東周窯礦富水表土層井筒凍結(jié)施工技術(shù)與應(yīng)用

李國(guó)鑫

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭一直是我國(guó)的主體消費(fèi)能源[1-2]，隨著煤炭開(kāi)采強(qiáng)度和需求的不斷增加，賦存條件較好的煤炭資源已經(jīng)不足以滿(mǎn)足國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，因此，必須在一些水文地質(zhì)條件復(fù)雜的、富含豐富煤炭資源的煤田建立新礦井。在新礦井的建設(shè)中，常常會(huì)遇到復(fù)雜地層，比如在淮南淮北礦區(qū)、兗州礦區(qū)、開(kāi)灤礦區(qū)等地方建設(shè)礦井時(shí)，經(jīng)常遇到幾十米到上百米的表土層，表土層內(nèi)含有多層流沙，涌水量較大，給井筒施工帶來(lái)了嚴(yán)峻考驗(yàn)[3-4]。凍結(jié)施工技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)、施工速度快、質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)鑿井施工的首選技術(shù)。凍結(jié)法施工預(yù)先在含水巖層中施工鉆孔，并鋪設(shè)鋼管，在鋼管內(nèi)導(dǎo)入循環(huán)的液氮，加劇鋼管周邊的巖層凍結(jié)，以形成一層具有足夠強(qiáng)度的凍土層殼，強(qiáng)度達(dá)5～10 MPa，可有效隔絕地下流沙和涌水，尤其適用于松散、含水、不穩(wěn)定巖層鑿井[5-6]。

1 工程概況

東周窯礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)量1000萬(wàn)t，井田地處山西黃土高原向內(nèi)蒙古高原的過(guò)渡地帶，屬晉西北低山丘陵區(qū)，為黃土丘陵地貌，地形起伏不大，沖溝發(fā)育，地勢(shì)南高北低，一般海拔標(biāo)高1300～1500 m。礦井計(jì)劃布置主斜井、副斜井、副立井及中央回風(fēng)立井四個(gè)井筒。其中，主斜井布置于礦井工業(yè)場(chǎng)地東北約300 m處的選煤廠內(nèi)，井筒傾角16°，凈寬5.0 m，凈斷面16.6 m2，井口標(biāo)高+1 335.50 m，落底于主采5號(hào)煤層，井底標(biāo)高+866.0 m，斜長(zhǎng)1 703.3 m。依據(jù)礦井水文地質(zhì)資料，主斜井井筒在穿透表土層期間將穿過(guò)第四系松散含水層、碎屑巖含水層、巖溶裂隙含水層、風(fēng)化殼含水層，需采用凍結(jié)施工技術(shù)。

（1）第四系松散含水層。位于河床漫灘及兩岸一、二級(jí)階地區(qū)，厚度為0.6～11.31 m。含水層由砂土，礫砂等組成，透水性較強(qiáng)，單位涌水量為1.21～2.47 L/s·m。

（2）碎屑巖含水層。巖性為中、粗砂巖、含礫粗砂巖，含水微弱，富水性差。其中侏羅系大同組可采煤層已普遍開(kāi)采，開(kāi)采中礦井排水改變了地下水的補(bǔ)給排條件，天然流場(chǎng)發(fā)生了改變。

（3）巖溶裂隙含水層。為富水程度極不均勻的承壓含水層，在巖溶裂隙發(fā)育地帶，富水性極好。

（4）風(fēng)化殼含水層。不分地層時(shí)代而與地形相關(guān)，接近地表30 m之內(nèi)，巖石呈強(qiáng)風(fēng)化—微風(fēng)化，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖石破碎，易接受大氣降水補(bǔ)給和地表徑流補(bǔ)給，靠近河岸，含水性中等，單位涌水量一般在0.03～1.88 L/s·m。

2 富水表土層井筒凍結(jié)施工技術(shù)

由于主斜井井筒掘進(jìn)斷面大，斜長(zhǎng)較長(zhǎng)，技術(shù)難度相對(duì)較大，加之巖層地下水豐富，與地表水有直接聯(lián)系，因此，解決好東周窯礦表土層是凍結(jié)施工技術(shù)的關(guān)鍵所在。主斜井表土段采用凍結(jié)施工技術(shù)，基巖段采用普通施工方法。表土段施工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 表土段施工參數(shù)

主斜井133.4～421.75 m段采用凍結(jié)施工技術(shù)，根據(jù)井筒斷面與地質(zhì)資料，設(shè)計(jì)采用分段鉆孔、分段凍結(jié)的方法進(jìn)行施工，保證鉆孔、凍結(jié)、掘進(jìn)、砌碹等工序連續(xù)。設(shè)計(jì)每60 m為一段，共計(jì)5段。第1段凍結(jié)30 d后第2段開(kāi)始凍結(jié)，凍結(jié)60 d后第1段開(kāi)始施工，依次完成5段凍結(jié)施工。共設(shè)計(jì)5排凍結(jié)鋼管，778個(gè)凍結(jié)鉆孔，33個(gè)溫度測(cè)量鉆孔，鉆井量共計(jì)71 800.89 m。具體凍結(jié)施工技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 表土段凍結(jié)參數(shù)

（1）在地面施工垂直鉆孔，鉆孔由淺入深。邊排孔最淺、最深深度分別為41.554 m、122.289 m，中排孔最淺、最深深度分別為41.554 m、122.449 m。其中，中排孔穿過(guò)井筒斷面，穿過(guò)井筒區(qū)域的鋼管應(yīng)進(jìn)行必要的隔熱保溫措施。

（2）凍結(jié)期鹽水溫度設(shè)計(jì)為-30～ -32 ℃，井筒頂板凍結(jié)巖層平均溫度設(shè)計(jì)-10 ℃，兩幫和底板設(shè)計(jì)-8 ℃。

（3）井筒頂板凍結(jié)巖層厚度設(shè)計(jì)為8.0 m，兩幫凍結(jié)巖層厚度設(shè)計(jì)為2.5 m，底板凍結(jié)巖層厚度設(shè)計(jì)為5.0 m。

（4）井筒頂板凍結(jié)采用Φ89 mm×5 mm無(wú)縫鋼管，底板凍結(jié)采用Φ133 mm×5 mm無(wú)縫鋼管，兩者之間采用變徑管相連。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

凍結(jié)施工技術(shù)應(yīng)用后，及時(shí)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，主要包括凍結(jié)狀態(tài)信息和井筒變形監(jiān)測(cè)。凍結(jié)狀態(tài)信息主要采用鹽水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，同時(shí)還監(jiān)測(cè)了筒壁凍結(jié)巖層的溫度；井筒變形監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)了頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃问諗壳闆r。

現(xiàn)場(chǎng)鹽水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)反饋，凍結(jié)技術(shù)施工過(guò)程中，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，各鉆孔鹽水循環(huán)正常。圖1給出了某一凍結(jié)基站鹽水溫度變化曲線(xiàn)。如圖所示，鹽水系統(tǒng)中去路溫度-25 ℃，與回路溫差1 ℃，表明該區(qū)段表土層已形成基本凍土層，每增加一路凍結(jié)鉆孔，溫度略微增加，后期鹽水溫度大概保持在18～20 ℃之間。圖2給出了某一側(cè)孔筒壁凍結(jié)巖層的溫度變化曲線(xiàn)。如圖所示，側(cè)孔附近的巖層溫度在0 ℃左右，具備良好的開(kāi)挖條件。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖顯示，筒壁巖層凍結(jié)效果良好，未出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。

圖1 凍結(jié)基站鹽水溫度變化曲線(xiàn)

圖2 測(cè)孔筒壁巖層溫度變化曲線(xiàn)

圖3和圖4分別給出了井筒掘進(jìn)后頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃吻€(xiàn)。

圖3 井筒頂?shù)装遄冃吻€(xiàn)

圖4 井筒兩幫變形曲線(xiàn)

由圖可知，頂?shù)装遄冃沃饕l(fā)生在開(kāi)掘35 d內(nèi)，最大變形量約7.3 mm。變形初期（0～6 d），變形速度相對(duì)最大，約0.67 mm/d；變形中期（6～15 d），變形速度減緩，約0.45 mm/d；變形后期（25 d后），變形趨于穩(wěn)定。兩幫變形主要發(fā)生在開(kāi)掘30 d內(nèi)，最大變形量約23 mm，同比頂?shù)装遄冃斡忻黠@增加，但其穩(wěn)定時(shí)間有所減小。變形初期（0～12 d），變形速度相對(duì)最大，約2.2 mm/d；變形中后期（12～20 d），變形速度相對(duì)減緩，約0.38 mm/d。

4 結(jié)論

東周窯礦主斜井穿過(guò)富水巖層采用凍結(jié)施工技術(shù)，設(shè)計(jì)了凍結(jié)施工技術(shù)與參數(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與監(jiān)測(cè)。鉆孔鹽水系統(tǒng)溫度、筒壁凍結(jié)巖層溫度、井筒變形等監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，筒壁巖層凍結(jié)效果良好，井筒變形在允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了富水表土層井筒凍結(jié)施工技術(shù)與參數(shù)的合理性和可靠性，為富水表土層井筒施工提供參考。