園子溝煤礦東翼回風(fēng)立井凍結(jié)法施工技術(shù)

張海榮，王 萌，呂文玉

(1.榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 北京華宇工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075；3.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

凍結(jié)法施工最早于1883年由德國(guó)工程師提出，此后在世界各地得到了廣泛應(yīng)用[1]。凍結(jié)法是用人工制冷的方法，將地下工程周圍含水巖土層凍結(jié)封閉，形成一個(gè)按照設(shè)計(jì)輪廓的凍土墻或密閉的凍土體，用以抵抗巖土壓力，隔絕地下水，并在凍土墻的保護(hù)下進(jìn)行地下工程施工的一種巖土特殊施工方法，常用于立井工程[2]。我國(guó)于1955年首次在唐山開(kāi)灤集團(tuán)林西煤礦回風(fēng)立井應(yīng)用凍結(jié)法施工，并取得成功。隨后，在我國(guó)中、東部地區(qū)煤礦深厚沖積層條件立井井筒的施工中廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西部地區(qū)煤炭資源開(kāi)采大規(guī)模進(jìn)行，與中、東部地區(qū)新井建設(shè)相比，西部地區(qū)具有井筒直徑大、白堊系和侏羅系地層強(qiáng)度低、孔隙型含水層厚、埋藏深、水頭高等特點(diǎn)。由于地層以孔隙含水為主，可注性差，采用注漿法施工風(fēng)險(xiǎn)較大，凍結(jié)法施工因封水效果可靠且工藝較為成熟備受青睞[3-5]。

1 工程概況

永隴礦區(qū)麟游區(qū)園子溝礦井位于陜西省麟游縣境內(nèi)，屬頁(yè)嶺以北的隴東黃土高原南部邊緣地帶，西鄰隴山，南為渭河盆地，向東、向北屬渭北黃土高原?？偟牡匦翁卣鞒蕱|南高西北低，屬川梁相間殘塬溝壑地貌[6]。礦井采用“三條立井”(分別為主立井、副立井和回風(fēng)立井)單一水平開(kāi)拓全井田，建設(shè)規(guī)模800萬(wàn)t/a，目前正在建設(shè)階段。因后期生產(chǎn)需要，礦井?dāng)M在東翼102盤區(qū)北部邊界線附近增加一條回風(fēng)立井，井筒垂深515m，凈直徑6.0m，裝備梯子間，主要承擔(dān)井田東翼回風(fēng)任務(wù)，兼作安全出口。

為了給井筒設(shè)計(jì)及施工提供可靠的地質(zhì)、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)資料，在井筒中心線以外17.80m處施工了一個(gè)井筒檢查鉆孔。根據(jù)井筒檢查鉆孔揭露，井筒地層由老到新依次為：三疊系中統(tǒng)銅川組，侏羅系下統(tǒng)富縣組、中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組，白堊系下統(tǒng)宜君組、洛河組、華池組，第四系全新統(tǒng)地層。井筒區(qū)地層產(chǎn)狀較平緩，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷裂不發(fā)育。井筒自上而下穿過(guò)的含水層依次為：第四系沖、洪積層孔隙潛水含水層、白堊系下統(tǒng)洛河組砂礫巖孔隙～裂隙含水層、白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖裂隙含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙含水層、侏羅系中統(tǒng)延安組煤層及砂巖含水層，含水層涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 井筒各含水層涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果一覽表

經(jīng)計(jì)算，第四系、洛河組、宜君組合計(jì)涌水量為94.65m3/h。結(jié)合礦井已施工三條井筒的施工經(jīng)驗(yàn)，確定東翼回風(fēng)立井表土段及白堊系地層含水層段均采用凍結(jié)法施工，白堊系地層以下的侏羅系地層采用普通法施工[7，8]。

2 井筒凍結(jié)施工設(shè)計(jì)

2.1 井筒凍結(jié)深度

井筒凍結(jié)深度必須穿過(guò)沖積層、風(fēng)化帶深至穩(wěn)定基巖10m以上，或超過(guò)永久支護(hù)5～8m[9-11]。根據(jù)井筒地層條件及涌水量，確定凍結(jié)深度為進(jìn)入安定組隔水層15m，則凍結(jié)深度為313m。

2.2 井壁結(jié)構(gòu)分段

適當(dāng)對(duì)井筒深度不同選擇不同的井壁分段，不僅可以節(jié)省投資更能加快施工進(jìn)度。井壁分段處需選擇在巖層力學(xué)性質(zhì)相對(duì)完整或者不透水巖層的位置[12]。這樣可以減少井筒井壁應(yīng)力集中的問(wèn)題，并降低井筒井壁解凍后涌水從變斷面處透入井筒的問(wèn)題。依據(jù)往常設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般將井壁每150m左右分為一段，分段處的上、下井壁總厚度之差控制在300mm為宜。本井筒凍結(jié)深度為313m，分上下兩段凍結(jié)，上段0～-158m，下段-158～-313m；凍結(jié)段底部為整體澆筑的壁座，凍結(jié)段以下為普通法施工段。井壁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 井壁結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 凍結(jié)井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用凍結(jié)法在不穩(wěn)定含水地層中建設(shè)井筒，凍結(jié)井壁的形成和維護(hù)是其施工的核心。凍結(jié)井壁設(shè)計(jì)包括厚度和溫度場(chǎng)的計(jì)算，它與井筒的施工深度、大小、地質(zhì)條件和所采用的凍結(jié)方式有關(guān)。

根據(jù)水文地質(zhì)、井筒直徑等條件及使用要求，凍結(jié)井壁選擇帶夾層的雙層復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)形式。外層井壁應(yīng)滿足承受凍結(jié)壓力及井壁吊掛、抗裂、穩(wěn)定性計(jì)算的要求，采用單層鋼筋混凝土砌碹支護(hù)結(jié)構(gòu)，混凝土等級(jí)C40；內(nèi)壁應(yīng)滿足承受水壓和豎向荷載的要求，采用雙層鋼筋混凝土砌碹支護(hù)結(jié)構(gòu)，混凝土等級(jí)C50；雙層井壁應(yīng)滿足整體承受永久水土壓力及豎向荷載的要求。

根據(jù)《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50384—2016)，凍結(jié)井壁厚度按式(1)計(jì)算：

P=υkPk

(3)

2.3.1 0～-158m段井壁厚度計(jì)算

1)0～-158m段內(nèi)層井壁厚度計(jì)算。此段井壁凈半徑rn1=3000mm。內(nèi)層井壁采用C50混凝土，fc1=23.1N/mm2，代入式(2)得：鋼筋混凝土井壁強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fs1=26.1N/mm2。此段井壁承受的均勻載荷為靜水壓力：Pk1=ρwkH=1.58MPa，式中，ρw為水的似重力密度，取0.01MN/m3；k為水壓系數(shù)，取1；H為計(jì)算處水頭埋深，取158m。

設(shè)計(jì)荷載安全系數(shù)νk1=1.35，代入式(3)得：P1=2.133MPa；將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(1)得：內(nèi)層井壁厚度t1=280mm。

根據(jù)《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50384—2016)第6.3.2條：凍結(jié)段井筒內(nèi)層、外層井壁厚度均不應(yīng)小于300mm，取t1=400mm。

2)0～-158m段外層井壁厚度計(jì)算。此段井壁凈半徑rn2=3400mm；外層井壁采用C40混凝土，fc2=19.1N/mm2，代入式(2)得：鋼筋混凝土井壁強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fs2=22.1N/mm2，此段井壁承受的均勻載荷為凍結(jié)壓力：Pk2=1.5MPa。

設(shè)計(jì)荷載安全系數(shù)νk2=1.05，代入式(3)得：P2=1.575MPa，將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(1)得：外層井壁厚度t2=362mm，取400mm。

2.3.2 -158～-313m段井壁厚度計(jì)算

1)-158～-313m段內(nèi)層井壁厚度計(jì)算。此段井壁凈半徑rn3=3000mm。鋼筋混凝土井壁強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fs3=26.1N/mm2。此段井壁承受的均勻載荷為靜水壓力：Pk3=ρwkH=3.13MPa，式中，ρw為水的似重力密度，取0.01MN/m3；k為水壓系數(shù)，取1；H為計(jì)算處水頭埋深，取313m。

設(shè)計(jì)荷載安全系數(shù)νk3=1.35，代入式(3)得：P3=4.226MPa；將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(1)得：內(nèi)層井壁厚度t3=648mm，取700mm。

2)-158～-313m段外層井壁厚度計(jì)算。此段井壁凈半徑rn4=3700mm；鋼筋混凝土井壁強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fs4=22.1N/mm2；此段井壁承受的均勻載荷為凍結(jié)壓力：Pk4=2.7MPa。

設(shè)計(jì)荷載安全系數(shù)νk4=1.05，代入式(3)得：P4=2.835MPa；將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(1)得：外層井壁厚度t4=591mm。

該礦井已施工主立井(井筒直徑8.2m)和副立井(井筒直徑9.2m)凍結(jié)段外層井壁厚度為450mm，回風(fēng)立井(井筒直徑7.5m)凍結(jié)段外層井壁厚度為400mm。根據(jù)工程類比法，此段外層井壁厚度取400mm。

2.3.3 井壁計(jì)算厚度論證

設(shè)計(jì)采用工程類比法對(duì)井壁計(jì)算厚度進(jìn)行論證。在寶雞和咸陽(yáng)地區(qū)，與該礦井地質(zhì)條件相似的礦井有招賢礦井、胡家河礦井、孟村礦井及小莊礦井，設(shè)計(jì)對(duì)以上礦井井筒施工方法及井壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)查，見(jiàn)表2。

表2 鄰近礦井井筒施工方法及井壁結(jié)構(gòu)調(diào)查表

該礦井東翼回風(fēng)立井0～-158m段內(nèi)層井壁厚400mm，外壁外層井壁厚400mm；-158～-313m段內(nèi)層井壁厚700mm，外壁外層井壁厚400mm。經(jīng)對(duì)比分析，井壁計(jì)算厚度較為合理。

2.4 壁座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50384—2016)第6.3.2條：凍結(jié)鑿井法井筒掘砌的底部必須將內(nèi)、外層井壁整體澆筑作為壁座；壁座厚度不應(yīng)小于內(nèi)、外層井壁厚度之和，設(shè)計(jì)取值為內(nèi)、外層井壁厚度之和1100mm；壁座高度應(yīng)根據(jù)圍巖強(qiáng)度、壁座所承受的載荷計(jì)算，但不應(yīng)小于4m。

壁座高度按式(4)計(jì)算：

式中，hb為壁座整體澆筑段高度，m；Gn為壁座以上內(nèi)層井壁重力計(jì)算值，MN，計(jì)算得Gn=167.2MN；rnw為內(nèi)層井壁外半徑，取3.7m；[fj]為混凝土容許抗剪強(qiáng)度，C50混凝土取1.54MN/m2。

將數(shù)據(jù)代入式(4)得：hb=4.7m，取hb=10m。

2.5 井壁配筋設(shè)計(jì)

凍結(jié)段外壁配單層Φ22mm鋼筋，配筋間隙250mm；凍結(jié)上段內(nèi)壁配雙層Φ22mm鋼筋，凍結(jié)下段內(nèi)壁配雙層Φ25mm鋼筋，配筋間隙250mm。鋼筋保護(hù)層厚度，內(nèi)緣鋼筋為50mm，外緣鋼筋為70mm。井壁各段全截面配筋率均大于0.4%，滿足規(guī)范要求。

2.6 泡沫塑料板與塑料夾層的鋪設(shè)

為保證內(nèi)外井壁結(jié)構(gòu)完整，設(shè)計(jì)在凍結(jié)壁與現(xiàn)澆混凝土外層井壁之間鋪設(shè)50mm厚的泡沫塑料板，可有效防止膨脹性土層迅速增長(zhǎng)的初期凍結(jié)壓力對(duì)井壁的破壞，起到緩卸壓力的作用。在內(nèi)外層井壁之間鋪設(shè)雙層1.5mm厚聚乙烯塑料夾層，可使內(nèi)外層井壁較為自由地做相對(duì)位移，避免因溫差過(guò)大而產(chǎn)生溫度應(yīng)力并拉裂井壁。

2.7 井壁后及井壁間注漿

為提高井筒外部巖層的整體強(qiáng)度，設(shè)計(jì)在內(nèi)壁套壁結(jié)束后凍土解凍初期進(jìn)行壁后注漿，對(duì)井筒外壁后的裂隙注漿封堵。為防止凍結(jié)壁解凍后含水層涌水進(jìn)入塑料夾層壁間，降低壁間靜水壓力，減少內(nèi)壁承載力，設(shè)計(jì)在內(nèi)壁套壁結(jié)束后實(shí)施塑料夾層壁間注漿，充填井壁間隙、裂縫。

3 施工期間注意事項(xiàng)

凍結(jié)法施工屬于特殊鑿井技術(shù)，在施工期間要注意以下事項(xiàng)：

1)凍結(jié)法施工期間為確保冷卻循環(huán)水的供給，施工場(chǎng)地內(nèi)必須合理布置水源井的位置。為了保障地下水正常的流通，避免地下水流通增大，影響凍結(jié)壁交圈效果，最好在凍結(jié)井筒以及其降水漏斗影響的范圍以外或者是地下水的上游布置水源井。

2)凍結(jié)速度、開(kāi)挖時(shí)間以及施工速度之間要合理配合，否則會(huì)造成凍結(jié)管斷裂、外層井壁壓裂等工程事故。

3)為了保障塑料夾層的完整性、隔水性，施工期間要避免塑料夾層受到擠壓、碰撞等破壞。

4 結(jié) 論

1)在園子溝煤礦東翼回風(fēng)立井凍結(jié)井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)規(guī)范，通過(guò)詳細(xì)的計(jì)算校核，考慮了多種因素對(duì)凍結(jié)井筒井壁厚度的影響，并結(jié)合園子溝礦井以往井筒施工經(jīng)驗(yàn)，合理地確定了凍結(jié)施工所需要的各項(xiàng)參數(shù)，保證了凍結(jié)井筒井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和合理性。

2)目前，西北地區(qū)已成為我國(guó)主要煤炭生產(chǎn)地，相對(duì)于中、東部地區(qū)的深厚不穩(wěn)定沖積層，需要解決的是在深厚含水基巖中的建井問(wèn)題。隨著新礦井的不斷開(kāi)發(fā)建設(shè)，凍結(jié)法施工已成為西北地區(qū)含水基巖井筒施工的主要方法，園子溝煤礦東翼回風(fēng)立井凍結(jié)法施工對(duì)相似地質(zhì)條件及礦區(qū)周邊礦井提供了工程實(shí)例和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。