影響井筒掘砌的安全，同時(shí)也是其他凍結(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。凍結(jié)壁厚度通過解析計(jì)算并結(jié)合類似工程施工經(jīng)驗(yàn)綜合確定，由《煤礦凍結(jié)法開鑿立井工程技術(shù)規(guī)范》中強(qiáng)度公式計(jì)算凍結(jié)壁厚度。

（1）上部控制層埋深89.85m粘土層凍結(jié)壁厚度計(jì)算：凍土強(qiáng)度的選取σt-7℃=2.31MPa；固約系數(shù)的選取ξ=0.1［1］；掘進(jìn)段高h(yuǎn)=2.5m；安全系數(shù)的選取k北風(fēng)=1.0，k北副=1.1。計(jì)算出凍結(jié)壁厚度為：E北風(fēng)=1.97m，E北副= 2.17m。

（2）下部控制層埋深182.2m粘土層凍結(jié)壁厚度計(jì)算：凍土強(qiáng)度的選取σuf-10℃=3.01MPa；固約系數(shù)的選取ξ=0.1［1］；掘進(jìn)段高h(yuǎn)=2.5m；安全系數(shù)的選取k北風(fēng)=1.0，k北副=1.1。計(jì)算出凍結(jié)壁厚度為：E北風(fēng)=3.07m，E北副= 3.37m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，綜合考慮井筒開挖荒徑的大小，開挖前凍結(jié)時(shí)間要求及開挖速度要求，并結(jié)合同類工程的施工經(jīng)驗(yàn)及該地區(qū)工程類比和本工程特點(diǎn)，確定凍結(jié)壁厚度為北副風(fēng)、北風(fēng)井凍結(jié)壁厚度：上部控制層E北風(fēng)=2.0m，E北副=2.2m；下部控制層E北風(fēng)=3.1m，E北副= 3.4m。

2.4凍結(jié)壁平均溫度校核

按成冰公式［2］計(jì)算凍結(jié)壁平均溫度。

式中：tc——凍結(jié)壁有效厚度的平均溫度，℃；

tb——鹽水溫度，取-30℃；

l——凍結(jié)孔間距，取上部控制層1.5m，下部控制層1.8m；

E——凍結(jié)壁有效厚度，取上部控制層E北風(fēng)= 2.0m，E北副=2.2m；下部控制層E北風(fēng)=3.1m，E北副=3.4m；

tn——井幫凍土溫度，取上部控制層-3℃，下部控制層-6℃。

經(jīng)計(jì)算得出北風(fēng)井上部?jī)鼋Y(jié)壁平均溫度tc=-8.4℃，下部?jī)鼋Y(jié)壁平均溫度tc=-10.0℃；北副井上部?jī)鼋Y(jié)壁凍結(jié)壁平均溫度tc=-8.7℃，下部?jī)鼋Y(jié)壁凍結(jié)壁平均溫度tc=-10.2℃。均符合設(shè)計(jì)要求。

3　凍結(jié)施工

3.1凍結(jié)孔布置

根據(jù)凍結(jié)壁設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合凍結(jié)壁厚度、掘進(jìn)荒徑以及掘進(jìn)速度要求，結(jié)合井筒凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，綜合確定凍結(jié)孔布置圈直徑、開孔間距、凍結(jié)深度及凍結(jié)方式，以滿足凍結(jié)壁厚度及平均溫度的要求。北風(fēng)井、北副井凍結(jié)孔設(shè)計(jì)采用長短腿插花均勻布置的凍結(jié)方式［3-4］。北風(fēng)井長腿凍結(jié)深度315m，北副井長腿凍結(jié)深度316m，兩井短腿凍結(jié)深度均穿過強(qiáng)風(fēng)化帶進(jìn)入穩(wěn)定基巖，另布置測(cè)溫孔3個(gè)，水文孔3個(gè)，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　凍結(jié)孔布置參數(shù)表

3.2開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)與掘砌施工

北風(fēng)井于2012年3月22日開機(jī)凍結(jié)，設(shè)計(jì)要求井筒試挖前凍結(jié)42d。該井筒水文孔二含（105m）于4月22日冒水，三含（155m）于4月23日冒水，一含（56m）經(jīng)測(cè)溫資料分析已經(jīng)交圈（一含水文孔在施工過程中可能產(chǎn)生堵孔現(xiàn)象，但井筒鎖口內(nèi)已于4月16日出水，且水位持續(xù)增長到4月22日，期間沒有雨水天氣，井筒內(nèi)水位至4月28日仍沒有減少），通過資料分析表明182m以上凍結(jié)壁已經(jīng)形成并交圈。

北風(fēng)井井筒凍結(jié)壁交圈以后，在5月3日施工臨時(shí)鎖口，在試挖過程中出現(xiàn)少量片幫現(xiàn)象，通過對(duì)凍結(jié)資料分析，凍土的發(fā)展?jié)M足凍結(jié)壁的強(qiáng)度和厚度要求，出現(xiàn)少量片幫屬正常現(xiàn)象。5月20日正式開挖，6月21日掘砌至182.2m表土段施工完畢，8月8日掘砌至307m凍結(jié)段施工完畢，8月11日完成壁座施工并開始進(jìn)行套壁工作，9月3日套壁結(jié)束，北風(fēng)井凍結(jié)工程圓滿成功。凍結(jié)資料的準(zhǔn)確分析給掘砌單位創(chuàng)造了良好的施工環(huán)境，在掘砌期間既沒有挖凍土，又滿足正常的施工需要，創(chuàng)造了月成井150m的好成績(jī)。

北副井于2012年4月26日開機(jī)凍結(jié)，設(shè)計(jì)要求井筒試挖前凍結(jié)42d。水文孔一含（23m）于年5月27日冒水，二含（105m）于6月1日冒水，三含（160m）于6月10日冒水，3個(gè)水文孔的順利冒水，表明該井筒表土層凍結(jié)壁已形成并交圈，通過資料分析也表明182m以上凍結(jié)壁已經(jīng)形成并交圈。

北副井于6月9日施工臨時(shí)鎖口，在試挖過程中出現(xiàn)大量片幫現(xiàn)象，采取了強(qiáng)化凍結(jié)措施后予以解決。6 月28日井筒正式開挖，8月5日掘砌至182.2m表土段施工完畢，9月13日掘砌至308m凍結(jié)段施工完畢。9 月15日完成壁座施工，10月10日套壁工作結(jié)束，北副井凍結(jié)工程安全順利結(jié)束，凍結(jié)站于10月18日關(guān)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3凍結(jié)實(shí)施情況

本工程凍結(jié)孔采用的是插花布置，孔間距相對(duì)較大，基巖段尤為明顯，在掘進(jìn)至基巖段井幫溫度在0℃～-2℃之間，能夠滿足交圈要求。但在北副井掘砌過程中井筒外壁混凝土水化熱較大，凍結(jié)壁比較薄弱，而且200m左右處地質(zhì)條件比較復(fù)雜，造成基巖段220m處出現(xiàn)少量滲水現(xiàn)象，為了確保套壁安全順利的進(jìn)行，采取了強(qiáng)化凍結(jié)的方式，將鹽水溫度降到-30℃以下，效果顯著［5］。

為了有效掌握凍結(jié)壁的發(fā)展情況，預(yù)測(cè)工作面以下凍土擴(kuò)展速度，了解凍結(jié)壁凍土的擴(kuò)展或退縮情況，確保凍結(jié)壁各項(xiàng)參數(shù)在開挖到相應(yīng)層位時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。及時(shí)組織工程技術(shù)人員對(duì)井筒掘砌工作面對(duì)關(guān)凍結(jié)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過對(duì)監(jiān)測(cè)的鹽水總?cè)セ芈窚囟?、測(cè)溫孔溫度以及井筒井幫溫度（表2）和井幫位移變化量來推算凍土的發(fā)展情況。以指導(dǎo)凍結(jié)站的開機(jī)配比，調(diào)配井筒供冷量來控制凍土進(jìn)入井筒荒徑量，盡量不挖或少挖凍，為井筒的安全掘砌創(chuàng)造了良好的施工條件［6］。

表2　井筒井幫溫度實(shí)測(cè)記錄表

4　施工體會(huì)

（1）對(duì)凍結(jié)壁設(shè)計(jì)中的有關(guān)參數(shù)的選取，按隨機(jī)變量處理，用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)現(xiàn)有資料進(jìn)行分析和進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)確定。

（2）在凍結(jié)造孔過程中，必須將凍結(jié)孔徑向偏斜值和凍結(jié)孔最大間距嚴(yán)格控制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，以確保凍結(jié)過程中凍結(jié)壁厚度、均勻性及穩(wěn)定性。

（3）在掘砌期間應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范要求施工，并結(jié)合凍結(jié)監(jiān)測(cè)資料及時(shí)調(diào)整掘砌段高和空幫暴露時(shí)間，以控制凍結(jié)壁變形量在允許范圍之內(nèi)。

（4）由于基巖凍結(jié)所需凍結(jié)壁厚度較薄，在采用爆破法掘進(jìn)時(shí)，要嚴(yán)格控制炮眼分布、深度及爆破裝藥量，以確保爆破施工的安全［7］，避免因凍結(jié)壁“開天窗”造成凍結(jié)施工失敗甚至淹井事故的發(fā)生。

5　結(jié)束語

凍結(jié)壁設(shè)計(jì)質(zhì)量是關(guān)系到凍結(jié)工程成敗的重要因素，凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)過大，則增加工程量，耗費(fèi)大量費(fèi)用；若凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì)過小，則可能導(dǎo)致事故的發(fā)生。按以前常規(guī)的凍結(jié)壁設(shè)計(jì)方法，即一個(gè)井筒設(shè)計(jì)一個(gè)凍結(jié)壁的模式，不僅增加了工程量，還造成很大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。恒源煤礦改建工程的北風(fēng)井、北副井井筒凍結(jié)工程凍結(jié)壁設(shè)計(jì)采取一個(gè)井筒上、下部位確定了2個(gè)控制層位，設(shè)計(jì)出上、下兩個(gè)凍結(jié)壁。通過凍結(jié)施工實(shí)踐證明該設(shè)計(jì)不僅可以滿足工程施工的需要，同時(shí)節(jié)約了大量的施工成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］MT/T 1124-2011煤礦凍結(jié)法開鑿立井工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］何挺秀，胡向東.凍土帷幕平均溫度“成冰”公式的適應(yīng)性研究［J］.低溫建筑技術(shù),2009,31（5）：79-81.

［3］吳康寧，宋亞楠，黃飛.祁南煤礦安全改建箕斗井工程凍結(jié)法施工技術(shù)［J］.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2013, 21（6）：34-37.

［4］崔云龍.簡(jiǎn)明建井工程手冊(cè)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2003.

［5］吳康寧.錢營孜煤礦西風(fēng)井凍結(jié)施工技術(shù)［J］.建井技術(shù),2012, 33（5）：7-9.

［6］吳康寧.周油坊鐵礦1#措施井快速凍結(jié)施工分析與研究［J］.安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2010,30（2）：13-16.

［7］吳康寧.凍結(jié)法鑿井中的凍結(jié)管斷裂及其防治［J］.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,10（2）：43-45.

TD265

B

1004-5716（2016）01-0171-04

2015-03-03

吳康寧（1983-），男（漢族），安徽青陽人，工程師、一級(jí)建造師、監(jiān)理工程師，現(xiàn)從事施工項(xiàng)目管理及工程技術(shù)工作。