注漿法和凍結(jié)法在立井施工中的效益分析

杜均莉

井筒是礦井的咽喉，井筒開鑿的工程量雖然僅占全礦井建設(shè)開拓工程量的3%～5%，但井筒施工期卻占礦井建設(shè)總工期的30%～50%。隨著開拓深度的增加，地質(zhì)和水文地質(zhì)條件越來越復雜，井筒施工工期占礦井建設(shè)工期的比例也將相應增加。國內(nèi)外大量井筒施工實踐表明，在眾多影響建井快速施工的因素當中，水害及其防治技術(shù)是最關(guān)鍵的因素。平頂山砂巖，節(jié)理與細微裂隙極其發(fā)育，含水量大、水壓高，是本地區(qū)建井施工的重大水患，為保證工程的順利進行必須治水。研究掌握平頂山砂巖治水方法，關(guān)系到工程成本及進度，直接影響井筒工程的技術(shù)經(jīng)濟指標，同時也希望對和平頂山砂巖類似地層治水提供參考。

一、工程概況與研究意義

平煤股份十礦通風系統(tǒng)補套北二進風井井筒掘砌工程是進風井工程施工過程中的一個重要組成部分，由平頂山平煤設(shè)計院有限公司設(shè)計，該井筒主要擔任十礦三水平二期開采時期內(nèi)的進風任務(wù)，設(shè)計井筒凈直徑8m，井口標高+223.000m，井底標高-896.572m，井深1119.572m

平煤股份十礦北二進風井位于平頂山市衛(wèi)東區(qū)東高皇鄉(xiāng)土寨溝村，與十礦三水平進風井相距59m。

參照十礦三水平進風井施工中的水文報告，預測北二進風井井筒兩個含水層最大涌水量為191m3/h，防治水工作是該井筒掘進施工過程中的重點。

基于對十礦三水平井筒注漿法鑿井和八礦二井冷凍法鑿井的技術(shù)對比，對二者經(jīng)濟效益的分析進行比較，找出最佳的鑿井方法，并在施工中運用這些理論進行分析。

對于在含水層多且厚的平頂山地區(qū)進行豎井作業(yè)，采用注漿和冷凍都是有效的方法，本文對比分析上述兩種方法施工工藝，找出最適合本地區(qū)的井筒治水方法。

二、技術(shù)方案

目前井筒常用的治水方法為注漿治水和冷凍治水，本成果以平頂山砂巖段（-322-422m）為例。根據(jù)實測地質(zhì)資料和井筒涌水情況，綜合考慮水效果、成本和工期，決定采用工作面預注漿和壁厚注漿相結(jié)合的綜合防治水方法，使十礦北二進風井安全通過平頂山砂巖段，通過測水，井筒綜合涌水量2m3/h，達到設(shè)計要求，即節(jié)約了工期，又節(jié)省了費用。

1.注漿工藝。注漿法（grouting method）是將某些能固化的漿液注入巖土地基的裂縫或孔隙中，以改善其物理力學性質(zhì)的方法。注漿的目的是防滲、堵漏、加固和糾正建筑物偏斜。目前主要的注漿工藝有：填充注漿、滲透注漿、壓密注漿和劈裂注漿。注漿材料有粒狀漿材和化學漿材，粒狀漿材主要是水泥漿，化學漿材包括硅酸鹽（水玻璃）和高分子漿材。

本工程采用的是擠壓注漿，水泥漿與化學漿并用的施工工藝。

壓密注漿是利用較高的壓力灌入濃度較大的水泥漿或化學漿液，注漿開始時漿液總是先充填較大的空隙，然后在較大的壓力下滲入土體孔隙。隨著土層孔隙水壓力升高擠壓土體，直至出現(xiàn)剪切裂縫，產(chǎn)生劈裂，漿液隨之充填裂縫，形成漿脈，使得土體內(nèi)形成新的網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)。漿脈在形成過程中由于占據(jù)了土體中一部分空間，加上土層內(nèi)孔隙被漿液所滲透，從而將土體擠密，構(gòu)成了新的漿脈復合地基，改善了土體的強度和防滲性能，同時也改變了土體物理力學性質(zhì)，提高了軟土地基的承載力。

水泥注漿法適用于砂礫層和巖石裂隙灌漿。一般使用普通硅酸鹽水泥，水灰比采用1比1，可摻入2%～5%水玻璃作速凝劑。注漿使用普通擠壓式灰漿泵，注漿壓力最大不超過1MPa。對滲透系數(shù)小于10.4cm/s的粉細砂和粘性土，可采用劈裂注漿。劈裂注漿所用水泥漿的稠度較大，水灰比為0.45～0.60。注漿采用花管法和單向閥管法。注漿的最大壓力一般大于4 MPa?；瘜W注漿法：一般用泵通過注漿管將漿液注入土中。注漿壓力、力、加固半徑等注漿參數(shù)，可根據(jù)地質(zhì)情況、工程要求，通過現(xiàn)場試驗確定。注漿孔在平面上一般按等邊三角形或矩形布置。濕陷性黃土加固半徑一般為0.5～0.7m，加固深度一般為3～8m。根據(jù)地質(zhì)條件，十礦三水平北二進風井在進入含水層時，提前進行工作面預注漿，含水層采用打止?jié){墊進行工作面預注漿。

2.冷凍工藝。凍結(jié)法施工的基本原理為利用土體凍結(jié)后其強度、穩(wěn)定性以及隔水能力大大優(yōu)于天然土的性質(zhì)。在巖土工程開挖之前，在開挖的工程周圍，鉆造鉆孔（凍結(jié)孔），利用人工制冷技術(shù)，通過冷凍孔對地層進行制冷，形成一個封閉的凍土結(jié)構(gòu)，隔絕地下水的聯(lián)系，同時抗抵周圍巖土的壓力，確保工程開挖的安全。

冷凍法施工的工藝原理是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水結(jié)冰，將松散含水巖土變成凍土，增加其強度和穩(wěn)定性，隔絕地下水，以便在凍結(jié)壁的保護下，進行地下工程掘砌作業(yè)。它是土層的物理加固方法，是一種臨時加固技術(shù)，當工程需要時凍土可具有巖石般的強度，如不需要加固強度時，又可采取強制解凍技術(shù)使其融化。

巖土工程凍結(jié)制冷技術(shù)通常是利用物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，即氣化過程的吸熱現(xiàn)象來完成的。其制冷系統(tǒng)多以氨作為制冷工質(zhì)。使氨由液態(tài)變成氣態(tài)，由氣態(tài)又變?yōu)橐簯B(tài)，如此循環(huán)進行，整個制冷系統(tǒng)由三大循環(huán)構(gòu)成：氨循環(huán)系統(tǒng)、鹽水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。這種制冷系統(tǒng)可獲得-35℃左右的低溫鹽水。

立井冷凍鑿井是利用傳統(tǒng)的氨循環(huán)制冷技術(shù)來完成的。它是在井筒開挖之前，用人工制冷的方法，將井筒周圍含水地層凍結(jié)成一個封閉的不透水的帷幕——凍結(jié)壁，用于抵抗地壓、水壓，隔絕地下水與井筒之間的聯(lián)系。而后，在其保護下進行掘砌施工。為形成凍結(jié)壁，首先在欲開挖井筒的周圍打一定數(shù)量的凍結(jié)孔，孔內(nèi)安裝凍結(jié)器。低溫鹽水在凍結(jié)器中流動，吸收其周圍地層之熱量，形成凍結(jié)圓柱。凍結(jié)圓柱逐漸擴大并連接成封閉的凍結(jié)壁，直至達到其設(shè)計厚度和強度為止。然后在其保護下進行掘砌施工，以便安全穿過含水地層。

三、經(jīng)濟效益分析

1.注漿法鑿井。注漿治水費用：鑿井通過平頂山砂巖段（-322m到-422m），注漿集中在6～9月份，累計施工59天16小時，累計孔深7275m。6月份注漿費用為224.3萬元（平頂山砂巖段注漿費用為112萬元），7月份注漿費用為126萬元，8月份注漿費用為216.7萬元，9月份注漿費用費274.2萬元。共計728.9萬元。endprint

鑿井費用：平頂山砂巖段（-322m到-422m），鑿井從6月25日至10月13日，6月25日～6月30日共施工10米，本月過平頂山砂巖段費用（25～30日）為1788027.12/30*5+488，590.42/25*10=493484元。

7月份共施工25m，本月鑿井費用2245481元。

8月份共施工30m，本月鑿井費用1381523.27+403，855.47=1785378元。

9月份共施工15m，本月鑿井費用1486398.98+604，791.49=2091190元。

10月1日～10月13日共施工20m，本月鑿井費用1317081.82/31*13+ 440，578.83/45*20=748137元。

鑿井通過平頂山砂巖段從2013年6月25日施工至10月13日，共施工100m，鑿井費用=493484+2245481+1785378+2091190+748137=736.367萬元。

注漿費用728.9萬元；鑿井費用736.367萬元。

施工總費用736.367+729.9=1466.267萬元。

延米=1466.267/100=14.66萬元。

總結(jié)：十礦北二進風井通過平頂山砂巖段累計工期110天，其中注漿59天16小時，費用1466.267萬元，其中729.9萬元注漿費用，736.367萬元鑿井費用。14.66萬元延米費用。

2.冷凍法鑿井。冷凍治水費用：根據(jù)八礦二井凍結(jié)工期，凍結(jié)深度453m，造孔、建立冷凍站泥漿泵站、泥漿池93天，鹽水溝槽及安裝7天，開機至開挖60天，維護凍結(jié)期195天，在維護凍結(jié)期施工30天后可同時進行鑿井施工，及冷凍前期準備工作總工期=93+7+60+30=190天。

參照八礦二井（冷凍法施工），按井筒深度492m計算，凍結(jié)段井筒施工費用3956萬元（含壁間注漿費用），平均8.04萬元/m。

鑿井費用：井筒共施工8個月，每月鑿井費用分別為第一個月施工60m，鑿井費用450萬元；第二個月施工120m，費用825萬元；第三個月施工90m，費用675萬元；第四個月施工40m，費用300萬元；第五個月施工32m，費用243萬元；第六個月施工57m，費用620萬元；第七個月施工44m，費用330萬元；第八個月施工49m，費用480萬元。即施工492m，累計費用3923萬元。延米費用=3923/429=7.97萬元/m

3.總結(jié)。八礦北二風井井深492m，工期240天，前期冷凍準備工作190天，共430天，費用7879萬，其中冷凍費用3956萬元，鑿井費用3923萬元，延米費用=7879/492=16.01萬元。

注漿鑿井工期—冷凍鑿井前期準備時間=130天8小時。

注漿鑿井延米費—冷凍鑿井延米費=1.35萬元。

即注漿法鑿井比冷凍法鑿井過平頂山砂巖段節(jié)約工期130天8小時，延米節(jié)約費用1.35萬元。

（作者單位：中國平煤神馬集團技術(shù)中心）endprint